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新能源电驱系统中的电机

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2023.02

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驱动电机技术作为新能源汽车关键的“三电”技术之一,将逐步向轻量化、高功率和高能效方向发展。在当前电池技术无法取得重大突破的背景下,提高驱动电机的效率、功率密度、安全性与可靠性,成为新能源汽车驱动系统的重要研究方向,而扁线电机凭借高功率密度、高效率的优势将成为新能源汽车驱动电机未来的主流技术方向。

驱动电机的分类

电机按照工作原理,可分为直流电机和交流电机,直流电机分为有刷直流电机和无刷直流电机,交流电机分为同步电机、异步电机和开关磁阻电机,同步电机又分为永磁同步电机和电励磁同步电机。

工业电机与车用电机的区别

工业电机只在1~2个额定点运行,固定转速、固定功率、固定环境。电动汽车在行驶过程中,频繁地启动/停车、加速/减速等,对于车用电机,运行工况复杂的多,这就要求电机的性能更高。在全转速扭矩范围内功率、扭矩、退磁、振动、散热、绝缘需要满足各种不同运行区域要求,给电机的设计和制造带来极大挑战;车用电机要追求更高的功率密度、转矩密度,因此对于尺寸、体积和重量的要求更高;车用电机对安全性能要求极高,电机的设计和制造要考虑退磁、应力校核、机械强度、防护等级、绝缘等级等因素;另外,电机的输出性能与运行工况和电气边界条件相关程度高、较难明确定义,系统输入限制严格,对应不同电压和电流条件下,电机的性能要求也完全不同。

驱动电机的典型技术特点

新能源汽车驱动电机应用领域中90%是永磁同步电机,因其效率高、结构简单、体积小、重量轻等特点,具有明显优势。永磁同步电机和异步电机的区别:在低转速区,异步电机高效区面积相对于永磁同步电机更小,而且更偏向于高速区;永磁同步电机功率密度高,异步电机价格低,但是异步机的体积更大,作为后驱电机在国内应用比较少。

新能源电驱系统中的电机

图1. 永磁同步电机与异步电机的高效区

不同冷却方式,风冷、水冷和油冷。油冷电机的持续性能高于水冷,水冷高于风冷。特别是对于高压高速电机,油冷的优势表现会更加明显。

新能源电驱系统中的电机

图2. 不同冷却方式电机

不同绕组形式,分布式绕组和集中式绕组。分布式绕组主要特点是分布比较长,线包会叠在一起,而且跨距通常会跨6个槽,导致端部更长,空间占用也偏大,但它散热比较好,绕组性能比较高。集中式绕组优缺点刚好相反,集中式绕组通常适合做比较扁的电机,适用于P1、P2这种拓扑结构。对于端部尺寸要求不高的应用,通常采用分布式绕组方式。

新能源电驱系统中的电机

图3. 不同绕组形式

驱动电机的设计优化过程

驱动电机的设计优化过程可以分为四层。第一层是物理变量,铁芯尺寸、材料铜线线径、磁钢尺寸,第二层变量是中间变量,具体指在电机设计过程中的核心变量,比如磁通、电负荷、热负荷、漏磁、磁密等。第三层为应用层,客户要求电机达到哪些指标,如效率、功率、扭矩等等。达到了客户要求后,还要保证电机的安全性和可靠性,即第四层——安全层。要做瞬态电流、模态分析、NVH、强度分析等等,最后所有变量满足要求,设计才会冻结。如果一个变量不满足需求,就要反复循环迭代。电磁仿真、机械仿真、热仿真、联合仿真,每个模块都是相互独立且紧密联系的。

对于汽车行业来讲,电机的成本与性能、成本与效率、峰值性能与持续性能、峰值转矩与峰值功率等参数之间都是此消彼长的关系,需要相互平衡,设计优化的过程在于取舍。

针对新能源乘用车应用领域,靠谱买球开户的开发与制造以永磁同步电机为主,几乎覆盖国内主流的需求。从135平台到235平台的规划,分别对应于低压、高压、风冷、水冷和油冷,目前都有开发。过去两年靠谱买球开户对扁线电机的加码研发,取得较快发展,目前的扁线电机可以给客户提供具有国际竞争力的电驱解决方案。