第五届电气技术唐任远报告

1、电动汽车用永磁电机的前沿技术探讨唐唐 任任 远远 国家稀土永磁电机工程技术研究中心 21 1 引言引言3 3 提高功率密度的前沿技术探讨提高功率密度的前沿技术探讨4 4 降低成本的前沿技术探讨降低成本的前沿技术探讨2 2 提高效率的前沿技术探讨提高效率的前沿技术探讨5 5 多物理耦合的精确仿真与集成优化设计多物理耦合的精确仿真与集成优化设计31）高功率密度和高转矩密度）高功率密度和高转矩密度TP 起动、低速爬坡时要求大转矩， 高速巡航时要求大功率。050010001500200025003000050010001500200025003000954.9682.0714432.4075720.6

2、792电 机 转 矩 和 转 速 对 应 关 系转 速 （ rpm）转矩（Nm）1 1 引言引言41831年世界上第一台电机（永磁直流电机）年世界上第一台电机（永磁直流电机） 1.5匹马力重匹马力重4吨，吨，0.0003kW/kg1879年世界上第一台电动车用电机（电励磁直流电机）年世界上第一台电动车用电机（电励磁直流电机） 2.2kW重重2吨，吨，0.0011kw/kg1889年三相感应电动机年三相感应电动机 3.7kW、1500r/min，重，重155kg，0.024kW/kg, Y系列三相感应电动机（系列三相感应电动机（IP44） 4.0kW 4极极 重重45kg 0.089kW/kg

3、45kW 2极极 重重322kg 0.14kW/kg 按峰值功率加倍计按峰值功率加倍计 0.28kW/kg电动汽车电动汽车“十一五十一五”要求：要求： 1.2kW/kg “十二五十二五“要求：要求： 2.7kW/kg52）高效）高效 最高最高94%高效区宽，特别是在低高效区宽，特别是在低转矩运行时（轻载）转矩运行时（轻载） （ 80%）75%63）低成本）低成本 乘用车乘用车200元元/kW 商用车商用车300元元/kW其它要求：其它要求： 高可靠性、宽调速范围、高可靠性、宽调速范围、低振动噪声低振动噪声等。等。7稀土永磁稀土永磁产生产生靠电流靠电流产生产生1 1 引言引言8优点：高效优点：高

4、效 高功率密度高功率密度 缺点：磁场调节困难，恒缺点：磁场调节困难，恒功率运行（弱磁扩速）范功率运行（弱磁扩速）范围窄围窄 成本高、钕铁硼永磁材成本高、钕铁硼永磁材料贵料贵必须把永磁电机的优点发挥到极限。必须把永磁电机的优点发挥到极限。 目前世界上销量最大的几种电动汽目前世界上销量最大的几种电动汽车都用永磁同步电机系统车都用永磁同步电机系统 91 1 引言引言3 3 提高功率密度的前沿技术探讨提高功率密度的前沿技术探讨4 4 降低成本的前沿技术探讨降低成本的前沿技术探讨2 2 提高效率的前沿技术探讨提高效率的前沿技术探讨5 5 多物理耦合的精确仿真与集成优化设计多物理耦合的精确仿真与集成优化设

5、计102.1 采用分数槽集中绕组采用分数槽集中绕组2 2 提高效率的前沿技术探讨提高效率的前沿技术探讨a）重叠、分布绕组）重叠、分布绕组b）重叠、集中绕组）重叠、集中绕组c)非重叠、单齿绕非重叠、单齿绕d）非重叠、隔齿绕）非重叠、隔齿绕4极24槽2q4极12槽1q4极6槽21q4极6槽21q11优点：优点：1）绕组端部短）绕组端部短 铜耗小、效率高；铜耗小、效率高； 2）自感大，特别是隔齿绕电机）自感大，特别是隔齿绕电机 弱磁性能好，短路电流小；弱磁性能好，短路电流小； 3）齿槽转矩小，不需要斜槽；）齿槽转矩小，不需要斜槽； 4）每相绕组在电磁、热、机械上隔离；）每相绕组在电磁、热、机械上隔离

