电动汽车永磁同步磁阻电机工作原理详解

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电动汽车（EV）和混动汽车（HEV）的驱动电机，大多使用永磁同步电机。特斯拉以前一直使用异步感应电机，现在在MODEL 3上也使用了永磁同步电机。为了宣传，特斯拉做了个视频，质量很高，把两类电机的原理讲得很深、很透，很值得观看。

因为视频比较专业，不太适合科普，所以我把它剪图配文，加上详细的解释文字，希望能把同步电机的结构和原理讲清。原视频网址为：https://www.youtube.com/watch?v=esUb7Zy5Oio&feature=emb_rel_end。本文有50多张图片，看完需要点耐心。

1、这种同步电机名称很长，叫“内置永久磁铁同步磁阻电机”，英语简写IPMSynRM，IPM是内置永久磁铁的缩写，Syn为同步的缩写，RM为磁阻电机的缩写。这些术语后文会详述。

2、左边的是同步电机，右边是异步电机。前面为转子，后边为定子。结构上，2种电机的定子差不多，但转子完全不同。同步电机的转子，轴向有6组V形开槽，再插入磁性超级强大的“钕铁硼”稀土磁铁，注意图中有一组V形磁铁已抽出到外面了。而异步电机转子，则是由一根根金属条组成的“鼠笼”。

3、同步电机转子内放置了6组“V”形永久磁铁，这就是所谓的“内置永磁体－IPM”，每组分成2块，每块又分4条。这么做是为了防止“涡流发热”，因磁铁材料为“钕铁硼”，钕、铁都是金属，易在涡旋磁场中感应出“涡电流”，导致发热。磁体分成小块，涡流能减小。发热有二个不好：浪费电能、高温失磁。所谓失磁，是指磁铁温度超过某个点时，磁性会突然消失且不能恢复，这样电机就报废了！

4、先讲异步电机。转子是一圈金属条，两端是金属盘，一起围成一个“鼠笼”。整个鼠笼是电气连通的。这些金属条，便宜一点的电机用铝，通过在模子上浇铸而成。特斯拉要高档些，使用的是铜条，导电性能更好，电阻更小，发热也小，但成本更高。当然这是为了保证电机的高效率，毕竟电动汽车的电池昂贵，电量宝贵，容不得大手大脚。再看电机定子，内部开了许多槽，槽里嵌线圈。线圈分3组，所以槽数总是3的倍数，它们一端相连，另一端引出。

5、当给定子的3组线圈通上三相交流电时，线圈就会产生旋转磁场，旋转磁场的形状如上图8根磁场线所示，磁场线都是闭合的，箭头表示磁场线方向，磁性最强的4处标上极性N和S。三相交流电产生旋转磁场是一个神奇的设计，是特斯拉（这个人）的创造。当磁场旋转起来时，鼠笼转子上的金属条会切割磁场线，从而感应出电动势（EMF）。

6、感应电动势EMF导致鼠笼的金属条产生感应电流（induced currents）。根据中学所学知识，磁场旋转速度越快、磁场越强时，感应电流就越大。金属条与磁场的相对位置不同，电流方向和大小也不同，图中用蓝色箭头表示电流的方向和大小。

7、我们知道，通电导体在磁场中会受到力的作用，金属条受力方向如图中的紫色箭头所示，这些力能让转子跟着旋转磁场旋转起来。力的大小，与切割速度和电流大小成正比。转子转动后，金属条与旋转磁场的相对速度就变小了，但只要有速度差，金属条总会感应出电流，总会受力转动。当速度差为0时，即转子速度与旋转磁场同步时，受力就为0，因此电机正常工作时，转子速度总是小于旋转磁场的转速的，所以这类电机叫“异步电机”。

8、可以画出异步电机的扭矩速度关系曲线。从该曲线可见，电机启动时，转矩随速度逐渐增大，到达最大值后，随速度增加扭矩急速下降。到达同步速度后，扭矩就为0了。

9、异步电机和同步电机，都是靠定子磁场和转子磁场的相互作用力来旋转的。定子负责产生旋转磁场，转子也要有磁场，转子的磁场可以使用多种方法来产生：直流电机用通电线圈，交流异步电机用鼠笼，交流同步电机则直接使用永久磁铁。同步电机的原理是利用异极相吸，让旋转磁场带着一块条形磁铁同步转动，磁铁中间的小黑点表示转动轴。

