永磁同步與異步感應：為何高端電動車，必須同時要裝這兩種電機？
2020-6-16 13:12:13??????點擊：
文章概況：電機，作為電動汽車的主要動力源，其性能的優良直接決定了一輛電動車動力性能以及續航能力的表現。
電機，作為電動汽車的主要動力源，其性能的優良直接決定了一輛電動車動力性能以及續航能力的表現。現階段在售新能源車所采用的電機種類無外乎兩種：永磁同步電機和感應異步電機。這兩種技術有何區別？為何特斯拉Model 3、蔚來這樣的高端電動車，都是兩種電機一前一后排列呢？
電機和電機之間有啥不同？
我們初中就學過，所謂電機，指的是依據電磁感應定律實現電能轉換或傳遞的一種電磁裝置。簡單來說，就是利用電生磁，然后再利磁場同性相斥，異性相吸的原理產生動力。
電機原理示意圖丨首席出行官
一般的電機內部，主要由定子和轉子兩個主要部分構成。所謂定子，就是電機內部的兩塊固定磁鐵，分別為N極和S級。在兩塊磁鐵中間，可以旋轉的部分則為轉子。轉子的主要材質是由硅鋼片疊壓并纏繞線圈構成。值得注意的是，轉子上的線圈是需要以特定的方向進行纏繞，如此才能令轉子“聽話”的旋轉起來。
電機原理示意圖丨首席出行官
在通電時，電流會沿著線圈的纏繞方向進行傳導。同時，根據“電生磁”原理便直接產生了相應的磁場。根據“同性相斥，異性相吸”原理與定子上的永磁體“相反”，由此轉子便開始產生動力并開始旋轉。
而應用在電動汽車上的永磁同步電機，結構卻有些不同。電動車上所應用的電機結構恰恰相反，其轉子采用永磁體的形式，而定子則采用銅線纏繞的形式。而提供動力的原理則與一般電機相同，定子通電產生旋轉磁場，永磁體轉子則自帶磁場，同理產生動力。
電動車永磁同步電機原理示意圖丨首席出行官
另外，永磁同步電機中所謂的的“同步”，其代表的意思是電機中轉子的轉速與定子繞組的電流頻率始終保持一致，故稱之為同步。
另外一種電機，則是感應異步電機。其本質電能轉化為動能的原理依舊相同，只不過感應電機內并不存在永磁體。另外一點不同是，感應電機是定子通電產生一個旋轉磁場并與轉子繞組形成相對運動。轉子繞組切割磁感線產生感應電動勢，從而使轉子繞組中產生感應電流。轉子繞組中的感應電流與磁場作用，產生電磁轉矩，使轉子旋轉產生動力。
而“異步”所蘊含的意思則是，在交流異步電機中，轉子的速度始終是在“追趕”定子旋轉磁場的速度。同時，轉子為了能夠切割磁感線產生電流，所以轉子的轉速需要一直比定子旋轉磁場的轉速慢。因為二者為異步運行，故稱其為異步電機。
簡單來說，永磁同步電機的定子形成的旋轉磁場就好比是自帶動力的主動齒輪，而轉子則是嚙合在一起的從動齒輪，兩者之間的關系有些類似于硬連接。而感應異步電機則類似于風車。定子形成的旋轉磁場就相當于風，轉子則相當于風車的葉片，風吹向葉片使葉片運轉從而產生動力。
再結合首席出行官的“靈魂畫作”，簡單的道理你已經懂了吧。
兩種電機“各有所長”
其實，目前包括特斯拉Model 3在內的高端電動車的動力系統，都選擇了搭載雙形式電機的動力解決方案，即“前永磁，后感應”的雙電機配置。這樣的混搭其實就直接表明了兩種電機形式擅長的“技能點”不同：永磁電機能保證更長的續航能力，感應電機則能保證更強的性能表現。
不過除了這個眾所周知的特點，兩種電機還有什么區別呢？
首先，在效率上，永磁同步電機的效率更高。因轉子材質本身為永磁體，只需給定子通電形成旋轉磁場便可以直接帶動轉子運轉。所謂同步電機，定子旋轉磁場每旋轉一圈，轉子也會旋轉一圈。這其中理論上不存在轉子電阻和磁滯損耗，顯然效率最優。而感應異步電機的轉子需要產生感應電流，這本身存在無功功率，且運轉速度始終慢于定子的旋轉磁場，故效率會低于永磁同步電機。
也正是因為其不同的工作特性，感應異步電機的電耗會高于永磁同步電機。這也就解答了蔚來ES8，奧迪e-tron以及奔馳EQC等雙感應電機的電耗更高，續航能力更差的主要原因。“
這里插播一個問題，老款特斯拉在采用同樣的雙感應電機為何續航要強于上述車型呢？第一，老款特斯拉無論Model S和Model X本身的實際續航能力其實并非很強；第二，特斯拉因其在電控及電池的技術優化的更好，綜合效率更高，所以其續航能力會略強于其他車型。在本質，特斯拉所采用的感應電機同樣有著高電耗的事實，所以最新款的特斯拉車型均更換為永磁+感應電機的混合動力搭配。