6、； 相间互感小，容错能力强。相间互感小，容错能力强。缺点：缺点：1）转子涡流损耗大，温升高。永磁体需要分段）转子涡流损耗大，温升高。永磁体需要分段 2）噪声和振动相对比较大）噪声和振动相对比较大122.2 采用非晶合金替代硅钢片采用非晶合金替代硅钢片 片厚0.025mm 基本铁耗是硅钢片的1/31/5 但加工困难，价格较贵，饱和磁密低。2 2 提高效率的前沿技术探讨提高效率的前沿技术探讨132.3 通过通过IGBT开关切换电动机线圈开关切换电动机线圈 一套绕组很难同时满足低速和高速运行时高性能的要求 根据电动机的转速来切换电动机流经电流的线圈，使电动机一直保持90%以上的效率低速时使用整个线圈

7、，高速时使用半个线圈并联，使高速时无需弱磁。2 2 提高效率的前沿技术探讨提高效率的前沿技术探讨缺点：接线增加、布线复杂。缺点：接线增加、布线复杂。141 1 引言引言3 3 提高功率密度的前沿技术探讨提高功率密度的前沿技术探讨4 4 降低成本的前沿技术探讨降低成本的前沿技术探讨2 2 提高效率的前沿技术探讨提高效率的前沿技术探讨5 5 多物理耦合的精确仿真与集成优化设计多物理耦合的精确仿真与集成优化设计15高功率密度意味着单位体积的发热量大，温升高。高功率密度意味着单位体积的发热量大，温升高。因此：因此：1）提高效率，减少发热量。）提高效率，减少发热量。2）合理设计冷却系统，提高散热能力。）

8、合理设计冷却系统，提高散热能力。分数槽集中绕组用得少的原因之一就是温升高。分数槽集中绕组用得少的原因之一就是温升高。3 3 提高功率密度的前沿技术探讨提高功率密度的前沿技术探讨3.1 冷却系统合理设计冷却系统合理设计161）传统的自然风冷不再适用）传统的自然风冷不再适用2）开启式少用）开启式少用3）特殊的强迫风冷方式）特殊的强迫风冷方式4）国内基本上采用定子水冷。）国内基本上采用定子水冷。 国外一般采用定子水冷、转子油冷。国外一般采用定子水冷、转子油冷。3.1 3.1 冷却系统的合理设计冷却系统的合理设计17特特殊殊的的强强迫迫风风冷冷方方式式冷却方式的合理设计冷却方式的合理设计-风冷风冷3.

9、1 3.1 冷却系统的合理设计冷却系统的合理设计18水套结构水套结构水路截面积形状3.1 3.1 冷却系统的合理设计冷却系统的合理设计193 3 提高功率密度的研究动向提高功率密度的研究动向3.2 选用高性能材料选用高性能材料1）高电导率导线（银铜合金）2）低损耗硅钢片 非晶合金3）高热导率材料作机壳203.3 新型结构、设计优化和先进工艺新型结构、设计优化和先进工艺3 3 提高功率密度的研究动向提高功率密度的研究动向盘式永磁电机结构转矩密度高定子可无槽，齿槽转矩小制造费用高电抗小，恒功率范围窄211 1 引言引言3 提高功率密度的前沿技术探讨提高功率密度的前沿技术探讨4 4 降低成本的前沿技

10、术探讨降低成本的前沿技术探讨2 2 提高效率的前沿技术探讨提高效率的前沿技术探讨5 5 多物理耦合的精确仿真与集成优化设计多物理耦合的精确仿真与集成优化设计224.1 利用磁阻转矩利用磁阻转矩4 4 降低成本的前沿技术探讨降低成本的前沿技术探讨 IPM IPM有着非常好的特点，其中的电磁转有着非常好的特点，其中的电磁转矩除了磁场与电流作用产生的之外还有磁矩除了磁场与电流作用产生的之外还有磁阻转矩。阻转矩。 23无永磁无永磁利用磁阻转矩利用磁阻转矩转矩密度低转矩密度低效率低、功率因数低效率低、功率因数低内置式电机技术内置式电机技术采用铁氧体永磁或少量的稀采用铁氧体永磁或少量的稀土永磁，提高功率密

