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新能源汽车用永磁同步电机的研究现状

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导读

Reading guide

随着化石能源的逐渐枯竭,电动汽车的进一步发展已成为历史的必然本文主要介绍电动汽车用永磁同步电机的小型化电机,综述了永磁同步电机小型化过程中遇到的困难及对应的解决办法,并介绍了组成电机的各个部件现阶段所用的产品及各个产品的发展方向分析了电机在不同工况下运行的优缺点,并对新能源汽车用永磁同步电机的未来发展趋势进行了展望

关键词：新能源汽车;永磁;同步;电机

电机是新能源汽车运行的主要部件,它是新能源汽车的核心零部件就像电动汽车的“心脏”一样,其作为混合动力插电混合动力纯电动汽车的重要部分,直接关系到新能源汽车的性能与节能传统电机，如三相同步电机或三相异步电机,能提供强大的动力,但功耗巨大,其制造流程及相关配套设施十分完善,然而传统电机需要大量的线圈激发磁场,这就导致了传统电机在体积上无法进一步缩小,因此不能与电动汽车的各个系统相匹配而直流电机虽然能采用直流,在电机供电系统上相比于交流电机有优势,但是直流电机需要碳刷作为换向器,因此直流电机有着比交流电机大的多的热效应及更高的磨损,这导致直流电机故障多可靠性低寿命短保养维护工作量大电机的容量越大转速越高,问题就越严重因此,普通直流电动机的电刷和换向器限制了其向高速度大容量的发展与此相比,在驱动电机方面,永磁同步电机由于其在体积重量和效率方面的优势,已经成为主流的驱动核心,且更易于小型化,因此我国新能源汽车用电机中永磁电机占比高于95%,而且全球新能源汽车用永磁电机占比也高于90%

永磁同步电机的优点

与一般的交流电机相比,永磁同步电机使用永磁体嵌放在转子内部来提供稳定的磁场相比传统的交流异步电机,永磁同步电机不需要定子流过电流后再给转子励磁,因此启动速度较快,可控性强相比异步电机,永磁同步电机在轻载时效率值高很多,其高效运行范围宽,其中25%~120%范围内效率大于90%,这是其在节能方面比异步电机最大的优势大多数电机工作的额定功率均在70%以下,电机通常工作在轻载区对异步电动机来讲,其轻载效率很低,而永磁同步电机在轻载区仍能保持较高的效率相对于同步电机,永磁同步电机不需要给转子绕组通过电流就可以稳定存在,因此相比于传统同步电机,永磁同步电机更易于小型化

永磁电机的组成

定子

铁芯材料

永磁同步电机作为新能源汽车的动力源,其尺寸须与整车的设计相匹配由于电机转子为金属材料,因此在运行过程中,由于磁场产生的涡流无法避免,进而产生大量热,因此在设计过程中,电机的尺寸还要受到散热系统的影响以20kW4500r/min的样机为例,其外形尺寸限定为外径小于234mm轴向长度小于200mm在最大外径允许的基础上,考虑到水道和机壳的尺寸,最终确定样机定子最大外径为194mm于此同时,由于定子提供线圈所激发磁场的磁路,定子铁芯的选材也需要尽可能减少涡流损耗与磁滞损耗目前所用的铁芯材料有飞晶合金材料与冷轧硅钢片,2种材料基本性能对比见表1表2为电机热计算相关参数由表可知,当处于交变磁场时,非晶电机产生的铁心损耗约为传统硅钢电机的5%~10%,极低,但非晶电机的合金材料对机械应力较敏感,加工难度较大

通过对比发现,相比于传统硅钢片叠加而成的定子,非晶材料可以更小的体积获得更低的铁耗,并且拥有更小的矫顽力,因此比传统的硅钢片更适合作为定子铁心材料,但是由于非晶合金的饱和磁感应强度低于硅钢片,其铁心容易磁饱和,此时感生电动势就不再随着电流增加而增加,再有电流的增加,增量部分就是短路电流,不再受感生电动势的制约,会烧毁变压器,所以非晶材料不适合作为大型电机定子铁心分析表2可知,非晶电机和硅钢电机产热的区别是因为电机的温升不仅与损耗有关,还与材料的导热系数密切相关硅钢材料的导热系数大于非晶合金,加快了电机内部温度的传导,所以其温升比非晶电机要低,因此对于不同种类的电机,需要采用不同种类的铁芯材料以获得最好的性能