10、普通永磁体磁性不够强，虽然也可做电机的转子，但驱动力弱，不适合做汽车驱动电机。1980年代，“钕铁硼”超强磁体问世后，磁性之强，普通磁体望尘莫及，电磁领域相差设备都焕然一新。举例说明，大型钕铁硼磁铁，搬运时1次只能1个人搬1块，不然半路上不慎靠近，2块磁铁的吸合力足以把搬运工人的手骨击成粉碎。不过“钕铁硼”磁体成本高，怕高温失磁，为了提高其温度性能，人们又添加稀土“镝”，不过成本就更高了。

11、不过人们一般不直接用磁体做转子，而是用把磁体安装在铁芯上。如图，4块瓦状的永久磁铁覆盖在硅钢转子上，注意磁铁的极性是径向布置的，红色表示N极，蓝色表示S极。上下2块，蓝色S极向外，左右2块，红色N极向外。这种布置叫做“2对4极”。

12、现在讲讲为什么要用铁芯。任意一台电机，定子和转子都使用了“笨重、厚实”的铁芯材料，并且做成0.35－0.5毫米厚的薄片，再叠合起来而成。铁芯的作用主要有3个：

• 一是导磁：导磁能力是空气的1万倍！有了铁芯，定子和转子的磁场就能靠得很近（几毫米甚至不到1毫米），相互作用力就很大。
• 二是储能：线圈绕在铁芯上，电感量增大，能力吞吐力增大。
• 三是承力：电机的转子动辄输出几十千瓦的功率，力量十分强大，单靠线圈和磁体是承受不起的。定子线圈如果没有铁芯，一受力马上损坏。

铁芯由“硅钢”片叠加而成，加入硅、做成薄片，都是为了减少“涡流损耗”。理论上，不使用铁芯，直接用线圈和磁铁也能做个电机，不过那是实验室里的演示模型，力量要小1万倍。

13、编号忘了13，于是就加了这个图。这是某汽车同步电机的结构爆炸图，很有科技感吧。定子线圈不是绕的，是直接成型的铜条，端面采用“发夹”进行电气连接。转子铁芯内嵌一大一小两层V形磁体，共有10组。

14、把转子装到定子里前，先看一下2种磁场的示意图。注意4点：一是磁场线颜色不同，定子旋转磁场线是黄铜色，转子磁场线是淡黄色。二是定子磁场也是2极4对布局。三是要观察磁场的旋转，就要有参考轴和参考点，图中的2条白色虚线就表示参考轴，注意定子参考轴是N极，而转子的参考轴是S极，另外，观察点我们固定为上端的那一极。四是磁铁极性关系：异极相吸，同极相斥，这谁都知道，不过它是电机力量产生的根基。

15、好了，转子装入到定子里面。2根参考轴呈一个锐角，如果我们假设转动方向是顺时针方向，那么目前，定子的N轴在前，转子的S轴在后面追赶。N轴旋转，S轴就会跟着转，N轴快，S轴也跟着快，总之，嫁鸡随鸡，如影随形，亦步亦趋，无问西东。这就叫同步！

16、再简化一下，把转子的磁场线隐去，但保留极性标记（黄色的N、S标识）。

17、再简化，把定子形状隐去，看起来就更清楚了。

18、现在把2个磁场的各个极的作用力都标示出来，绿色表示异极吸引，红色表示同极性排斥。可见，这种2对4极的结构，总共有4个吸引力和4个排斥力，合成力的效果让转子向着定子往顺时针方向转动。

19、同步电机有个很重要的参数，就是定子磁场与转子磁场的角度，如图中的N轴和S轴的角度。当该角度为45度时（机械角度），定子对转子的拉力（或说转动的扭力）最大。

20、为什么呢？如上图中的2个小图，如果要让球往右，但拉力是向上的，那这个力一点用都没有。只有拉力方向也向右，才能发挥最大作用。同样，在电机中，要让扭力最大，定子磁场的拉力应作用在转子的切线方向，也就是前图的45度机械角。

21、所以，同步电机要获得最大转矩，就要控制定子的旋转磁场，始终跑在转子磁场的前45度。这个控制并不容易，需要大量的电路设计来实现。要连续检测转子的角度和速度，再计算出产生旋转磁场的三相电的电压、电流、相位。

22、这种转子的设计在低速运转时扭矩很大，但在高速旋转时，磁体离线圈很近，强磁场会切割定子线圈，在线圈中感应出很高的电动势来，即反电势back EMF，这个反电势会抵销输入定子的驱动电压，造成高速运转时需要给电机输入很高的驱动电压。

