第五屆電氣技術(shù)唐任遠報告

1、電動汽車用永磁電機的前沿技術(shù)探討唐唐 任任 遠遠 國家稀土永磁電機工程技術(shù)研究中心 21 1 引言引言3 3 提高功率密度的前沿技術(shù)探討提高功率密度的前沿技術(shù)探討4 4 降低成本的前沿技術(shù)探討降低成本的前沿技術(shù)探討2 2 提高效率的前沿技術(shù)探討提高效率的前沿技術(shù)探討5 5 多物理耦合的精確仿真與集成優(yōu)化設(shè)計多物理耦合的精確仿真與集成優(yōu)化設(shè)計31）高功率密度和高轉(zhuǎn)矩密度）高功率密度和高轉(zhuǎn)矩密度TP 起動、低速爬坡時要求大轉(zhuǎn)矩， 高速巡航時要求大功率。050010001500200025003000050010001500200025003000954.9682.0714432.4075720.6

2、792電 機 轉(zhuǎn) 矩 和 轉(zhuǎn) 速 對 應(yīng) 關(guān) 系轉(zhuǎn) 速 （ rpm）轉(zhuǎn)矩（Nm）1 1 引言引言41831年世界上第一臺電機（永磁直流電機）年世界上第一臺電機（永磁直流電機） 1.5匹馬力重匹馬力重4噸，噸，0.0003kW/kg1879年世界上第一臺電動車用電機（電勵磁直流電機）年世界上第一臺電動車用電機（電勵磁直流電機） 2.2kW重重2噸，噸，0.0011kw/kg1889年三相感應(yīng)電動機年三相感應(yīng)電動機 3.7kW、1500r/min，重，重155kg，0.024kW/kg, Y系列三相感應(yīng)電動機（系列三相感應(yīng)電動機（IP44） 4.0kW 4極極 重重45kg 0.089kW/kg

3、45kW 2極極 重重322kg 0.14kW/kg 按峰值功率加倍計按峰值功率加倍計 0.28kW/kg電動汽車電動汽車“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%高效區(qū)寬，特別是在低高效區(qū)寬，特別是在低轉(zhuǎn)矩運行時（輕載）轉(zhuǎn)矩運行時（輕載） （ 80%）75%63）低成本）低成本 乘用車乘用車200元元/kW 商用車商用車300元元/kW其它要求：其它要求： 高可靠性、寬調(diào)速范圍、高可靠性、寬調(diào)速范圍、低振動噪聲低振動噪聲等。等。7稀土永磁稀土永磁產(chǎn)生產(chǎn)生靠電流靠電流產(chǎn)生產(chǎn)生1 1 引言引言8優(yōu)點：高效優(yōu)點：高

4、效 高功率密度高功率密度 缺點：磁場調(diào)節(jié)困難，恒缺點：磁場調(diào)節(jié)困難，恒功率運行（弱磁擴速）范功率運行（弱磁擴速）范圍窄圍窄 成本高、釹鐵硼永磁材成本高、釹鐵硼永磁材料貴料貴必須把永磁電機的優(yōu)點發(fā)揮到極限。必須把永磁電機的優(yōu)點發(fā)揮到極限。 目前世界上銷量最大的幾種電動汽目前世界上銷量最大的幾種電動汽車都用永磁同步電機系統(tǒng)車都用永磁同步電機系統(tǒng) 91 1 引言引言3 3 提高功率密度的前沿技術(shù)探討提高功率密度的前沿技術(shù)探討4 4 降低成本的前沿技術(shù)探討降低成本的前沿技術(shù)探討2 2 提高效率的前沿技術(shù)探討提高效率的前沿技術(shù)探討5 5 多物理耦合的精確仿真與集成優(yōu)化設(shè)計多物理耦合的精確仿真與集成優(yōu)化設(shè)

