电动汽车用永磁电机的前沿技术.ppt

电动汽车用永磁电机的前沿技术探讨,唐任远,国家稀土永磁电机工程技术研究中心,2,1引言,3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,2提高效率的前沿技术探讨,5多物理耦合的精确仿真与集成优化设计,3,1.1电动汽车对驱动电机提出了苛刻要求,1）高功率密度和高转矩密度,起动、低速爬坡时要求大转矩，高速巡航时要求大功率。,1引言,4,1831年世界上第一台电机（永磁直流电机）1.5匹马力重4吨，0.0003kW/kg1879年世界上第一台电动车用电机（电励磁直流电机）2.2kW重2吨，0.0011kw/kg1889年三相感应电动机3.7kW、1500r/min，重155kg，0.024kW/kg,Y系列三相感应电动机（IP44）4.0kW4极重45kg0.089kW/kg45kW2极重322kg0.14kW/kg按峰值功率加倍计0.28kW/kg电动汽车“十一五”要求：1.2kW/kg“十二五“要求：2.7kW/kg,1.1电动汽车对驱动电机提出了苛刻要求,5,1.1电动汽车对驱动电机提出了苛刻要求,2）高效最高94%高效区宽，特别是在低转矩运行时（轻载）（80%）75%,6,1.1电动汽车对驱动电机提出了苛刻要求,3）低成本乘用车200元/kW商用车300元/kW其它要求：高可靠性、宽调速范围、低振动噪声等。,7,稀土永磁产生,1.2永磁电机的优缺点,1引言,8,优点：高效高功率密度,缺点：磁场调节困难，恒功率运行（弱磁扩速）范围窄成本高、钕铁硼永磁材料贵,1.2永磁电机的优缺点,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车都用永磁同步电机系统,9,1引言,3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,2提高效率的前沿技术探讨,5多物理耦合的精确仿真与集成优化设计,10,2.1采用分数槽集中绕组,2提高效率的前沿技术探讨,a）重叠、分布绕组,b）重叠、集中绕组,c)非重叠、单齿绕,d）非重叠、隔齿绕,4极24槽,4极12槽,4极6槽,4极6槽,11,2.1采用分数槽集中绕组,优点：1）绕组端部短铜耗小、效率高；2）自感大，特别是隔齿绕电机弱磁性能好，短路电流小；3）齿槽转矩小，不需要斜槽；4）每相绕组在电磁、热、机械上隔离；相间互感小，容错能力强。缺点：1）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,12,2.2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提高效率的前沿技术探讨,13,2.3通过IGBT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，高速时使用半个线圈并联，使高速时无需弱磁。,2提高效率的前沿技术探讨,缺点：接线增加、布线复杂。,14,1引言,3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,2提高效率的前沿技术探讨,5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。因此：1）提高效率，减少发热量。2）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。,3提高功率密度的前沿技术探讨,3.1冷却系统合理设计,16,1）传统的自然风冷不再适用2）开启式少用3）特殊的强迫风冷方式4）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。,3.1冷却系统的合理设计,17,特殊的强迫风冷方式,冷却方式的合理设计-风冷,3.1冷却系统的合理设计,18,水套结构,水路截面积形状,3.1冷却系统的合理设计,19,3提高功率密度的研究动向,3.2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,20,3.3新型结构、设计优化和先进工艺,3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,21,1引言,3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,2提高效率的前沿技术探讨,5多物理耦合的精确仿真与集成优化设计,22,4.1利用磁阻转矩,4降低成本的前沿技术探讨,IPM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阻转矩。,23,同步磁阻电机无永磁利用磁阻转矩转矩密度低效率低、功率因数低,永磁助磁同步磁阻电机内置式电机技术采用铁氧体永磁或少量的稀土永磁，提高功率密度，效率，功率因数，但低于传统钕铁硼内置式电机约75%,4.1利用磁阻转矩,24,4.1利用磁阻转矩,磁阻转矩显著增加增加调速范围层数太多加工困难，通常2-3层。,缺点：结构较复杂，制造费用高,25,4.1利用磁阻转矩,V型计算模型,磁场分布,26,4.1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发展新型电机,凸极定子、非重叠集中绕组凸极转子无绕组、无永磁磁阻运行原理,开关磁链电机的转矩密度明显地高于双凸极电机、磁链切换电机,4降低成本的前沿技术探讨,永磁在定子上,28,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发展新型电机,29,4.2发展新型电机,开关磁链电机,减小永磁用量永磁减半但转矩增加,传统结构多齿结构E型铁心C型铁心,30,样机的定转子图,混合励磁电机,4.2发展新型电机,31,4.2发展新型电机,优点：少用永磁材料、降低成本弱磁性能好,缺点：需要直流电流，降低功率密度增加铜耗，降低效率,混合励磁电机,轴电枢绕组,叠片铁心SMC铁心,励磁绕组,32,4.2发展新型电机,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,33,1引言,3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,2提高效率的前沿技术探讨,5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,35,电机内存在着多种不同类型的多场耦合系统,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,36,5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,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