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 2 1 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 3 1）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。 050010001500200025003000 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 954

2、.9 682.0714 432.4075 720.6792 电 机 转 矩 和 转 速 对 应 关 系 转 速 （ rpm） 转矩（Nm） 1 1 引言引言 4 1831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/kg 1879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/kg 1889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（

3、IP44） 4.0kW 4极极 重重45kg 0.089kW/kg 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/kg 5 2）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% 6 3）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。

4、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 9 1 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

5、 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 10 2.1 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 2q 4极12槽 1q 4极6槽 2 1 q 4极6槽 2 1 q 11 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，

6、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； 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 12 2.2 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 13 2.3 通过通过IGBT开关切换

7、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，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。 14 1 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

8、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。）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 16 1）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

9、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 3.1 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 19 3 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 20 3.3 新型结构、设计

10、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 21 1 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 22 4.1 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

11、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 24 4.1 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

12、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 25 4.1 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 26 4.1 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、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：

13、 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 29 4.2 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 31 4.2 4.2 发展新型电机发展新型电机

14、 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 32 4.2 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 33 1 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 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

15、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 36 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 5.2 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