5、計102.1 采用分數(shù)槽集中繞組采用分數(shù)槽集中繞組2 2 提高效率的前沿技術(shù)探討提高效率的前沿技術(shù)探討a）重疊、分布繞組）重疊、分布繞組b）重疊、集中繞組）重疊、集中繞組c)非重疊、單齒繞非重疊、單齒繞d）非重疊、隔齒繞）非重疊、隔齒繞4極24槽2q4極12槽1q4極6槽21q4極6槽21q11優(yōu)點：優(yōu)點：1）繞組端部短）繞組端部短 銅耗小、效率高；銅耗小、效率高； 2）自感大，特別是隔齒繞電機）自感大，特別是隔齒繞電機 弱磁性能好，短路電流??；弱磁性能好，短路電流??； 3）齒槽轉(zhuǎn)矩小，不需要斜槽；）齒槽轉(zhuǎn)矩小，不需要斜槽； 4）每相繞組在電磁、熱、機械上隔離；）每相繞組在電磁、熱、機械上隔離

6、； 相間互感小，容錯能力強。相間互感小，容錯能力強。缺點：缺點：1）轉(zhuǎn)子渦流損耗大，溫升高。永磁體需要分段）轉(zhuǎn)子渦流損耗大，溫升高。永磁體需要分段 2）噪聲和振動相對比較大）噪聲和振動相對比較大122.2 采用非晶合金替代硅鋼片采用非晶合金替代硅鋼片 片厚0.025mm 基本鐵耗是硅鋼片的1/31/5 但加工困難，價格較貴，飽和磁密低。2 2 提高效率的前沿技術(shù)探討提高效率的前沿技術(shù)探討132.3 通過通過IGBT開關(guān)切換電動機線圈開關(guān)切換電動機線圈 一套繞組很難同時滿足低速和高速運行時高性能的要求 根據(jù)電動機的轉(zhuǎn)速來切換電動機流經(jīng)電流的線圈，使電動機一直保持90%以上的效率低速時使用整個線圈

7、，高速時使用半個線圈并聯(lián)，使高速時無需弱磁。2 2 提高效率的前沿技術(shù)探討提高效率的前沿技術(shù)探討缺點：接線增加、布線復(fù)雜。缺點：接線增加、布線復(fù)雜。141 1 引言引言3 3 提高功率密度的前沿技術(shù)探討提高功率密度的前沿技術(shù)探討4 4 降低成本的前沿技術(shù)探討降低成本的前沿技術(shù)探討2 2 提高效率的前沿技術(shù)探討提高效率的前沿技術(shù)探討5 5 多物理耦合的精確仿真與集成優(yōu)化設(shè)計多物理耦合的精確仿真與集成優(yōu)化設(shè)計15高功率密度意味著單位體積的發(fā)熱量大，溫升高。高功率密度意味著單位體積的發(fā)熱量大，溫升高。因此：因此：1）提高效率，減少發(fā)熱量。）提高效率，減少發(fā)熱量。2）合理設(shè)計冷卻系統(tǒng)，提高散熱能力。）

8、合理設(shè)計冷卻系統(tǒng)，提高散熱能力。分數(shù)槽集中繞組用得少的原因之一就是溫升高。分數(shù)槽集中繞組用得少的原因之一就是溫升高。3 3 提高功率密度的前沿技術(shù)探討提高功率密度的前沿技術(shù)探討3.1 冷卻系統(tǒng)合理設(shè)計冷卻系統(tǒng)合理設(shè)計161）傳統(tǒng)的自然風冷不再適用）傳統(tǒng)的自然風冷不再適用2）開啟式少用）開啟式少用3）特殊的強迫風冷方式）特殊的強迫風冷方式4）國內(nèi)基本上采用定子水冷。）國內(nèi)基本上采用定子水冷。 國外一般采用定子水冷、轉(zhuǎn)子油冷。國外一般采用定子水冷、轉(zhuǎn)子油冷。3.1 3.1 冷卻系統(tǒng)的合理設(shè)計冷卻系統(tǒng)的合理設(shè)計17特特殊殊的的強強迫迫風風冷冷方方式式冷卻方式的合理設(shè)計冷卻方式的合理設(shè)計-風冷風冷3.

