向量電機是什麼意思

雖然新能源汽車發展迅速，但我們對於其結構發展卻少有關注，而本期我們就從新能源汽車三大件中的電動機以及變速箱當下以及未來發展來為大家做一個簡單的解讀。

新能源汽車發展速度自不必多說，在國內，國六排放法規以及雙積分政策雙重壓力之下，車企研發重心也開始轉向了新能源汽車，在新能源補貼政策的引導下，純電動以其高積分、高補貼等因素成為了車企進軍新能源的踏板。

相信很多購買或者關注純電動汽車的朋友都會發現一個非常有意思的問題，首先是純電動汽車加速時間與速度上遠超傳統燃油車，但在高速階段的提升卻稍微疲弱，並且，不少車企還對於車輛的最高速度進行了限制，從市場主流多款電動車來看，最高速一般限制在130km/h左右，相比傳統燃油車的180km/h的速度，顯然，純電動汽車的高速行駛能力是遠低於燃油車的，當然特斯拉除外。對於純電動汽車最高速限制，不少車企也給出了“防止快速放電，保護電池”的說法，但其背後真的是這麼簡單嗎？

要想從根本上了解隱藏在背後的秘密，我們就從電動機結構原理以及發展路線來說起。

電動機的基本原理想必大家都已經非常清楚了，相比傳統的內燃機，電動機在低速甚至零轉速下也可以輸出很大的扭矩，且轉速範圍特別廣，輕鬆可達到1萬-2萬轉，按照傳統內燃機的思路，電動機高轉速應該是具有很強潛力的，為何還要對其進行限速呢？

從其工作原理來區分，電動機大約可分為直流電機、交流電機和開關磁阻電機三類，而市場量產的新能源汽車則主要應用交流感應（非同步）電機、永磁同步電機、開關磁阻電機這三大類。而其他如輪轂/輪邊電機、混合勵磁電機、多相電機、雙機械埠能量變換器等特殊形式的驅動電機，由於目前市場應用較少且有些還處於研發階段，因此，我們就不對這類驅動電機進行過多的討論了。

從表格中可以看出，三種不同的電動機各有優勢，我們下面就具體的分析下它們的效能優勢。

永磁同步電機

一般在新能源車型中使用最為廣泛的一種驅動電機，這類電動機一般採用圓柱形徑向磁場結構或盤式軸向磁場結構，其轉子均由永磁材料製成，定子採用三相繞組，採用旋轉磁場帶動永磁轉子轉動。

按照其結構細分又可分為永磁同步電機與永磁無刷直流電機（永磁轉矩電動機），其中永磁同步電機具有更高的過載能力以及功率密度、體積相對較小，相比非同步電機體積降低15%、結構靈活、設計自由度也比較大，並且在高轉速中可以透過弱磁調速，擴大工作範圍等優勢，且沒有勵磁損耗和散熱問題，成為了當下不少純電動汽車的首選。

但缺陷也比較明顯，首先是執行方面，永磁同步電機低速採用向量控制，而高速則需要退磁以增加恆功率轉速，雖然變相的增加了電動機恆功率執行範圍，但相應的造成了控制較為複雜。此外就是永磁材料需要大量的稀土，變相的增加了成本，這對於國內企業來說原材料相對比較容易獲得。

而另一方面就是退磁問題，電動機在執行的階段，過大的電流會產生磁勢方向，並且與永磁體磁化方向正好相反抵消，因此，長時間使用會造成電動機逐步退磁，在經過幾年使用後，磁力下降的電動機會進一步影響其效能。並且由於市場監管等問題，部分製造企業在製造中使用低等級的永磁體或減量永磁體的用量，造成電動機效能蛻化嚴重。

永磁體退磁的另一方面就是“居里點”退磁，所謂居里點退磁是指永磁的特性在超過了該溫度後就不再是永磁體了，例如稀土銣鐵硼居里溫度在320度左右，也就是說，只要電動機溫度超過了320度，永磁體就會永久退磁，進而造成電動機報廢。而永磁同步電機這一特性也成為了純電動汽車限速的一個原因。

