总有一款适合你——车用驱动电机技术

  永磁同步电机、异步电机、开关磁阻电机、无刷直流电机，在这一大堆各式各样的电机名称面前，多少人会瞬间产生懵圈感，傻傻分不清谁是谁？其实没关系的，因为总有一款适合你。

  在技术进步、市场需求和应用场景多样化共同作用下，车用驱动电机如今处于高速的发展阶段，多技术并存的局面让而不同的技术路线，各自有着自身优势和适用领域。

  在细说技术路线之前，先了解其基本定义。车用驱动电机是一种用于电动汽车（EV）或混合动力汽车（HEV）的动力部件。通过将电能转换为机械能驱动车辆的车轮或传动系统实现行驶。与内燃机不同，驱动电机利用电能作为动力源。驱动电机通常集成了高效能转换系统、智能控制技术和先进冷却系统，以适应汽车对动力、响应速度和可靠性的高要求。

  为了能让电动汽车在各种各样的环境条件下长期稳定运行，一台好的驱动电机起码应该满足以下要求。各种工况下保持85%以上的效率以最大化车辆续航能力。尽量小的体积下能提供足够高的功率输出，功率密度典型值在2-5 kW/kg。宽广的转速范围和高转矩输出能保证车辆在不同速度下的良好动力性能。通常要求电机能在0-15000rpm的范围内高效工作，并能提供足够高的转矩。能方便适配矢量控制（FOC）和直接转矩控制（DTC）等先进控制算法。当然还少不了为提升驾乘舒适性的低噪音和低振动要求。

  永磁同步电机（PMSM）是一种利用永久磁铁产生磁场的电机。因其高效、紧凑和动态性能优异的特性，成为现代电动汽车驱动系统的主流选择。它的工作原理是基于电磁感应和磁场相互作用。当三相交流电流通入定子绕组时，定子上产生一个旋转磁场。这一旋转磁场的频率与交流电的频率相关。转子上永久磁铁的磁场与定子产生的旋转磁场相互作用，转子被磁场“拉动”，以与定子磁场同步的速度旋转。当转子磁极与定子磁场相互作用时，产生电磁力，由此产生驱动转矩。由于转子和定子磁场始终保持同步，电机运转稳定，转矩输出平滑。

  使用稀土永磁材料的PMSM电机优缺点都十分明显。采用无电刷与转向器设计能够大大减少了机械损耗和维护需求，让其在较小体积情况下产生较大的功率输出。因没有励磁损耗，PMSM电机具备优秀能力的动态性能，快速响应负载变化，以及平滑的加速和减速，能在广泛的负载和速度范围内保持高效率。最大缺点大多数来源于昂贵的稀土永磁材料所增加的制造成本，以及高温情况下的退磁现象可能会影响电机性能。所以如今还出现了一种励磁同步电机（ESM），其最大的不同在于不使用稀土永磁材料，而选择在转子上增加电励磁绕组，通过电流产生所需的磁场。

  特斯拉、比亚迪、日立和博世等企业是PMSM电机的主要制造商。其中特斯拉和比亚迪以及理想汽车均是使用自家产品，

  异步电机通常被简称为IM，这里的IM是Induction Motor的缩写，强调的是转子电流是通过电磁感应产生而非通过直接供电。所以异步电机也被称为感应电机。其工作原理是通过定子产生旋转磁场，感应出转子电流，由此产生电磁力矩，驱动转子旋转。当三相交流电源接入定子绕组时，每相电流依次变化，产生一个随时间变化的旋转磁场。这个旋转磁场的转速称为同步转速，与交流电源频率和磁极对数相关。转子处在定子旋转磁场中，由于转子与定子磁场之间有相对运动，转子导体中根据法拉第电磁感应定律感应出电动势，由此产生电流。转子电流与定子磁场相互作用，依据左手定则（弗莱明定则）产生电磁力，形成电磁转矩推动转子旋转。

  值得注意的是，异步电机的转子在追随定子磁场旋转的时候，会由于电磁感应让转子总是滞后于定子磁场的旋转，形成所谓的“滑差”（即转子转速低于同步转速），异步电机也由此得名。作为转矩产生的必要条件，滑差越大转子中感应电流和转矩越大。但并非越大越好，过大反而会导致损耗增加和效率下降。所以异步电机在稳态运行时转矩输出与负载转矩平衡，滑差保持恒定。

  高可靠性和强耐用性的特点，让异步电机能承受较大机械和电气负荷，更适应恶劣工作环境。没有高成本永久磁铁与电刷的设计也让其结构十分简单，适合大规模低成本生产。通用电气、西门子、安川电机所生产的异步电机，大范围的应用在工业自动化设备与日常家电之中，而在汽车领域中，异步电机则集中在欧美车企的早期型号和某些高性能版本中，如奔驰、宝马、大众、雷诺、日产、捷豹路虎等品牌。异步电机市场占比没有永磁同步电机高，更多时候在双电机或者多电机车型版本之中，与永磁同步电机搭配组合成为车辆的动力配备。