不過，在電機穩定性上，感應異步電機表現更佳。因為永磁同步電機本身自帶永磁體，所以其必然會面對“高溫退磁”的情況，長時間高負荷運行會導致電機內部溫度過高，進而導致永磁體磁性下降甚至是消磁。相比之下，感應異步電機則無須擔心退磁現象的發生。
電動車動力結構示意圖丨首席出行官
在動力性能上，感應異步電機動力性能更強。現階段，只有少數永磁同步電機的功率可以達到200kW以上，而感應異步電機甚至可以做到300kW+。其主要原因是永磁同步電機受制于永磁體的材料性能，也就是磁力的大小，功率做不了太大。另一方面則受制于電機穩定性，尤其是高溫退磁現象，電腦會對電機使用最大功率的時間進行限制。這些都限制了永磁同步電機性能的發揮。
最后在成本方面，同等標準下永磁同步電機的成本會略高于感應異步電機，其核心原因在于永磁體的材質。
電機結構示意圖丨首席出行官
要知道，制造永磁體所需的釹鐵硼永磁材料是稀土資源，其購入成本自然會高于感應電機。尤其對于稀土資源缺少或稀土工業不發達的國家而言，進口稀土資源無疑直接導致了電機成本的增加。
但在我國的情況卻有所不同，中國擁有全球70%的稀土資源，釹鐵硼磁性材料的總產量達到全球的80%，所以國內供應商生產永磁同步電機的成本會更低。不過，我國已經將稀土列為戰略物資并限制出口，這也致使國際稀土價格進一步提高，讓國外永磁同步電機供應商的成本增加。
未來很長一段時間，“感應+永磁”還會是行業標配
其實并不存在孰強孰弱的關系，兩種電機擁有著各自不同的特性。車企在選用兩種電機的時候也會根據不同定位及需求，選用不同的電機類型。例如，國內中低端電動車均選用永磁同步電機，其根本原因就是其效率更高，電耗更小，進而實現更長的續航里程。而偏高端電動車則更樂意選用感應異步電機，來滿足更強的動力性能。
當然，隨著永磁同步電機的技術發展，如今這類電機的動力性能在有了明顯提升的同時。但是，感應電機無論在性能還是成本上都還擁有不少的優勢。所以，如今的高端電動車都選用了永磁+感應的“混搭配方”。
電機，作為電動汽車的主要動力源，其性能的優良直接決定了一輛電動車動力性能以及續航能力的表現。現階段在售新能源車所采用的電機種類無外乎兩種：永磁同步電機和感應異步電機。這兩種技術有何區別？為何特斯拉Model 3、蔚來這樣的高端電動車，都是兩種電機一前一后排列呢？
電機和電機之間有啥不同？
我們初中就學過，所謂電機，指的是依據電磁感應定律實現電能轉換或傳遞的一種電磁裝置。簡單來說，就是利用電生磁，然后再利磁場同性相斥，異性相吸的原理產生動力。
電機原理示意圖丨首席出行官
一般的電機內部，主要由定子和轉子兩個主要部分構成。所謂定子，就是電機內部的兩塊固定磁鐵，分別為N極和S級。在兩塊磁鐵中間，可以旋轉的部分則為轉子。轉子的主要材質是由硅鋼片疊壓并纏繞線圈構成。值得注意的是，轉子上的線圈是需要以特定的方向進行纏繞，如此才能令轉子“聽話”的旋轉起來。
電機原理示意圖丨首席出行官
在通電時，電流會沿著線圈的纏繞方向進行傳導。同時，根據“電生磁”原理便直接產生了相應的磁場。根據“同性相斥，異性相吸”原理與定子上的永磁體“相反”，由此轉子便開始產生動力并開始旋轉。
而應用在電動汽車上的永磁同步電機，結構卻有些不同。電動車上所應用的電機結構恰恰相反，其轉子采用永磁體的形式，而定子則采用銅線纏繞的形式。而提供動力的原理則與一般電機相同，定子通電產生旋轉磁場，永磁體轉子則自帶磁場，同理產生動力。
電動車永磁同步電機原理示意圖丨首席出行官
另外，永磁同步電機中所謂的的“同步”，其代表的意思是電機中轉子的轉速與定子繞組的電流頻率始終保持一致，故稱之為同步。
感應異步電機示意圖丨首席出行官
另外一種電機，則是感應異步電機。其本質電能轉化為動能的原理依舊相同，只不過感應電機內并不存在永磁體。另外一點不同是，感應電機是定子通電產生一個旋轉磁場并與轉子繞組形成相對運動。轉子繞組切割磁感線產生感應電動勢，從而使轉子繞組中產生感應電流。轉子繞組中的感應電流與磁場作用，產生電磁轉矩，使轉子旋轉產生動力。