23、第二个缺点是造成大的磁涡损耗，这种损耗最终体现为发热，易造成电机高温。高温对线圈、转子永磁体，都是极大隐患，因此EV电机都需配套设计油冷、水冷等强制散热系统。而这种复杂的散热系统，对电机各材料、设计等方面提出了极为苛刻的要求。

24、解决办法是修改转子的设计。将强磁永磁体的安装位置从转子外表面，改为嵌入到转子内部，即图1提到的V字形内嵌式设计。现在，内置式永磁体同步磁阻电机的英文缩写名称IPMSynRM中，IPM讲到了，同步Syn也讲到了，接下来要重点讲磁阻R了。

25、磁阻这个术语比较专业，要多花些笔墨。阻，就是阻力，比如电阻，电阻越小，电流越易流过。比如水流，地势越低、阻力越小，水流就易流过。因此，电流也好，水流也好，总会走一条阻力最小的路径。如果有多条路径，都可以走，那么阻力小的路径，肯定走得量多。磁场，也是如此，阻力越小，磁场就越易通过。那么，哪些材料对磁通的阻力小，或说导磁能力大？最厉害的就是铁磁性材料了，就是铁、钴、镍一类的物质，它们的导磁能力很大很大，如果一定要给个数字，那就是空气的1万倍！

26、比如在磁场中放入一根铁钉，铁钉附近的磁场线一看，此处有一条捷径！于是大家就纷纷走铁钉这条路了。这么说吧，如果原来铁钉处的空气只走过一根线，现在四周的一万根磁场线都从铁钉里面走了。因此，在磁场中放入任何铁磁性材料，都会极大地改变整个磁场的分布。

27、如果在磁场中放入一块条形铁块，注意是铁块不是磁铁，如图，铁块中心固定在转动轴上。这时，铁块附近的磁场线都将聚集到铁块中通过。只是铁块放斜了，磁场线也被弯曲了。关键来了！这时，扭曲的磁场会对铁块产生一个力，力的方向是想把铁块拉到与磁场方向相同即竖直的位置，这个力所形成的扭矩，就是大名鼎鼎的“磁阻扭矩”！磁场总会走磁阻小的位置。如果把上图中的条形铁块，换为一个圆柱形铁芯，即磁阻各方向一样，扭矩就荡然无存！

这里对磁阻的原理再作一番解读。原来物质世界和人类社会一样，也有两个特性：一是谁都不想走弯路，二是大家都要保持距离！磁场也是如此，磁场绕的每一个圈，对它本人来说是最短、最近、阻力最小的路！有人会问：那为什么有的圈绕到外面很远的地方去了？那条线会回答你：人多，我想清静些！假设某个磁极发出100万条线，但磁极面积有限，地方狭窄，大家都挤在一起了，但尽管挤在一起，也是两两分开，决不搂搂抱抱，只是相互距离很近很近。离开磁极较远后，地方变空旷了，大家不用挤了，就再分开些。实际上，每条磁场线所走路径，都是大家既你推我挤又保持距离、争先恐后又遵守规范最后达成平衡的结果。这点物性，量子物理里也有很明显的反映。

28、现在，把铁块换成转子，转子的铁芯上开4组V形槽，来看看这种结构是如何产生“磁阻扭矩”的。不开槽的铁芯各向均匀，外部磁场进入后，怎么走磁阻都一样，不会产生扭矩的。

29、现在开槽了，定子的磁场线走到槽前，一看，坏了，此路不通，阻力太大！是否还记得前面说过，空气的阻力是铁芯的1万倍。于是乎，这些线纷纷改道，挤一挤，从有铁芯的地方走。所以，磁场线形状都变成上图那样了。对磁场阻力来说，这个角度的铁芯是高阻状态。

30、当铁芯转过45度后，情况发生了变化，V形空隙与磁场方向平行了，大部分磁场线都可以顺利地通过铁芯。这个角度，对磁场而言是“低阻”状态，如果这时磁场旋转，那么转子也跟着会旋转，因为转子如果不跟着转，就会偏离这个角度进入“高阻”态，从而产生扭力恢复到低阻态的扭力，结果就是表现为转子即跟着磁场转。

