中国工程院_新能源汽车驱动电机的发展趋势(沈工大唐任远)（PDF31页）

新能源汽车永磁同步电机发展现状与趋势报告人：唐任远安忠良沈阳工业大学国家稀土永磁电机工程技术研究中心2018年4月21日2新能源汽车永磁电机设计技术目录1新能源汽车永磁同步电机发展现状3新能源汽车永磁同步电机的发展趋势一新能源汽车永磁同步电机技术发展现状高转矩和功率密度，体积小、重量轻；高效率高功率因数；良好的散热性；结构多样；转子的机电时间常数较低，加速较快。永磁电机优点一新能源汽车永磁同步电机技术发展现状•由于采用永磁体励磁，成本较高；•在电负荷受限时弱磁相对困难；•由于磁通减弱所需的附加电流分量，在高速下效率相对较低；•由于温度、高退磁电枢磁场或振动导致PM不可逆退磁的风险；•故障情况下高速反电动势高；永磁电机缺点2016年我国新能源汽车驱动电机占比图一新能源汽车永磁同步电机技术发展现状76%23%1%永磁同步电机交流异步电机其它二新能源汽车驱动用永磁电机的设计技术电机设计要求效率高——节能，续航里程长体积小——高功率密度和转矩密度振动噪声低——提高乘用车的舒适度宽调速范围——3-4倍弱磁，具有高峰值转矩低成本，高可靠性和容错能力二新能源汽车驱动用电机的设计技术功率密度（kW/kg）：它是电动汽车电机设计及制造水平的重要指标。电动汽车中的功率密度一般是指峰值功率密度。国家“十一五”期间为≥1kW/kg国家“十二五”期间为≥2.5kW/kg国家“十三五”期间为≥4.0kW/k（一）高功率密度和高效率设计技术二新能源汽车驱动用电机的设计技术转矩密度：电动汽车中的转矩密度一般是指峰值转矩密度。国家“十一五”期间为≥20Nm/L国家“十二五”期间为≥45Nm/L国家重点研发计划2017年“新能源汽车”专项指南中提出商用车电机峰值转矩密度≥20Nm/kg（一）高功率密度和高效率设计技术二新能源汽车驱动用电机的设计技术高效区：考虑到续航里程及节能的问题，一般电动汽车驱动电机都会提出高效区的要求。国家“十一五”期间为系统高效区（η80%）≥50%国家“十二五”期间为系统高效区（η80%）≥70%（一）高功率密度和高效率设计技术二新能源汽车驱动用电机的设计技术（一）高功率密度和高效率设计技术1合理优化电磁设计和好的生产工艺相结合1）极槽配合的选择永磁电机主要有集中绕组和分布绕组之分分布绕组优点：省材料；在不增加成本情况下磁阻转矩多；散热容易；缺点：电机转子位置允许误差比较小。集中绕组优点：工作区比较宽；绕组端部短；电机转子位置允许误差比较大；缺点：不易散热。根据车用高功率密度电机发展趋势，多极和高速是未来发展方向，因此对于集中绕组慎用。二新能源汽车驱动用电机的设计技术（一）高功率密度和高效率设计技术二新能源汽车驱动用电机的设计技术（一）高功率密度和高效率设计技术矩形导体绕组；优点：绕组排列布置紧密，体积小；槽满率比传统绕组可提高15%，效率高；磁阻转矩高导热和散热能力好；绕组刚度好，可降低振动噪声；端部不用绑扎，可降低成本。二新能源汽车驱动用电机的设计技术2）定子绕组处理工艺电机绕组产生的热量是电机热源的主要组成部分，为更好地散热，在定子绕组端部采用灌封工艺，既采用导热性能良好的灌封胶将端部热量通过机壳有效的散出。