而“異步”所蘊含的意思則是，在交流異步電機中，轉子的速度始終是在“追趕”定子旋轉磁場的速度。同時，轉子為了能夠切割磁感線產生電流，所以轉子的轉速需要一直比定子旋轉磁場的轉速慢。因為二者為異步運行，故稱其為異步電機。
簡單來說，永磁同步電機的定子形成的旋轉磁場就好比是自帶動力的主動齒輪，而轉子則是嚙合在一起的從動齒輪，兩者之間的關系有些類似于硬連接。而感應異步電機則類似于風車。定子形成的旋轉磁場就相當于風，轉子則相當于風車的葉片，風吹向葉片使葉片運轉從而產生動力。
再結合首席出行官的“靈魂畫作”，簡單的道理你已經懂了吧。
兩種電機“各有所長”
其實，目前包括特斯拉Model 3在內的高端電動車的動力系統，都選擇了搭載雙形式電機的動力解決方案，即“前永磁，后感應”的雙電機配置。這樣的混搭其實就直接表明了兩種電機形式擅長的“技能點”不同：永磁電機能保證更長的續航能力，感應電機則能保證更強的性能表現。
不過除了這個眾所周知的特點，兩種電機還有什么區別呢？
首先，在效率上，永磁同步電機的效率更高。因轉子材質本身為永磁體，只需給定子通電形成旋轉磁場便可以直接帶動轉子運轉。所謂同步電機，定子旋轉磁場每旋轉一圈，轉子也會旋轉一圈。這其中理論上不存在轉子電阻和磁滯損耗，顯然效率最優。而感應異步電機的轉子需要產生感應電流，這本身存在無功功率，且運轉速度始終慢于定子的旋轉磁場，故效率會低于永磁同步電機。
也正是因為其不同的工作特性，感應異步電機的電耗會高于永磁同步電機。這也就解答了蔚來ES8，奧迪e-tron以及奔馳EQC等雙感應電機的電耗更高，續航能力更差的主要原因。“
這里插播一個問題，老款特斯拉在采用同樣的雙感應電機為何續航要強于上述車型呢？第一，老款特斯拉無論Model S和Model X本身的實際續航能力其實并非很強；第二，特斯拉因其在電控及電池的技術優化的更好，綜合效率更高，所以其續航能力會略強于其他車型。在本質，特斯拉所采用的感應電機同樣有著高電耗的事實，所以最新款的特斯拉車型均更換為永磁+感應電機的混合動力搭配。
不過，在電機穩定性上，感應異步電機表現更佳。因為永磁同步電機本身自帶永磁體，所以其必然會面對“高溫退磁”的情況，長時間高負荷運行會導致電機內部溫度過高，進而導致永磁體磁性下降甚至是消磁。相比之下，感應異步電機則無須擔心退磁現象的發生。
電動車動力結構示意圖丨首席出行官
在動力性能上，感應異步電機動力性能更強。現階段，只有少數永磁同步電機的功率可以達到200kW以上，而感應異步電機甚至可以做到300kW+。其主要原因是永磁同步電機受制于永磁體的材料性能，也就是磁力的大小，功率做不了太大。另一方面則受制于電機穩定性，尤其是高溫退磁現象，電腦會對電機使用最大功率的時間進行限制。這些都限制了永磁同步電機性能的發揮。
最后在成本方面，同等標準下永磁同步電機的成本會略高于感應異步電機，其核心原因在于永磁體的材質。
電機結構示意圖丨首席出行官
要知道，制造永磁體所需的釹鐵硼永磁材料是稀土資源，其購入成本自然會高于感應電機。尤其對于稀土資源缺少或稀土工業不發達的國家而言，進口稀土資源無疑直接導致了電機成本的增加。
但在我國的情況卻有所不同，中國擁有全球70%的稀土資源，釹鐵硼磁性材料的總產量達到全球的80%，所以國內供應商生產永磁同步電機的成本會更低。不過，我國已經將稀土列為戰略物資并限制出口，這也致使國際稀土價格進一步提高，讓國外永磁同步電機供應商的成本增加。
未來很長一段時間，“感應+永磁”還會是行業標配
其實并不存在孰強孰弱的關系，兩種電機擁有著各自不同的特性。車企在選用兩種電機的時候也會根據不同定位及需求，選用不同的電機類型。例如，國內中低端電動車均選用永磁同步電機，其根本原因就是其效率更高，電耗更小，進而實現更長的續航里程。而偏高端電動車則更樂意選用感應異步電機，來滿足更強的動力性能。
當然，隨著永磁同步電機的技術發展，如今這類電機的動力性能在有了明顯提升的同時。但是，感應電機無論在性能還是成本上都還擁有不少的優勢。所以，如今的高端電動車都選用了永磁+感應的“混搭配方”。
本文關鍵詞：電機 異步電機 永磁同步電機
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