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    新能源資訊
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    新能源電驅系統中的電機

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    2023.02

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    驅動電機技術作為新能源汽車關鍵的“三電”技術之一,將逐步向輕量化、高功率和高能效方向發展。在當前電池技術無法取得重大突破的背景下,提高驅動電機的效率、功率密度、安全性與可靠性,成為新能源汽車驅動系統的重要研究方向,而扁線電機憑借高功率密度、高效率的優勢將成為新能源汽車驅動電機未來的主流技術方向。

    驅動電機的分類

    電機按照工作原理,可分為直流電機和交流電機,直流電機分為有刷直流電機和無刷直流電機,交流電機分為同步電機、異步電機和開關磁阻電機,同步電機又分為永磁同步電機和電勵磁同步電機。

    工業電機與車用電機的區別

    工業電機只在1~2個額定點運行,固定轉速、固定功率、固定環境。電動汽車在行駛過程中,頻繁地啟動/停車、加速/減速等,對于車用電機,運行工況復雜的多,這就要求電機的性能更高。在全轉速扭矩范圍內功率、扭矩、退磁、振動、散熱、絕緣需要滿足各種不同運行區域要求,給電機的設計和制造帶來極大挑戰;車用電機要追求更高的功率密度、轉矩密度,因此對于尺寸、體積和重量的要求更高;車用電機對安全性能要求極高,電機的設計和制造要考慮退磁、應力校核、機械強度、防護等級、絕緣等級等因素;另外,電機的輸出性能與運行工況和電氣邊界條件相關程度高、較難明確定義,系統輸入限制嚴格,對應不同電壓和電流條件下,電機的性能要求也完全不同。

    驅動電機的典型技術特點

    新能源汽車驅動電機應用領域中90%是永磁同步電機,因其效率高、結構簡單、體積小、重量輕等特點,具有明顯優勢。永磁同步電機和異步電機的區別:在低轉速區,異步電機高效區面積相對于永磁同步電機更小,而且更偏向于高速區;永磁同步電機功率密度高,異步電機價格低,但是異步機的體積更大,作為后驅電機在國內應用比較少。

    新能源電驅系統中的電機

    圖1. 永磁同步電機與異步電機的高效區

    不同冷卻方式,風冷、水冷和油冷。油冷電機的持續性能高于水冷,水冷高于風冷。特別是對于高壓高速電機,油冷的優勢表現會更加明顯。

    新能源電驅系統中的電機

    圖2. 不同冷卻方式電機

    不同繞組形式,分布式繞組和集中式繞組。分布式繞組主要特點是分布比較長,線包會疊在一起,而且跨距通常會跨6個槽,導致端部更長,空間占用也偏大,但它散熱比較好,繞組性能比較高。集中式繞組優缺點剛好相反,集中式繞組通常適合做比較扁的電機,適用于P1、P2這種拓撲結構。對于端部尺寸要求不高的應用,通常采用分布式繞組方式。

    新能源電驅系統中的電機

    圖3. 不同繞組形式

    驅動電機的設計優化過程

    驅動電機的設計優化過程可以分為四層。第一層是物理變量,鐵芯尺寸、材料銅線線徑、磁鋼尺寸,第二層變量是中間變量,具體指在電機設計過程中的核心變量,比如磁通、電負荷、熱負荷、漏磁、磁密等。第三層為應用層,客戶要求電機達到哪些指標,如效率、功率、扭矩等等。達到了客戶要求后,還要保證電機的安全性和可靠性,即第四層——安全層。要做瞬態電流、模態分析、NVH、強度分析等等,最后所有變量滿足要求,設計才會凍結。如果一個變量不滿足需求,就要反復循環迭代。電磁仿真、機械仿真、熱仿真、聯合仿真,每個模塊都是相互獨立且緊密聯系的。

    對于汽車行業來講,電機的成本與性能、成本與效率、峰值性能與持續性能、峰值轉矩與峰值功率等參數之間都是此消彼長的關系,需要相互平衡,設計優化的過程在于取舍。

    針對新能源乘用車應用領域,方正電機的開發與制造以永磁同步電機為主,幾乎覆蓋國內主流的需求。從135平臺到235平臺的規劃,分別對應于低壓、高壓、風冷、水冷和油冷,目前都有開發。過去兩年方正電機對扁線電機的加碼研發,取得較快發展,目前的扁線電機可以給客戶提供具有國際競爭力的電驅解決方案。

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