  开关磁阻电机（SRM）是一个很神奇的产物。最早的基础概念来自于1838年罗伯特·戴维逊的早期实验中利用磁阻效应驱动的电机。1969年英国工程师和物理学家爱德华·亚博罗在论文详细描述了SRM的工作原理，并提出了改进设计，现代SRM研究线年代Plessey公司开发出了一系列SRM驱动器，SRM技术逐步走向全领域商用。SMR的运行原理是经过控制电流在定子绕组中的通断来产生磁场，使转子按照预定的方向旋转。转矩产生主要是依靠磁阻变化。其中SRM中的定子由多个凸极结构绕组组成，定子绕组通过晶体管或IGBT电子开关进行切换。为减少涡流损耗，转子通常是软磁材料，如硅钢片的无绕组凸极结构，通过磁阻效应实现转矩的产生。

  转子无绕组和永磁体、无电刷、无滑环，SMR相对简单的结构令其制造和维护成本较低。而以往发热大户的绕组位于定子部分，也让散热更为容易，热管理性能更好。即便在恶劣环境，特别是高温环境下运行也能有较长的寿命和较高的可靠性。这些优点让SMR从出现就受到了广泛关注。美中不足的是，磁拉力的变化会让SRM在运行过程中产生较大的噪音和振动。并且SMR需要极其精确的转子位置传感和复杂的电子控制器才能实现高效运行。这无疑在某些特定的程度上抵消了原本制造与维护成本较低的优势。

  直流电机DCM（DC Motor）根据其结构和工作原理能更加进一步分为有刷直流电机BDC（Brushed DC Motor）和无刷直流电机BLDC（Brushless DC Motor）。传统的有刷直流电机曾经活跃在驱动系统舞台上。早期电动汽车设计中，结构相对比较简单、控制方便、成本低廉的有刷直流电机曾被广泛采用。但是随着电机技术的不断进化，有刷直流电机的缺点愈发明显。电刷和换向器之间的机械接触产生的磨损会降低电机寿命；机械换向过程中还会产生火花带来电磁干扰和安全风险隐患。与现代电机技术相比，直流电机较低的效率无法适应电动车型需求。所以有刷直流电机基本被汽车电驱动领域淘汰。

  幸好随后出现的无刷直流电机成为了继任者。顾名思义，无刷代表原有的物理换向器和电刷结构被取消，取而代之以电子控制器进行专项。依靠霍尔传感器检验测试转子位置并控制定子绕组通电实现更高效、更可靠的运行。除了因为依赖电子控制器所造成的控制相对复杂，以及在高功率应用之中成本比较高的缺点之外，如今BLDC与上述永磁同步或者异步电机足以分庭抗礼。BLDC的主要供应方为松下、三菱电机、博世、LG电子等老牌企业。而采用的车企相当广泛，日产、宝马、雪佛兰、起亚、现代旗下主力电动车型均有采用。

  转子旋转直接驱动轮子旋转。轮毂电机的技术优点是没有传统的传动部件，能量损失减少所有能量利用极为高效。每个轮子的电机可以独立控制，这无疑能提供更为活和精确的车辆动态控制，此外，绝对最为简化的动力系统布局，可适用于任何类型的电动车辆。当然这一切必须先满足高效的热管理系统保持电机在工作时候的温度范围，还对车辆悬挂系统涉及提出了全新的要求。

  轴向磁通电动机（Axial Flux Motor）应该是众多电机技术之中较为另类的一种，前面在电动机历史之中我们曾提过，1831年法拉第通过旋转一个导电圆盘（现在称为法拉第圆盘）在固定磁铁之间，展示了电磁感应的原理。虽然实验仅是为了展示电磁感应现象，但估计法拉第自己也没想到这个实验成为了日后轴向磁通电机的雏形。这种电机的基础原理与传统径向磁通电动机相似，但其磁通方向是轴向的。为此这种电机也被称为盘式电机。

  如今轴向磁通电机最为主要的技术提供方，是手握无铁轭设计、分段绕组以及高扭矩密度三大核心技术的英国创新电机技术公司YASA。相较于径向磁通电机底部都有的电子磁轭，YASA取消了这个结构，这让其产品拥有了超级紧凑的结构与大扭矩输出优势，大概20Kg的电机产品就能和市面常见的45-50Kg中径向磁通电机一样，达到250马力的输出功率。估计谁也没有注意到，2023年奔驰发布的全新Vision One-Eleven电动概念车，就配备了两个来自YASA的轴向磁通电机。而法拉利第一台混合动力超跑Ferrari SF90 Stradale上，同样使用了YASA的产品。

  车用驱动电机技术路线多种多样，不一样的驱动电机各自有这自己的技术特点和适用场景。相信随新能源汽车对于驱动电机性能慢慢的升高的要求，驱动电机发展技术只会慢慢的快，也越来越宽。现在大家是否对各种各样的车辆驱动电机，稍微有点概念了。