永磁無刷直流電機相對於永磁同步電動機，其弱磁調速範圍較小，功率密度也比較低，但具有電機動態響應速度快的優勢，在市場應用中，一般作為小功率電動汽車、低速電動車以及汽車內部的伺服驅動之用。

交流感應(非同步)電機

相比永磁同步電機，非同步電機結構則比較簡單成熟，主要結構在於定子繞組中輸入三相交流電，利用內部鐵芯產生的旋轉磁場推動轉子做旋轉運動，透過變頻器控制電流的電源變化繼而實現電機調速。

由於交流非同步電機優勢在於結構簡單、轉速較高，通常轉速可達2萬轉左右，即使不匹配二級差速器也可滿足純電動汽車的高巡航需求，並且，由於內部沒有永磁體，不用擔心退磁以及高溫問題，因此可靠性比較強，後期維護成本也比較低，並且向量控制調速技術比較成熟，目前仍廣泛應用於純電動汽車的驅動。

但其缺陷也同樣比較明顯，首先在於能耗比較高，轉子雖然轉速較高，但相應的發熱比較快，高速工況下需要冷卻系統的介入，增加了其結構的複雜性，另外，大容量的變頻器造價比較高，調速性也相對較差。並且相比永磁同步電動機其功率較低，再加上其較大的體積等原因，因此，小型純電動汽車一般是不考慮非同步電動機的。

開關磁阻電機

開關磁阻電機屬於一種較為新型的電動機，其結構原理較為簡單，具有成本低、扭矩大、恆功率轉速範圍廣、啟動制動效能比較高等特點。但其最大的缺陷就是轉矩脈動比較大，非線性也比較嚴重，運作時噪聲大，並且由於結構原因，需要使用位置感測器，增加了結構複雜性，在功率以及效率上相對永磁電機偏低。但無感測器的開關磁阻電機正在研發之中，開關磁阻電機也是未來電動機發展的一個趨勢，並且潛力比較大。

在當下的純電動汽車市場中，永磁同步電機、非同步電機以及開關磁阻電機是應用較為廣泛的，尤其是永磁同步電機，基本佔據了純電動汽車多半的市場份額，而非同步電機由於其高速效能等原因，主要被特斯拉等車企採用，而從特斯拉近期推出的車型來看，其搭載永磁同步電機比例整逐漸上升。

我們從永磁同步電機、非同步電機的效能可以發現，其恆功率大轉速工作狀態下會產生非常大的熱量，非同步電機雖然有冷卻裝置配備，但仍難以長時間在極限工況下執行，而永磁同步電機由於其內部的永磁材料溫度特性差（市場電動機溫度一般在200-300℃左右），在極限高溫條件下極易造成電動機失效報廢。因此，不管是出於電池組的考慮還是電機效能原因，純電動汽車的限速問題將會持續存在。

此外，最為重要的就是電動機相匹配的變速箱尚未規模化量產，相比傳統燃油車變速箱已經極為成熟的當下，純電動汽車變速箱仍配備單速或者不配備變速箱。單速的減速器雖然可以低速條件下增加扭矩，但也會造成高速工況下驅動力較低，減速比調高後，低速狀態下加速迅猛，但相應的不能顧及高速工況，反之則能高速不能低速。減速器不管如何調校，不能同時兼顧高速和低速工況，因此，多級變速箱的出現，才能根本性的解決純電動汽車高速工況的問題。

但從當下市場量產車型來看，僅有極少數車型搭載了二級變速箱，而多級變速箱設計難度也比較大，從特斯拉發展歷程來看，第一款車型最初設計的電機+2檔變速箱的動力總成，因為變速箱遲遲不能達到生產標準，被迫採用了取消變速箱這一方案，但也因此錯過了其出場的最佳時機，差點使特斯拉胎死腹中，由此可見多級變速箱設計難度。但隨著新能源汽車的發展，變速箱的研製已呈遍地開花之勢，但發展路線上也是五花八門，我們下一章，將為大家詳解新能源汽車變速箱的發展路線。