关于异步电机与永磁电机在公交大巴上的电耗对比分析

　　随着我国电动汽车的飞速发展，大家越来越关注电动车的能源消耗问题，对于大量应用于公交线路的电动大巴尤其重要，目前应用的驱动系统有异步与永磁两种，一般认为永磁电机比异步电机效率高，更加节能省电，尽管永磁电机存在着退磁、价格高、不易维护、反电势高、如失控会损坏控制器、电池，甚至会有烧车的风险，但基于降低能耗、减小体积及重量上考虑，国内主流厂家仍在大力推广永磁电机，近日大连创为电机有限公司对异步电机系统进行了深入的研究分析，通过调整创新控制策略，并经过大量试验验证，使得异步系统在整个公交工况一直保持高效，耗电量完全可与永磁系统相媲美。下面我们来看一下我司异步系统与永磁系统对比的实测数据：

　　永磁电机12m大巴，运行在上海，单程16.5km；异步电机12m大巴，运行在义乌，单程13.5km，来回均约2小时，均为不开空调状态。

　　上海永磁12m大巴耗电统计

　　义乌异步12m大巴耗电统计（优化后）：

　　继义乌之后，我们于3月28-29日又对温州异步12m大巴进行初步优化处理：

　　耗电统计：

　　从实测数据可以看出，在公交工况，永磁12m大巴平均电耗1.1kwh，而异步12m大巴的电耗却优化后只有0.83-0.85kwh，当然，司机的驾驶习惯也会影响车辆耗电量，数据会略有偏差，但数据趋势是明显的，不会影响结论。

　　为什么异步系统比永磁系统还省电呢？一般人可能不太相信，我们分析比较一下，大家就会理解：

　　永磁电机利用永磁材料提供励磁，在中低速功率因数较高，效率也高，但在高速时，由于需要定子吸收较大的无功电流来削弱电机磁场，功率因数较低，效率也降低（公交车既有低速加速也有刹车，还有中高速滑行，情况很复杂）

　　异步机利用定子吸收无功电流建立磁场，在额定功率时，与永磁电机相比效率低约1%-2%，而在高速时，功率因数及效率会好于永磁电机。常规的异步机控制方法是：额定转速以下励磁电流恒定；额定转速以上励磁电流根据转速上升而下降。

　　我们大连创为电机首创了一种异步电机新的控制方法：是一种变励磁电流控制方法，始终保持异步机的高功率因数，根据负载的大小，给定最小的励磁电流，以12m大巴为例：在高速滑行时，原来的控制方法：励磁电流约50A(1500转)，消耗功率约4.3kW；现在的控制方法：励磁电流约17A（1500转），消耗功率约为0.5kW，损耗减少了约4kW（励磁电流的减少，不光是减少了电损耗，更多的是减少了磁损耗，效果十分显著）。在轻载时，我们也减小励磁电流，从而提高了功率因数和效率，与永磁电机相比，效率也有所增加，为此我们进行了台架对比，如下表所示

　　（台架试验数据）：

　　从试验数据可以看出：除了在额定功率、额定点永磁电机效率略高于异步电机外，在其余各点（加速、高速、轻载）均低于异步电机，特别是在无功率输出的滑行阶段，永磁电机电损耗和磁损耗都比较大，而异步电机可以通过减少励磁电流，大大降低损耗，因此在整个车辆运行过程中，异步牵引系统的效率优于永磁牵引系统，这是我们通过优化异步电机的磁场控制方式得来的，优化控制系统重点是提高了轻载的效率，大大降低滑行时的损耗。而永磁电机由于其固有的特点，无法优化励磁电流，另外，因为永磁电机要控制高速时的反电势而必须降低额定电压，因此提高了额定电流和起动电流,如同样功率100kW永磁电机额定电压250-300V之间，额定电流220A，起动电流450A（2250Nm），异步机额定电压380V，电流188A，起动电流375A（2250Nm），因此相应的永磁电机变频器功率单元较大，功率损耗也较异步变频器高。

　　另外在3月5日我们的10.5米车在盐城做性能试验，要求137度电，跑250公里，未优化的电机在230公里将137度电耗完，我们将优化的程序刷新之后，成功跑完260公里，也就是说，就这辆车而言，优化之后，多跑了30公里，节电效果很明显。

　　永磁同步电机的优点是体积较小，重量较轻。但对电动大巴而言也存在致命的缺点：

　　1.永磁牵引电机在故障状态，需要拖车，定子断电，对于异步机，磁场为零，可自由转动。但对于永磁电机来说，电机转子上的永磁铁仍然会产生旋转磁场，这个磁场在定子三相绕组中的感应电势称为反电势，反电势与电动机转速成正比，如果反电势较大，且逆变器直流侧电容、电池不能完全吸收再生能量会导致直流侧过电压、过电流，电压值大于IGBT或电容的耐压值，那么逆变器有可能被烧毁，甚至引起电池着火。拖车时需要将电机与控制器彻底断开，或者将传动轴与电机轴断开，如果忘记或不知道，就会产生严重安全事故，车辆高速变频器失控时也会如此，国内已出现过多起因永磁电机反电势过高引起车辆着火的事故。

　　2.永磁电机高速时需要弱磁调速：需要反向弱磁电流，使其整体效率降低。

　　3.由于磁力作用，永磁电机发生故障时在使用现场是拆不开的，必须返厂处理，并且拆装过程，容易伤人，必须让有经验的人处理，这给用户带来极大不便。现在永磁电机都处于前期运行状态，维修量小，并且有生产厂家保修，用户使用维护问题还体现不出来，到后期维修难题就会反应出来：换一个轴承、旋转变压器都非常困难更别说中修、大修了。

　　4.如果设计或使用不当，永磁电机在过高温度时，在冲击电流产生的电枢反应作

　　用下，或在剧烈的机械震动时有可能产生不可逆退磁，电机失效。

　　5.永磁电机耐温低，在高温下易失磁，电机一般需要水冷，需要水泵及散热器，总体重量跟异步电机相差无几，且水泵又是一个故障点。一旦水泵损坏或散热风扇的故障都可能造成电机高温失磁。

　　6.永磁材料是不可再生的稀缺资源，关系到国家物资储备及战略政策，不可能长期大量开采。将来价格产量如何，不可预知，这也是我们在大量使用时必须考虑的一个问题。

　　异步电机虽然与永磁电机相比，重量略重、体积略大、但相对于大巴自重及车桥空间，对整车影响不大。永磁电机可适合于轿车、小车等空间有限的场合。

　　经过优化控制的异步电机与永磁电机相比，电耗更小，且结构简单，工作可靠（不怕振动、耐高温），原材料供应充足，运行安全可靠、坚固耐用。国际主流电动车制造商特斯拉，在轿车上都坚持异步路线，且其电耗远低于国内同类产品；西门子电动大巴也是主推异步系统。目前高铁、动车、地铁、电力机车都在使用异步电机。

　　总之，我们不能因为永磁电机额定点效率高于异步电机就认为整个运行工况优于异步电机，实测证明优化控制的异步12m大巴比永磁的12m大巴还节能，因此建议：我国电动客车的发展，不要盲目跟风永磁化，不要犯方向性错误，公交公司在招标中也不应指定用永磁或异步，应从能耗、安全、可靠、可维护及性价比上考虑。另外，在混合动力大巴上，电动机滑行时间更长，异步系统节能效果更显著。随着国家补贴政策的逐步退坡，异步系统无可比拟的性价比优势就会更加明显，我们预计，将来电动公交大巴一定会回归到异步系统，让我们拭目以待。

　　下面我们做一总结对比：