現(xiàn)如今世界各大汽車公司均積極開(kāi)發(fā)節(jié)能減排新技術(shù)，大力發(fā)展新能源汽車�？偹苤妱�(dòng)車的動(dòng)力源由傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)變?yōu)殡姍C(jī)，電機(jī)的性能直接影響著汽車的續(xù)航里程和行駛性能。關(guān)于電動(dòng)機(jī)的基本知識(shí)在此不再贅述，想了解的讀者可以看筆者的上一篇文章《永磁同步電動(dòng)機(jī)淺析》。相信有不少人看過(guò)下面的這張圖片，也說(shuō)明了不同國(guó)家新能源汽車采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的差異。今天具體介紹一下特斯拉model 3使用的永磁同步電機(jī)，以及特斯拉采用永磁同步電機(jī)的原因。
圖1 中美汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)差異
首先說(shuō)一下永磁同步電機(jī)的市場(chǎng)前景，相關(guān)數(shù)據(jù)表明，2017年1-10月我國(guó)新能源汽車在乘用車領(lǐng)域,永磁同步電機(jī)占比78.1%;在客車領(lǐng)域永磁同步電機(jī)占比94.6%;在專用車領(lǐng)域永磁同步電機(jī)占比78.6%，此外比亞迪、宇通客車以及聯(lián)合汽車電子等企業(yè)所使用的電機(jī)產(chǎn)品均為永磁同步電機(jī)。(引自公眾號(hào) 電機(jī)技術(shù)與應(yīng)用)可見(jiàn)永磁同步電機(jī)是新能源車領(lǐng)域應(yīng)用最廣的電機(jī)，究其原因是因?yàn)橄噍^其他電機(jī),具有功率密度大、效率高、重量輕等優(yōu)勢(shì)。
圖2前五批推薦車型目錄電機(jī)類型分布
對(duì)于異步電機(jī)而言，因?yàn)樾枰D(zhuǎn)子中的導(dǎo)體切割磁感線產(chǎn)生電流，則定子和轉(zhuǎn)子自不能相對(duì)靜止，那么轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速永遠(yuǎn)不會(huì)等于定子轉(zhuǎn)速，這就是異步電機(jī)名字的由來(lái)。那么何為"同步"?即怎么做到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等于定子轉(zhuǎn)速呢?
其實(shí)不是很難，當(dāng)轉(zhuǎn)子不再依靠定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，不再通過(guò)切割磁感線產(chǎn)生電流和磁場(chǎng)，而是通過(guò)另外一種方式產(chǎn)生磁場(chǎng)(比如給電機(jī)轉(zhuǎn)子接直流電源將其變成一個(gè)電磁鐵)，由于定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的存在依舊會(huì)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，而且定子和轉(zhuǎn)子會(huì)以相同的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)，那么這樣的電機(jī)就叫同步電機(jī)。當(dāng)轉(zhuǎn)子導(dǎo)體采用永磁材料加工制造成為永磁體轉(zhuǎn)子時(shí)，也可以將電機(jī)轉(zhuǎn)子變成電磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子和定子轉(zhuǎn)速同步(旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速,P為電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù))，這也就是永磁同步電機(jī)名字的由來(lái)，因此可以定義永磁同步電機(jī)是由永磁體勵(lì)磁產(chǎn)生同步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的電機(jī)。
則永磁同步電機(jī)工作原理如下:當(dāng)永磁同步電機(jī)定子部分通入由三相逆變器經(jīng)脈寬調(diào)制的三相交流電后，定子電樞會(huì)產(chǎn)生空間磁場(chǎng)，它與永磁體轉(zhuǎn)子相互作用，產(chǎn)生與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)旋向相同的電磁轉(zhuǎn)矩輸出。當(dāng)輸出的轉(zhuǎn)矩T超過(guò)轉(zhuǎn)子的摩擦轉(zhuǎn)矩以及由于永磁體的阻尼轉(zhuǎn)矩時(shí)，電機(jī)便開(kāi)始向外做功，并不斷地加速直至同步。
圖2一種永磁體轉(zhuǎn)子機(jī)構(gòu)
接下來(lái)簡(jiǎn)單介紹一種永磁電機(jī)的同步控制原理:永磁電機(jī)的同步控制可以看作是對(duì)空間磁場(chǎng)的控制，也可以看做定子磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的匹配問(wèn)題，如何通過(guò)坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)模擬直流電機(jī)的控制方法來(lái)進(jìn)行控制。將定子電流矢量分解成勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量，并使兩分量互相垂直，如果給定勵(lì)磁電流分量為0，則根據(jù)電工學(xué)知識(shí)得到轉(zhuǎn)矩與主磁通和轉(zhuǎn)矩電流分量乘積成正比。當(dāng)通過(guò)坐標(biāo)變換將定子電流矢量分解為勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量，便方便了對(duì)永磁同步電機(jī)的輸出參數(shù)的控制。當(dāng)然還有其他的控制方法，有興趣的讀者可以自行研究。
由于此類電機(jī)采用永磁體轉(zhuǎn)子，工作時(shí)轉(zhuǎn)子中無(wú)感應(yīng)電流，因此不存在轉(zhuǎn)子電阻損耗，一方面使得其效率高于其他電機(jī)，另一方面使得電機(jī)溫升低，延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命。永磁同步電機(jī)既具有交流電機(jī)無(wú)電刷機(jī)構(gòu)，又具有直流電機(jī)調(diào)速性能好的優(yōu)點(diǎn)，都使得其有更為廣闊的應(yīng)用前景，目前大部分汽車廠商都選擇永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，特斯拉目前也在向這個(gè)方向傾斜。
但是由于永磁體轉(zhuǎn)子制造過(guò)程中需要用到價(jià)格高昂的稀土元素，使得電機(jī)成本相對(duì)較高;由于永磁材料怕高溫，使得電機(jī)在高溫、震動(dòng)、過(guò)流的情況下有退磁的風(fēng)險(xiǎn)，需要使用冷卻液也相應(yīng)增加了使用成本。最后介紹一下永磁同步電機(jī)用的永磁材料。永磁材料是指一經(jīng)磁化即能恒定保持磁性的材料，常用的永磁材料分為鋁鎳鈷系永磁合金、鐵鉻鈷系永磁合金、永磁鐵氧體、稀土永磁材料和復(fù)合永磁材料等;目前永磁同步電機(jī)常用的永磁材料為鋁鎳鈷、鐵氧體、釹鐵硼以及稀土鈷，如今大部分永磁體轉(zhuǎn)子用的是稀土鈷。稀土永磁材料指的是含有稀土金屬的永磁材料，主要是稀土鈷和釹鐵硼永磁材料。稀土被稱為"工業(yè)維生素"，稀土元素氧化物是元素周期表中原子序數(shù)為57 到71的15種鑭系元素氧化物，以及與鑭系元素化學(xué)性質(zhì)相近的鈧(Sc)和釔(Y)17 種元素的氧化物。稀土的主要應(yīng)用范圍之一是永磁，在新能源、航空航天、軍工設(shè)備、生物技術(shù)以及節(jié)能環(huán)保等領(lǐng)域得到應(yīng)用，是極其重要的戰(zhàn)略資源。