研车硬知识：为什么我国的新能源汽车普遍采用永磁同步电机？

  产业发展取得了巨大成就。2023年，我们国家新能源汽车累计销售近950万辆，超过30%，产销量占全球比重超过60%，非常可喜的成绩，对汽车人来说是巨大的激励。最近以等汽车企业领衔的降价大促销，更是成为普通老百姓日常交谈的话题，民众对新能源汽车产业高质量发展的关注度空前提高。然而你真的了解新能源汽车的核心技术吗？有些习以为常的知识你真的知道背后的原因吗？我会在以后的系列文章中，进行详细的讲解和探讨，让广大网友做个明白人。今天我就下面问题进行探讨：为什么我们国家新能源汽车普遍采用

  驱动电机相当于汽车的“发动机”，当前世界主流的车用驱动电机主要有两类交流异步电动机和永磁同步电机。稀土永磁电机首先在日本的丰田普锐斯汽车上开始使用，经过这么多年的实践证明，都在朝使用稀土的方向发展。除此之外，我们国家新能源汽车普遍采用永磁同步电机还基于以下三个方面的原因：

  第一个方面，我国稀土资源丰富，产业把控能力强，避免受制于人。我国的稀土资源丰富，稀土储量达4400万吨，占全球比重35.2%，远超其他几个国家。根据高盛集团2023年7月初的报告，我国的稀土产量占全球精炼产量的90%。资源禀赋上，我国资源优于全球，表现为稀土矿种和元素齐全，稀土不稀，号称“稀土王国”。稀土永磁材料和稀土永磁电机的科研水平都达到了国际领先水平，华为DriveONE，最高转速25000r/min、小米超级电机V8s电机转速27200r/min，两个例子就是最好的证明。

  第二个方面，稀土永磁电机效率和功率密度高，便于小型化和轻量化。稀土永磁电机采用永磁体进行励磁代替电励磁同步电机的励磁绕组励磁，具有结构相对比较简单、加工和装配费用低，省去了集电环和电刷，提高了运行的可靠性；又因无需励磁电流，省去了励磁损耗，提高了电机的效率和功率密度。

  （1）加速启动—惯性负载。车辆开发过程中百公里加速时间是一个很重要的技术指标，其实质是加速度指标，这个指标对驾乘人员来说最直观的体验就是“推背感”。在加速工况下，车身具有很大的惯性，要达到一定的加速度就须有很大的扭矩，这个扭矩与滚动阻力扭矩相比，滚动阻力可忽略不计，又因启动时车速并不很高，风阻也可忽略不计，这种工况就是一个典型的惯性负载，即转矩大小取决于车体质量和加速度。对于质量一定车辆，百公里加速时间越短，所需要的转矩就越大，要想获得超强的推背感就需要电机在低速范围内有足够大的峰值转矩，此时电机的转速并不是很高，因此电机的功率也不是很高。

  （2）中速超车—惯性负载与风阻负载(平方转矩负载)以及滚阻负载的组合负载。高速行驶时，如想实现超车，这就需要驱动电机在一定速度情况下仍要有足够大的转矩，因此时电机已经具有一定的转速，转速与转矩的乘积即为功率，这样的一种情况还要求电机具备足够大的峰值功率才能超越。受电机峰值功率的限制，超车时的加速度比启动加速时的加速度要小很多，因此与风阻转矩、滚动阻力转矩相比此时的惯性转矩比较小，该工况相当于惯性负载与风阻负载以及滚阻负载的组合负载。

  （3）高速匀速运行—恒转矩和平方转矩负载的组合负载。汽车在高速上匀速行驶所受到的阻力只有风阻和滚阻，滚动阻力属于恒转矩负载，而风阻属于平方转矩负载，因此这种工况就是恒转矩和平方转矩负载的组合负载。

  （4）爬坡—恒功率负载。爬坡时车辆所受到的阻力包括重力沿坡度方向的分力和滚动阻力。如果在较高速度下爬坡还会受到风阻，受电机峰值转矩和峰值功率的限制，因此通常是低速爬坡工况，电机以峰值转矩运行，高速爬坡时以恒功率方式运行，坡度大需要放慢速度，以保证功率不过载。

  （5）回馈刹车—拖动发电状态。新能源汽车一个最大的特点是刹车时改变电机运作时的状态将车辆的动能回收变为电能，给储能装置充电，这也在某一些程度上是新能源车辆可以节能的一个重要原因。回馈刹车时电机处于发电状态，车辆变成了原动机，拖动驱动电机发电，电磁转矩变为制动性质。急刹车时电机希望以最大的制动转矩运行，但受电机峰值转矩和峰值功率限制，低速急刹车以峰值转矩运行，中高速急刹车只能以峰值功率运行。通常如果制动力矩不够还需要采用机械刹车共同制动。

  由以上可知，车辆动态运行特性是很复杂的，是各种变速负载特性兼有的组合体。其需要的电磁转矩，如图2所示（李保来老师绘制特此表示感谢）。由图可见，给出了各种工况典型的转矩特性，电机要想满足如此多的工况要求，其扭矩-转速特性一定要能覆盖满足车辆运行工况的需求，即图中红色曲线、永磁同步电机在满足车辆动态性能方面优势明显

  车辆运行工况的复杂性决定了驱动电机工作转速范围大，因此要求驱动电机可以有效的进行弱磁

  额定转速)且转速进一步升高时应该在足够大的中速范围内基本保持恒功率输出，在更高的极端高速能确保安全运行。内嵌式反凸极永磁同步电机（永磁体嵌在转子内部）有着非常明显的优势，因其转子磁路结构的不对称性(Lq>

  Ld)以及越大越好的凸极比（Lq/Ld）所产生的磁阻转矩有助于提高电机的过载能力和功率密度，且更易于“弱磁”扩速，能够较好的满足车辆使用的过程中迅速变化的驾驶需求。

  反电动势，的选取通常应以最高转速下不超过变频器SIC/IGBT半导体开关耐压值为宜；直轴电感的设计应考虑最大转速范围和高速弱磁时的磁钢退磁风险。电机体积重量的限制同样是需要重点考虑的因素，新能源汽车对驱动电机功率密度指标是在一个非常苛刻的体积重量要求下达成的。车辆运行工况的需求导致电机工作转速范围很大，最高转速很高（如V8s -27200r/min），应考虑高速时的机械结构安全问题、基波频率较高，驱动器输出频率限制问题、NVH问题、谐波附加损耗等等一系列高速带来的不可控因素，新能源汽车业务的发展推动着这些苛刻问题的解决，当然也是电机设计工程师更加严峻的挑战。综上所述，我们国家新能源汽车驱动电机普遍采用的是内嵌式反凸级永磁同步电机。