11、度，效土永磁，提高功率密度，效率，功率因数，但低于传统率，功率因数，但低于传统钕铁硼内置式电机约钕铁硼内置式电机约75%4.1 4.1 利用磁阻转矩利用磁阻转矩244.1 4.1 利用磁阻转矩利用磁阻转矩磁阻转矩显著增加磁阻转矩显著增加增加调速范围增加调速范围层数太多加工困难，通常层数太多加工困难，通常2-3层。层。缺点：结构较复杂，制造费用高缺点：结构较复杂，制造费用高254.1 4.1 利用磁阻转矩利用磁阻转矩V型计算模型型计算模型磁场分布磁场分布264.1 4.1 利用磁阻转矩利用磁阻转矩V一型计算模型磁场分布27双凸极磁链切换开关磁链电机4.2 4.2 发展新型电机发展新型电机凸极定子

12、、非重凸极定子、非重叠集中绕组叠集中绕组凸极转子无绕组、凸极转子无绕组、无永磁无永磁磁阻运行原理磁阻运行原理4 4 降低成本的前沿技术探讨降低成本的前沿技术探讨永磁在定子上永磁在定子上28开关磁链电机开关磁链电机优点：1.转子结构简单、牢靠2.永磁温升易于控制3.拥有聚磁效应、可以采用低成本铁氧体永磁4.反电动势正弦-适合无刷交流运行缺点：1.槽面积减小2.饱和导致过载能力差3.定子结构复杂4.定子外部漏磁5.永磁用量大4.2 4.2 发展新型电机发展新型电机294.2 4.2 发展新型电机发展新型电机开关磁链电机开关磁链电机减小永磁用量永磁减半但转矩增加传统结构传统结构 多齿结构多齿结构 E

13、型铁心型铁心 C型铁心型铁心30样机的定转子图样机的定转子图混合励磁电机混合励磁电机4.2 4.2 发展新型电机发展新型电机314.2 4.2 发展新型电机发展新型电机优点：少用永磁材料、优点：少用永磁材料、 降低成本降低成本 弱磁性能好弱磁性能好缺点：需要直流电流，缺点：需要直流电流， 降低功率密度降低功率密度 增加铜耗，降低效率增加铜耗，降低效率轴轴 电枢绕组电枢绕组叠片铁心叠片铁心 SMC铁心铁心 励磁绕组励磁绕组324.2 4.2 发展新型电机发展新型电机磁齿轮永磁电机磁齿轮永磁电机零磨损并且不需要润滑固有过载保护能力、无堵转结合永磁齿轮与永磁电机与电机有相同的安装尺寸331 1 引言

14、引言3 提高功率密度的前沿技术探讨提高功率密度的前沿技术探讨4 降低成本的前沿技术探讨降低成本的前沿技术探讨2 2 提高效率的前沿技术探讨提高效率的前沿技术探讨5 5 多物理耦合的精确仿真与集成优化设计多物理耦合的精确仿真与集成优化设计34 车用永磁电机追求高功率密度、高效率、高可靠性、高动态响应和低速平稳性、低振动噪声、低成本，需求苛刻又相互制约； 电机的电磁负荷高，结构新颖而又多样，增加了设计分析、仿真计算和研究开发的复杂性。 5 5 多物理耦合的精确仿真与集成优化设计多物理耦合的精确仿真与集成优化设计5.1多物理场耦合的精确仿真分析多物理场耦合的精确仿真分析35电机内存在着多种不同类型的

15、多场耦合系统 涉及到电磁、机械、电子、流体、热学等多个学科 相互影响 运用和发展多场耦合系统，进行精确仿真。弄清各种场的分布规律及其控制技术。在此基础上对各种参数进行综合分析比较和优化。 5 5 多物理耦合的精确仿真与集成优化设计多物理耦合的精确仿真与集成优化设计5.1多物理场耦合的精确仿真分析多物理场耦合的精确仿真分析365 5 多物理耦合的精确仿真与集成优化设计多物理耦合的精确仿真与集成优化设计5.2 系统集成、优化设计系统集成、优化设计 电动汽车永磁电机驱动系统是一个复杂系统，电动汽车永磁电机驱动系统是一个复杂系统，既要将电机与变频器进行系统集成设计，完善电既要将电机与变频器进行系统集成设计，完善电流波形，扩展弱磁扩速比；又要将电机与发动机