永磁同步电机浅析

现如今世界各大汽车公司均积极开发节能减排新技术，大力发展新能源汽车。总所周知，电动车的动力源由传统的内燃机变为电机，电机的性能直接影响着汽车的续航里程和行驶性能。关于电动机的基本知识在此不再赘述，想了解的读者可以看笔者的上一篇文章《永磁同步电动机浅析》。相信有不少人看过下面的这张图片，也说明了不同国家新能源汽车采用驱动电机的差异。今天具体介绍一下特斯拉model 3使用的永磁同步电机，以及特斯拉采用永磁同步电机的原因。

图1 中美汽车驱动电机差异

首先说一下永磁同步电机的市场前景，相关数据表明，2017年1-10月我国新能源汽车在乘用车领域,永磁同步电机占比78.1%;在客车领域永磁同步电机占比94.6%;在专用车领域永磁同步电机占比78.6%，此外比亚迪、宇通客车以及联合汽车电子等企业所使用的电机产品均为永磁同步电机。（引自公众号 电机技术与应用）可见永磁同步电机是新能源车领域应用最广的电机，究其原因是因为相较其他电机,具有功率密度大、效率高、重量轻等优势。

图2前五批推荐车型目录电机类型分布

对于异步电机而言，因为需要转子中的导体切割磁感线产生电流，则定子和转子自不能相对静止，那么转子转速永远不会等于定子转速，这就是异步电机名字的由来。那么何为“同步”？即怎么做到转子转速等于定子转速呢？

其实不是很难，当转子不再依靠定子的旋转磁场，不再通过切割磁感线产生电流和磁场，而是通过另外一种方式产生磁场（比如给电机转子接直流电源将其变成一个电磁铁），由于定子旋转磁场的存在依旧会产生电磁转矩，而且定子和转子会以相同的旋转速度旋转，那么这样的电机就叫同步电机。当转子导体采用永磁材料加工制造成为永磁体转子时，也可以将电机转子变成电磁铁产生磁场，实现转子和定子转速同步（旋转磁场的同步转速

,P为电动机磁极对数），这也就是永磁同步电机名字的由来，因此可以定义永磁同步电机是由永磁体励磁产生同步旋转磁场的电机。

则永磁同步电机工作原理如下：当永磁同步电机定子部分通入由三相逆变器经脉宽调制的三相交流电后，定子电枢会产生空间磁场，它与永磁体转子相互作用，产生与定子旋转磁场旋向相同的电磁转矩输出。当输出的转矩T超过转子的摩擦转矩以及由于永磁体的阻尼转矩时，电机便开始向外做功，并不断地加速直至同步。

图2一种永磁体转子机构

接下来简单介绍一种永磁电机的同步控制原理：永磁电机的同步控制可以看作是对空间磁场的控制，也可以看做定子磁场与转子磁场的匹配问题，如何通过坐标变换实现模拟直流电机的控制方法来进行控制。将定子电流矢量分解成励磁电流分量和转矩电流分量，并使两分量互相垂直，如果给定励磁电流分量为0，则根据电工学知识得到转矩与主磁通和转矩电流分量乘积成正比。当通过坐标变换将定子电流矢量分解为励磁电流分量和转矩电流分量，便方便了对永磁同步电机的输出参数的控制。当然还有其他的控制方法，有兴趣的读者可以自行研究。

由于此类电机采用永磁体转子，工作时转子中无感应电流，因此不存在转子电阻损耗，一方面使得其效率高于其他电机，另一方面使得电机温升低，延长了电机的使用寿命。永磁同步电机既具有交流电机无电刷机构，又具有直流电机调速性能好的优点，都使得其有更为广阔的应用前景，目前大部分汽车厂商都选择永磁同步电机作为驱动电机，特斯拉目前也在向这个方向倾斜。

但是由于永磁体转子制造过程中需要用到价格高昂的稀土元素，使得电机成本相对较高；由于永磁材料怕高温，使得电机在高温、震动、过流的情况下有退磁的风险，需要使用冷却液也相应增加了使用成本。最后介绍一下永磁同步电机用的永磁材料。永磁材料是指一经磁化即能恒定保持磁性的材料，常用的永磁材料分为铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、永磁铁氧体、稀土永磁材料和复合永磁材料等；目前永磁同步电机常用的永磁材料为铝镍钴、铁氧体、钕铁硼以及稀土钴，如今大部分永磁体转子用的是稀土钴。稀土永磁材料指的是含有稀土金属的永磁材料，主要是稀土钴和钕铁硼永磁材料。稀土被称为“工业维生素”，稀土元素氧化物是元素周期表中原子序数为57 到71的15种镧系元素氧化物，以及与镧系元素化学性质相近的钪（Sc）和钇（Y）17 种元素的氧化物。稀土的主要应用范围之一是永磁，在新能源、航空航天、军工设备、生物技术以及节能环保等领域得到应用，是极其重要的战略资源。