由表2可知,非晶电机的定子损耗仅为89W,而传统硅钢电机的定子损耗为2641W由此可见,非晶合金做定子时能够大大减少电机的定子铁耗,这与前述结论不谋而合,但同时可以发现,绕组损耗在非晶电机中有所增加,相比于硅钢电机,非晶电机的绕组损耗增加了271W,这是因为非晶合金的饱和磁感应强度较低,因此磁饱和后,增加的电流不再加强磁场,而是变成了电流损耗,电流损耗又变成了线圈的短路损耗,因此非晶电机的绕组损耗比硅钢电机有所扩大研究结果表明,在高速运行状态下,非晶合金作为定子铁芯时,电机损耗仅为89W,而同样运行方式下,以冷轧硅钢片作为定子铁芯时的能量损耗约为非晶体铁芯的30倍,虽然非晶合金电机会使电机的铜损有所增加,但从总损耗来看,非晶合金电机的损耗仅为常规硅钢电机的1/3在额定工况下,非晶合金电机总损耗低于硅钢电机,但在峰值工况下,由于非晶合金电机铜耗较大,非晶合金电机的总损耗高于硅钢电机另外,非晶合金的导热系数虽低,但在转速较低时,其铁损较低的优势并不显著,在提高转速以后,其铁损较低的优势突出,温升远远低于硅钢电机,因此非晶合金电机的散热压力较小,甚至于可以用风冷散热达到目的

线圈设计绝缘材料改进

定子线圈所用原材料为单面涂覆全聚氟乙丙烯胶的聚酰亚胺薄膜绕包的电磁线,通过梭绕成型等工序制成具有一定形状的线圈,再通过使用云母带聚酰亚胺薄膜带玻璃丝带等绝缘材料对线圈进行包扎,以增强线圈的对地绝缘而这些绝缘材料较脆,在线圈缠绕过程中,容易出现绝缘损伤的情况与此同时,为了使用更多导线圈励磁,线路绝缘不得不逐渐变薄而在生产线圈的过程中,生产工具与运输工具之间不可避免的会出现棱角边,因此线圈常常发生绝缘损伤的问题,轻则导致绝缘性能下降,重则导致线圈露铜短路目前研究的改良工序为加垫绝缘纸以减少线匝间相互摩擦导致的绝缘损伤,或是选择放弃传统线圈,将线圈改为发卡式线圈发卡式线圈示意图如图1所示

发卡式线圈是一种矩形的扁铜线组当前的很多新能源汽车为了实现功率密度的进一步提高,已经大规模采用发卡式线圈发卡式线圈比传统铜线圈具有:1）槽满率高由圆线改为扁线后,在相同的空间内可以填充更多的铜材,可以大幅提升槽满率,从而提升电机的功率密度,提高电性能2）热性能好通过成型压缩了发卡式电机定子线圈的端部轴向尺寸,使铜耗量更少,且由于扁线端部无缠绕,理论上散热更容易

3）运行噪音低发卡式电机的定子槽型多采用闭口槽结构,这可使电机的齿谐波得到有效降低,从而减小运行时的电磁噪声与此同时,由于发卡式线圈铜线无明显裸露,相比于传统铜线圈,发卡式线圈不易出现绝缘损伤情况,且更高的槽满率使电机的体积可以进一步减小,这意味着发卡式线圈更适用于新能源汽车对电机小型化的需求表3为电机不同工况下主要损耗分布,可以发现,r/min工况下的铜耗基本一致,铁耗存在较大差异,10000r/min工况时铜耗铁耗相差不大,说明在工作频率较低时铜耗铁耗差异较大,在工作频率较高时铜耗铁耗相差不大,此可以研究在工作频率较低时,用不同导热能力的绝缘材料改善电机绕组温升的效果图2为不同层数的电机绕组温度变化