如采用耐高温的环氧类灌封胶或有机硅型灌封胶，在采用合适的添加剂条件下，其导热系数可达2.0（空气的导热系数为0.23）二新能源汽车驱动用电机的设计技术3)转子结构设计二新能源汽车驱动用电机的设计技术3)转子结构设计01234567-200-1000100200t/msE0/VV型结构V一型结构0102030405060708090100135791113151719212325谐波幅值占基波比例/%谐波次数V型结构V一型结构0123435791113151719212325波形形畸变率分别为1.91%和4.55%二新能源汽车驱动用电机的设计技术2冷却方式设计技术电机一般有以下四种冷却方式自然风冷（不适用高功率密度电机）强迫风冷（结构复杂）定子水冷（普遍应用）油内冷或者有内冷+水冷（少数应用）二新能源汽车驱动用电机的设计技术水冷技术油冷技术可使驱动电机转矩和功率密度得到进一步提升。采用电机绕组端部冷却可以使电机绕组温度降低68%以上，大大提升了电机的功率密度和转矩密度水平。一新能源汽车永磁同步电机技术发展现状油冷技术磁滞损耗涡流损耗2hhpkfBG2ee()pkfBGkh是与硅钢片性能有关的一个常数，含硅量的多少影响数值大小二新能源汽车驱动用电机的设计技术3高性能材料的选择使用1）铁心叠片材料的选择高速电机供电频率在几百赫兹，随着频率的提高，铁心损耗会迅速增加，铁心损耗占高速电机总损耗的比重增大，所以不能采用50Hz供电的普通电机的磁性材料，而应选用高导磁，低损耗的薄片磁性材料。为了减少铁心损耗，可选用各向同性的0.35mm甚至更薄（0.2mm）的硅钢片。二新能源汽车驱动用电机的设计技术二新能源汽车驱动用电机的设计技术2）高性能永磁材料选用为提高电机转矩密度和功率密度，选择永磁材料时应该选用剩余磁通密度、矫顽力和最大磁能积较大的永磁材料。还可选用聚磁结构以增加气隙的磁通密度（如HALBACH阵列）。HALBACH阵列结构为减轻电动汽车用电机的重量，提高电机的功率密度，在电机设计时，电机的机壳采用比重较轻的铝壳，同时，为减轻转子的重量，一方面采用空心轴承代替实心轴承；另一方面，在磁路允许的情况下，采用转子铁心去重，即以转子铁心开孔的方式降低重量。二新能源汽车驱动用电机的设计技术4轻量化结构技术二新能源汽车驱动用电机的设计技术（二）低成本设计技术降低电机成本主要是减少永磁体用量永磁体影响反电动势直轴电感抗失磁能力过载能力二新能源汽车驱动用电机的设计技术1设计裕量控制永磁体用量永磁材料不同温度下的退磁曲线永磁体的工作图对于钕铁硼永磁同步电动机，在最大电流时永磁体的工作点必须高于最大工作温度时退磁曲线的膝点,完全有别于传统的设计理论与计算方法。二新能源汽车驱动用电机的设计技术用传统的计算方法计算的最大退磁工作点是平均值，不能反映不同位置的实际工作点。为了解决这个问题，用有限元法计算最大退磁情况下各局部工作点。电机局部工作点分布曲线二新能源汽车驱动用电机的设计技术某台电机突然短路电流气隙磁密的分布图永磁体工作点的分布图二新能源汽车驱动用电机的设计技术2增加磁阻转矩，提高电机出力2sin)11(22sindqd0ememXXmpUXUmpEPT永磁电机的电磁转矩第一项由永磁气隙磁场与定子电枢反应磁场相互作用产生的基本电磁转矩，又称永磁转矩第二项由电动机d、q轴磁路不对称而产生的磁阻转矩二新能源汽车驱动用电机的设计技术多层结构V一结构宝马i3三新能源汽车永磁电机的发展趋势1、高功率密度：国家“十三五”新能源汽车重点研发计划明确指出到2020年峰值功率密度达到4.0kW/kg，连续功率密度达到2.2kW/kg。2、集成化发展：驱动电机系统向高速电机与系统集成化方向发展，减小系统重量和体积，有效降低系统制造成本。➢机电集成，即电机与发动机总成或电机与变速箱集成，提升驱动系统功率密度并降低成本。➢电力电子集成，实现功率密度倍增，降低成本。三新能源汽车永磁电机的发展趋势技术发展趋势性能发展趋势新材料新原理新工艺功率密度调速范围性价比更高