31、旋转磁场带着转子同步旋转的过程，就是所谓“同步磁阻电机”的工作原理。这类电机，不需要嵌入永磁体，成本低，在一些大型电动车上有应用，但振动强，不适合家用车。

32、现在总结对比一下前面讲到的两种不同的转子。永磁转子适合低速，扭矩大，高速时反电势大。而磁阻转子适合高速，没有反电势问题，但扭矩小。

33、很自然，电动汽车对电机的要求是，在低速、中速和高速区间，都能取得均衡、优秀的性能。能否组合上述两种电机的优点呢？那就是IPMSynRM电机！

34、IPMSynRM电机把永磁体内置插入到转子的槽中。

35、不只特斯拉MODEL3，几乎所有EV、HEV的同步电机，都是采用这种方式。但技术上又各不相同，主要区别是永磁体的尺寸、位置、形状、数量等方面不同，这是厂家的小秘密。不要小看，从原理、设计、到制造，任何一个小变化，都需要进行大量软件仿真、硬件测试，这些是特斯拉、BBA、两田等顶尖厂商的核心知识产权。

36、IPMSynRM电机转矩来自2个方面：磁阻转矩和永磁体转矩。磁阻转矩的原理前面分析过了，这里要说明的是，当永磁体装入槽后，铁芯的磁阻转矩是否受到影响？答案是否定的。原因是：磁铁本身的磁导率与空气一样大小！这一点好多人想不明白，磁铁自己竟然不导磁！

37、需要仔细分析的是，与磁铁贴在转子外表面相比，内嵌V形永磁体的合成磁场会有何变化？运用专门的软件，可以得到合成磁场图，可见，在铁芯内部，磁场变得十分复杂，但在外部，还跟原来类似。这种软件，是西方发达国家的核心知识产权，希望我国也多多开发出这一类CAD软件。

38、考虑到生产工艺及磁场路径，V形磁铁中间断开，分成2块，实际上每块又分成4条，它们在铁芯内外产生的合成磁场如上图所示。

39、接下来，要分别对2种转矩进行分析。首先用5个图分析仅永磁体产生的转矩，因此只看永磁场，忽略其他部分。先把2个磁场吸合在一起的状态作为起始位置，因为2套磁场都是2对4极，总共有8个极，单看极间关系，也有8组。所以 ，我们以2条重合的白色轴线为基准，这2条轴线是：红色N－N轴代表定子的旋转磁场，可称为N轴，黄色S－S轴代表转子磁场，称为是S轴，然后只盯着这2条轴，还有这2条轴顶部的磁极，就能判断出作用力关系。目前，2套磁场是重叠吸合在一起的，这8个极间作用力，包括4个吸引力（绿色箭头）、4个排斥力（红色箭头），都是支持2组磁场继续保持吸合状态的。

41、如果电机空载，当定子磁场旋转，转子磁场也会紧跟着转。加上负载后，转子受力，会滞后于定子磁场，即S轴与N轴会形成一个角度。我们下面用坐标系来描绘出电机扭矩与这个角度的关系，纵轴表示扭矩，横轴表示角度。要注意的是，有2条横轴线，标示了2个角度参数：上一条是电气角，下一条是机械角。如果是1对磁场2个磁极，转一圈都是一个周期，如图按2对4极配置磁场，机械上转1圈，电气上是2个周期。

42、保持转子位置不变，顺时针旋转RMF的角度。2条轴线形成一个角度，N轴吸引S轴，产生一个扭矩，4个绿色箭头产生4倍拉力，合成效果就是使转子跟着旋转磁场转动。

43、继续顺时针旋转RMF，相对角度逐渐增大，扭矩也逐渐增大。当机械角度达到45度时（电气上已经相差90度），扭矩也达到最大值。这时相当于RMF对转子的拉力作用在转子旋转方向的切线上。

44、角度继续增大，但此时扭矩反而逐渐下降。当机械角度达到90度时，N轴与S轴垂直，这时S对直S、N对直N，相当于2个磁场异极相斥叠加在一起，对转子而言，没有任何扭矩。这样，我们就获得了一条如上图所示的扭矩与角度的特性曲线。

45、前面分析了永磁扭矩，接下来分析“磁阻扭矩”，所以先除去磁铁，保留空气槽。仍旧回到初始位置：代表定子磁场的N轴（红色R线）竖直，转子轴线（黄色A线）也竖直，2轴重合。注意A线是穿过上下两个V形槽的中心位置，这与第41图的参考轴线是相同的，这样两个扭矩才有比较和叠加意义。不过，此时磁场进入转子铁芯，走的路径实际上是第29图所示的扭曲情况，而非上图所示的场线直接穿过空气槽隙。转子与磁场的的这个初始相对位置，对磁场来说属于“高阻”状态，但因为完全对称，不会产生磁阻扭矩。