9、1 3.1 冷卻系統(tǒng)的合理設(shè)計冷卻系統(tǒng)的合理設(shè)計18水套結(jié)構(gòu)水套結(jié)構(gòu)水路截面積形狀3.1 3.1 冷卻系統(tǒng)的合理設(shè)計冷卻系統(tǒng)的合理設(shè)計193 3 提高功率密度的研究動向提高功率密度的研究動向3.2 選用高性能材料選用高性能材料1）高電導(dǎo)率導(dǎo)線（銀銅合金）2）低損耗硅鋼片 非晶合金3）高熱導(dǎo)率材料作機殼203.3 新型結(jié)構(gòu)、設(shè)計優(yōu)化和先進工藝新型結(jié)構(gòu)、設(shè)計優(yōu)化和先進工藝3 3 提高功率密度的研究動向提高功率密度的研究動向盤式永磁電機結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)矩密度高定子可無槽，齒槽轉(zhuǎn)矩小制造費用高電抗小，恒功率范圍窄211 1 引言引言3 提高功率密度的前沿技術(shù)探討提高功率密度的前沿技術(shù)探討4 4 降低成本的前沿技

10、術(shù)探討降低成本的前沿技術(shù)探討2 2 提高效率的前沿技術(shù)探討提高效率的前沿技術(shù)探討5 5 多物理耦合的精確仿真與集成優(yōu)化設(shè)計多物理耦合的精確仿真與集成優(yōu)化設(shè)計224.1 利用磁阻轉(zhuǎn)矩利用磁阻轉(zhuǎn)矩4 4 降低成本的前沿技術(shù)探討降低成本的前沿技術(shù)探討 IPM IPM有著非常好的特點，其中的電磁轉(zhuǎn)有著非常好的特點，其中的電磁轉(zhuǎn)矩除了磁場與電流作用產(chǎn)生的之外還有磁矩除了磁場與電流作用產(chǎn)生的之外還有磁阻轉(zhuǎn)矩。阻轉(zhuǎn)矩。 23無永磁無永磁利用磁阻轉(zhuǎn)矩利用磁阻轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩密度低轉(zhuǎn)矩密度低效率低、功率因數(shù)低效率低、功率因數(shù)低內(nèi)置式電機技術(shù)內(nèi)置式電機技術(shù)采用鐵氧體永磁或少量的稀采用鐵氧體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，功率因數(shù)，但低于傳統(tǒng)率，功率因數(shù)，但低于傳統(tǒng)釹鐵硼內(nèi)置式電機約釹鐵硼內(nèi)置式電機約75%4.1 4.1 利用磁阻轉(zhuǎn)矩利用磁阻轉(zhuǎn)矩244.1 4.1 利用磁阻轉(zhuǎn)矩利用磁阻轉(zhuǎn)矩磁阻轉(zhuǎn)矩顯著增加磁阻轉(zhuǎn)矩顯著增加增加調(diào)速范圍增加調(diào)速范圍層數(shù)太多加工困難，通常層數(shù)太多加工困難，通常2-3層。層。缺點：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，制造費用高缺點：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，制造費用高254.1 4.1 利用磁阻轉(zhuǎn)矩利用磁阻轉(zhuǎn)矩V型計算模型型計算模型磁場分布磁場分布264.1 4.1 利用磁阻轉(zhuǎn)矩利用磁阻轉(zhuǎn)矩V一型計算模型磁場分布27雙凸極磁鏈切換開關(guān)磁鏈電機4.2 4.2 發(fā)展新型電機發(fā)展新型電機凸極定子

