动力干倒特斯拉？日产押宝的电机有多厉害

前不久日产ARIYA艾睿雅发布，会后日产的新闻稿我横竖看了800遍，我始终觉得这个电机的名字看着眼熟，却又不完全眼熟……


日产艾睿雅采用电机是一款叫“励磁同步电机”的东西，这个名字跟以前我们常见的交流异步电机和永磁同步电机的名字听起来相似，但是事实上他们并不是同一种类型的产品，而且目前用到这个类型的电机的车企不算多，我统计了一下，“足足”有2家，分别是日产和宝马。


而且从宣传上来看，搭载励磁同步电机无一例外，车企宣传的都是更偏向于性能优势，就拿宝马i3（参数丨图片）和iX3来说，单电机功率可以达到210kW，而偏向家用取向的日产艾睿雅两驱版车型则保守一点，单电机也有178kW的功率。没错，这款励磁同步电机的其中一大优势就是在于动力性能上，我们这篇文章就着重分析一下，为什么励磁同步电机的动力性能更有优势。
先看励磁同步电机是什么？
励磁同步电机其实是结合了交流异步电机和永磁同步电机的一些特性的电机类型。


【永磁同步电机结构 图源：百度百科】
在我们熟知的永磁同步电机内部，其转子与交流异步电机最大的不同是采用了永磁体作为主要原料，也就是说转子本身自带磁场。通过转子上的旋转磁场与转子相互影响（同极相斥异极相吸），最终带动转子旋转。


【三相异步电动机结构】
而在交流异步电机中，转子中没有永磁体，而是采用转子铁芯和转子绕组组成。在定子产生旋转磁场时，转子上的线圈会“被迫”切割磁感线从而带电，而电流自然也会产生磁场。根据“楞次定律”（由于磁通量的改变而产生的感应电流，其方向为抗拒磁通量改变的方向），产生的磁场方向与定子旋转磁场相反，由此转子用也在磁场的作用力下旋转起来。

但是，如果转子转速与定子旋转磁场同速，那转子线圈则与磁场处于相对静止的状态，没有相对运动，这意味着线圈不会产生感应电流。所以在此电机中，转子的转速会比旋转磁场的速度慢一些。



【早期直流励磁电机，仅作示意】
而励磁同步电机的转子则是与交流异步电机一样，采用了不带永磁体的材料，在工作的时候，它与交流异步电机一样也需要进行“励磁”，但不同的是其转子励磁会经历两个不同的步骤。
首先，在启动时转子的工作方式与交流异步电机相同，转子会在旋转磁场的作用下“被迫”跟着旋转磁场旋转，此时转子是“被迫带磁”。但在转子转速接近选装磁场转速时，转子磁场将改由直流电来激励，此时转子是“主动带磁”，也就是说此时转子线圈承担了永磁同步电机上转子永磁体的角色，并且转子运动会企图跟上选装磁场的转速，也就是说转子转速会和旋转磁场同步。

为什么说励磁同步电机性能有优势？
励磁电机非常重要的一点就是“励磁”是可控的，而永磁体的磁场是不可控的。这里涉及了一个比较复杂的原理，那就是弱磁控制。也就是当电机在额定转速以上的恒功率区工作的时候，转子会产生较大的反电动势，如果反电动势持续增加，则会导致绕组上无法产生有效的电压差，所以为了继续提升转速，就需要控制反电动势的上升趋势。


但是永磁同步电机的励磁是通过永磁体产生天然磁场，是磁体的固有属性，而这个磁场强度也决定了电机的转速上限，如果需要超过额定转速运转，则需要进行“弱磁”。“弱磁”顾名思义，即减弱或相对减弱永磁体的这种固有属性，这个控制比较复杂我们就不多赘述，但是要知道的是，对于永磁同步电机的永磁体的弱磁控制是需要消耗一定的能量。


励磁电机则不同，因为上面我们也提到，因为是励磁，所以它的磁场是可控的，在电励磁的电机调速过程中，可以通过调节励磁电流而改变主磁通，在满足电机电压平衡的前提下来使得电机获取宽范围调速。这也导致了励磁电机具有更好的负载兼容能力，也就是对于在大负载运行的时候，通过增强磁场，可以产生更大的动力转矩；对于轻负载运行，可以减小励磁电流，降低励磁损耗。
由于励磁电流可控，在全速域范围内电励磁电机均能产生较大的输出转矩，获得饱满的动态加减速特性，尤其是对于中高速运行区间更为明显。
励磁同步电机还有什么优劣势？
除了中高速动力性能外，励磁电机还有成本和可靠性方面的优势。


永磁同步电机成本较高的最大原因是在于高性能永磁体的运用，为了提供足够强大且持久磁性，转子上的磁体一般会使用稀土磁体，比如说钕铁硼磁铁。但是这类磁体价格可不低，再加上电机永磁体用量较大，所以永磁同步电机的价格较高。


另外，永磁同步电机还面临的一个问题是高温推退磁。永磁体的磁性并非不会消失，在高温环境下磁铁的磁性会减弱，也就是我们常说的“退磁”现象，并且退磁是不可逆的。所以为了控制电机温度避免永磁体高温退磁，很多车型的电机都设计了复杂的散热。


【非励磁同步电机部件，仅作示意】
而在舍弃价格高昂的永磁体之后，励磁同步电机的转子成本自然可以下降，从而带动整个电机的成本下降。并且也不需要担心永磁同步电机的高温退磁问题，毕竟励磁同步电机内部也没有会有退磁问题的永磁体。
但是，励磁同步电机也不是没有劣势。由于转子磁性需要线圈提供，并且为了给线圈供电需要额外的部件，这些部件都需要占用额外的体积，所以励磁同步电机的能量密度会低一些在实现相同功率的情况下体积会比永磁同步电机大。而这会更考验车企的电机布局能力。

总结
励磁同步电机在动力性方面表现出了比永磁同步电机更大的优势，而且除了在动力方面，励磁同步电机在成本控制、平衡性能与能耗方面都有着非常大的优势。所以在未来，励磁同步电机或许会是更多车企会去选择的类型。