46、保持转子位置不变，即A轴仍然竖直，R轴（代表旋转磁场）转过一个角度，转子会产生一个逆时针方向的磁阻扭矩，方向如上图中的白色箭头所示。下面解释一下这个磁阻转矩产生的原理，见上图黑色方框处：红色左右箭头指向的2根磁场线，向下走到蓝色下箭头处时，遇到空气槽，磁阻很大，因此绕道右侧蓝色五角星处的铁芯。这个扭曲可以表述为“R轴场线被扭到B轴位置”，即磁场线被扭向右了，那么前面讲过，磁场线是不甘心被扭的，于是它产生一个向左的恢复力，作用在转子上，产生了一个推动转子逆时针方向转动的力。这是右上部分的情况，同理，左下部分对应的2条场线被扭到左，会产生右推的力，也是让转子逆时针转的。最后，再观察一下R轴是转到了A轴和B轴的中间位置时，逆时针扭力最大。

47、当R轴转到与B轴重合时，对磁场而言是低阻状态，但因为完全对称，扭矩也为0，此时观察R轴转过的机械角度为45度。这样就可以绘出坐标图中橙色0－45度的曲线。

48、R轴转过B线后，又产生了磁阻扭力，这次方向变为顺时针了。转到上图的角度，即45+22.5度后，扭力达到最大值。可想而知，当R轴转到90度机械角时，磁阻扭矩再次归0，这样就得到了坐标系中橙色的曲线。

49、现在，把永磁铁扭矩、磁阻扭矩合起来，相当于黄色线和橙色线求和，得到用绿色线表示的总扭矩，可见最大值出现在50度电气角上。因此，驱动这种同步电机，为了获得最大的扭矩，需要控制电路调整驱动正弦波形的相位，让RMF的方均根值超前转子位置轴线50度电气角。我们开电动车的朋友，启动或加速时，扭矩最大，这时电机内部的RMF就在转子前50度飞奔。说明一下，特斯拉是50度，其他厂商的电机设计不同，可能就不是50度了。

50、到现在为止，这台精巧设计的同步电机，在定子旋转磁场RMF的带领下，充分利用了转子中的“永磁扭矩”和“磁阻扭矩”，欢快的跑动起来。但且慢，当电机高速运转时，比如4000转以上的，出现了一个新问题：转子永磁体的强磁（上图黄色磁场线），高速切割定子线圈，在线圈上感应出很高“反电势”，之所以说是反电势，是因为方向与定子的输入驱动电压相反。假设驱动电压最高600V，反电势如果达到或超过了600V，强龙压不住地头蛇，这个电机就不用混了。

51、怎么办呢？一批电机驱动理论专家纷纷出马，祭出一个高招叫“弱磁”。办法很巧妙，不需要动硬件，只要在驱动软件上做文章。我们来分析一下原理：反电势太高，是因为永磁体采用了超强磁场的钕铁硼，这是低速强扭矩的设计，不能动。要在高速运转时压制这个强磁，可以利用定子中的旋转磁场RMF啊，看上图，原来RMF的R轴，跑在转子A轴的前50度，现在我再调整下角度，大概70度或者说－20度，这时R轴（N极）与C轴（转子的N极轴）十分靠近，大N把小N给压下去了，也就是把子的永磁场给“弱磁”了。观察上图黄色箭头指向的代表转子永磁场的黄色线，缩进了一圈，切割到定子线圈也少了，反电势自然也就小了。弱磁的代价是什么呢？查前面坐标图就知道是扭矩减小了，不过汽车高速行驶时扭矩要求一般较小。

52、前面都是以2对4极来分析的，实际上特斯拉MODEL3的同步电机转子使用的是3对6极，如上图右。原理相同，极数多，无非是驱动力可以更大些、振动可以更小些，但成本也就更高些，驱动电路的频率也会高些。

53、再看看本田HEV的电机转子。DCD的为12极，IMMD为8极。

54、上图左是本田IMMD电机转子硅钢片叠层，右是绕好线圈的定子，这是2代，线圈是“面包”，3代就改为“发夹”了。

55、IPMSynRM电机，比异步电机效率高2%，似乎相差不大。按电机100KW功率计算，2%就是2KW，相当于一台空调，或一台家用加热器的功率。对电池供电的电动汽车来说，不能忽略，2KW大概可以驱动一辆小EV以10码速度行驶了。再者，浪费的能量会转化为热，最终还得由散热系统来埋单。

好，关于汽车同步电机原理，再总结一下：

• 定子结构与异步电机相同，3相绕组设计，主要任务是产生旋转磁场。
• 转子“内置永磁”，可以产生永磁扭矩，“V形开槽”可以产生磁阻扭矩。
• 低速时采用最大“扭矩角”，高速时采用“弱磁”以减小反电势。