12、、非重凸極定子、非重疊集中繞組疊集中繞組凸極轉(zhuǎn)子無繞組、凸極轉(zhuǎn)子無繞組、無永磁無永磁磁阻運行原理磁阻運行原理4 4 降低成本的前沿技術(shù)探討降低成本的前沿技術(shù)探討永磁在定子上永磁在定子上28開關(guān)磁鏈電機開關(guān)磁鏈電機優(yōu)點：1.轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單、牢靠2.永磁溫升易于控制3.擁有聚磁效應(yīng)、可以采用低成本鐵氧體永磁4.反電動勢正弦-適合無刷交流運行缺點：1.槽面積減小2.飽和導(dǎo)致過載能力差3.定子結(jié)構(gòu)復(fù)雜4.定子外部漏磁5.永磁用量大4.2 4.2 發(fā)展新型電機發(fā)展新型電機294.2 4.2 發(fā)展新型電機發(fā)展新型電機開關(guān)磁鏈電機開關(guān)磁鏈電機減小永磁用量永磁減半但轉(zhuǎn)矩增加傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu) 多齒結(jié)構(gòu)多齒結(jié)構(gòu) E

13、型鐵心型鐵心 C型鐵心型鐵心30樣機的定轉(zhuǎn)子圖樣機的定轉(zhuǎn)子圖混合勵磁電機混合勵磁電機4.2 4.2 發(fā)展新型電機發(fā)展新型電機314.2 4.2 發(fā)展新型電機發(fā)展新型電機優(yōu)點：少用永磁材料、優(yōu)點：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點：需要直流電流，缺點：需要直流電流， 降低功率密度降低功率密度 增加銅耗，降低效率增加銅耗，降低效率軸軸 電樞繞組電樞繞組疊片鐵心疊片鐵心 SMC鐵心鐵心 勵磁繞組勵磁繞組324.2 4.2 發(fā)展新型電機發(fā)展新型電機磁齒輪永磁電機磁齒輪永磁電機零磨損并且不需要潤滑固有過載保護能力、無堵轉(zhuǎn)結(jié)合永磁齒輪與永磁電機與電機有相同的安裝尺寸331 1 引言

14、引言3 提高功率密度的前沿技術(shù)探討提高功率密度的前沿技術(shù)探討4 降低成本的前沿技術(shù)探討降低成本的前沿技術(shù)探討2 2 提高效率的前沿技術(shù)探討提高效率的前沿技術(shù)探討5 5 多物理耦合的精確仿真與集成優(yōu)化設(shè)計多物理耦合的精確仿真與集成優(yōu)化設(shè)計34 車用永磁電機追求高功率密度、高效率、高可靠性、高動態(tài)響應(yīng)和低速平穩(wěn)性、低振動噪聲、低成本，需求苛刻又相互制約； 電機的電磁負荷高，結(jié)構(gòu)新穎而又多樣，增加了設(shè)計分析、仿真計算和研究開發(fā)的復(fù)雜性。 5 5 多物理耦合的精確仿真與集成優(yōu)化設(shè)計多物理耦合的精確仿真與集成優(yōu)化設(shè)計5.1多物理場耦合的精確仿真分析多物理場耦合的精確仿真分析35電機內(nèi)存在著多種不同類型的

15、多場耦合系統(tǒng) 涉及到電磁、機械、電子、流體、熱學等多個學科 相互影響 運用和發(fā)展多場耦合系統(tǒng)，進行精確仿真。弄清各種場的分布規(guī)律及其控制技術(shù)。在此基礎(chǔ)上對各種參數(shù)進行綜合分析比較和優(yōu)化。 5 5 多物理耦合的精確仿真與集成優(yōu)化設(shè)計多物理耦合的精確仿真與集成優(yōu)化設(shè)計5.1多物理場耦合的精確仿真分析多物理場耦合的精確仿真分析365 5 多物理耦合的精確仿真與集成優(yōu)化設(shè)計多物理耦合的精確仿真與集成優(yōu)化設(shè)計5.2 系統(tǒng)集成、優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)集成、優(yōu)化設(shè)計 電動汽車永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)是一個復(fù)雜系統(tǒng)，電動汽車永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)是一個復(fù)雜系統(tǒng)，既要將電機與變頻器進行系統(tǒng)集成設(shè)計，完善電既要將電機與變頻器進行系統(tǒng)集成設(shè)計，完善電流波形，擴展弱磁擴速比；又要將電機與發(fā)動機