研究表明,保持铜耗不变,增加铁耗时,不同层数的电机绕组温度均有所上升,但使用高导热绝缘材料后,各层电机绕组的温升改善效果基本一致,并未因铁耗改变而受到影响,也就是说用高导热绝缘材料进行传热优化,电机绕组在不同工况下的温升改善效果与铁耗无关因此,改善线圈的绝缘层导热性能显得尤为重要当保持铁耗不变,增加铜耗后,不同层数的电机绕组温度均有所提升,相比于普通导热材料,使用高导热材料可以一定程度地增大同一层绕组温升改善效果可见,高导热绝缘材料对电机绕组温度的改善效果与绕组的铜耗分布有关,且随铜耗增大,温度改善效果增强因此,可得出对扁铜线绕组电机,不同层数绕组的铜耗分布差异将直接影响绝缘材料导热能力优化后的应用效果

转子

‘V’型转子与‘V一’型转子

目前大多数电动汽车搭载的永磁同步电机其转子结构多为V型或V一型,电机结构如图3所示

转子结构可通过永磁体位置分为表面式与内置式,车用永磁同步电机的转子结构对弱磁调速性能电机效率等有着非常重要的影响表面式结构的永磁同步电机气隙磁密波形较好,空载杂散损耗较小,但永磁体直接面向气隙,涡流损耗比内置式结构的大内置式结构的永磁同步电机的永磁体深埋于转子内部,虽然气隙磁密波形谐波含量相对较大,但永磁体损耗较小,利用磁阻转矩可以提高电机功率密度,且由于永磁体在转子内部,更适合于高速运行V型与V一型转子结构从本质上看都属于内置式电机,其中V型转子与V一型转子的区别在于,V一型结构的转矩要大于V型结构这是由于转矩较大时,取得最大转时的直轴去磁电流较大,而V一型结构的直轴电感大于V型结构,在相同电流时,V一型结构的整个电机磁路没有V型结构饱和,所以转矩稍大综上分析可以看出,V一型结构的转矩特性优于V型结构

转子内部硬磁材料

钕铁硼材料是一种较理想的硬磁材料,其不仅剩磁高矫顽力高磁能积高,且动态回复特性良好这种优良的磁特性可以使磁体的体积进一步减少,十分适合汽车轻量化小型化的发展方向钕铁硼材料可分为烧结型和粘结型两种,其中粘结型广泛应用于电机行业,由于粘结型钕铁硼永磁可加工性好,尺寸精度高,特别适应新能源汽车电机“轻薄化短小化”的要求,故近年来发展较快其中,转子中永磁体多采用粘结型钕铁硼一次成形相比于粘结型钕铁硼,烧结型钕铁硼材料由于其使用粉末冶金技术烧结而成,大大提高了产品的矫顽力,因此不容易退磁,其磁特性大大优于粘结型钕铁硼材料,但是由于其是一种脆性材料,加工精度差,生产成本高,当应用于新能源汽车的小型电机时,其性价比低于粘结型钕铁硼材料性价由于永磁体内存在涡流,使得硬磁体的磁滞回线受到温度的影响,且随着电机功率提高,永磁体的体积变大,加之转子散热差,该损耗会引起较高温升,在极端情况下可能会导致永磁体失磁,因而电机性能降低为解决这一问题,往往将永磁体结构由表贴式径向励磁改为内置式切向励磁,或者采用轴向分段结构的永磁体切割永磁体涡流的回路,为固定永磁体在转子端面安装挡片

结语

本文介绍了新能源汽车用永磁同步电机的研究现状,主要阐述了定子转子部分的金属材料几何构型以及绝缘部分在近年来所用的技术永磁同步电机在电机小型化方面已取得了一定的成果,且发现电机发热与定子转子材料绝缘材料以及电机转速的关系但由于不同电机的使用场景不同,导致发热的主要部件也不同,因此在不同新能源汽车使用的不同种永磁同步电机时,需要根据实际情况采用对应的金属材料与绝缘材料综上所述,在未来几年的纯电动乘用车市场上,永磁同步电机仍将占据主流,交流异步电机的配套将逐年萎缩随着电机技术的逐步成熟和成本下降,其在纯电动乘用车市场的配套量会有一定的增长总体上看,永磁同步电机在新能源汽车上的应用,主要包含以下几个方面:集成化——涵盖电力电子控制器的集成和机电耦合的集成;高效化——提高功率密度降低成本;智能化和数字化——与控制器配合不断提升驱动系统的性能,这些将是永磁同步电机在未来发展的重要方向

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