高速异步电机在新能源汽车领域面临发展机遇
浏览:600次    类型:电动化    来源:    作者:柴建云    2018-12-31 12:55

驱动电机作为新能源汽车三大核心部件之一,其驱动特性对整车性能有决定性的影响,其工程化与产业化问题一直是行业关注的焦点。

对驱动电机的特殊要求

与普通电机相比,新能源汽车中驱动电机系统的运行条件和技术要求较为特殊,主要有以下几点。

1. 低速大转矩和高速宽恒功。由于取消了变速箱,为保证其加速和爬坡性能,要求驱动电机在低速时输出大转矩;而高速巡航时则应具有较宽的恒功率输出调速范围。

2. 高功率密度和高转矩密度。为满足整车安装空间和重量限制,要求驱动电机尽可能轻量化和小型化。

3.高运行效率。为获得较长续驶里程,要求驱动电机不但在额定工况具有较高的运行效率,而且在转速-转矩负载平面上的高效率运行区域面积应尽可能大。

4.高控制精度和快动态响应。为保证车辆驾驶的灵敏性,要求转矩控制的动态响应速度较快。

5.高可靠性、安全性与舒适性。电机驱动系统应具有比地面电机系统更高的可靠性和安全性,特别是电力电子器件等可靠性相对薄弱的功率变换电路须采用冗余设计;距离人员较近的300V~600V高压电气系统,必须符合相关车辆电气控制的安全性能标准和规定;此外,对于振动和噪声性能指标也有严格限制。

主要类型和目前的应用情况

尽管早期车辆驱动电机多采用有刷直流电机,但受机械换向性能制约,其功率密度和电磁兼容性难以满足新能源汽车驱动系统的要求,现已被变频调速交流电机取代。目前新能源汽车驱动电机主要有永磁同步和笼型异步两种类型。

永磁同步电机由于具有结构紧凑、质量轻、功率密度高且运行效率高,特别是在低速区输出转矩大等特点,成为新能源汽车驱动电机的首选。永磁同步电机的转子分为表面贴永磁和内置永磁两种基本结构。与表面贴永磁不同的是,内置永磁转子表现出明显的磁凸极特征,使同步电机中不但存在永磁转矩,还附加了磁阻转矩。

因此,内置永磁转子同步电机也被称为永磁磁阻电机,通过合理的设计和控制,可以兼顾低速大转矩和高速宽恒功的要求。需要指出的是,永磁同步电机中适当增加极对数有助于提高电机的带载能力。

笼型异步电机同样是优先选择之一。其转子结构简单可靠,材料与制造成本较低;低速区输出转矩较大;弱磁方便,具有很宽的恒功运行范围。驱动异步电机的转子一般使用铜质鼠笼,以减小转子绕组的电阻,提高电机的运行效率。采用铸铜工艺制造的转子,其电磁性能稳定,而且转子结构更加牢靠,非常适合于高速运行。

未来驱动电机的类型

未来的新能源汽车要求大幅度提高其驱动系统的功率密度,为配置更加强劲的动力腾出空间。从动力总成的角度看,把高速电机与行星减速器集成为一体的紧凑型减速电机驱动系统将是合理可行的解决之道。

通过引入高性能行星减速器,将电机的最高运行转速从6000转/分~7000转/分提升至接近20000转/分,其有效材料最多可以节省70%,而运行效率仍可维持在较高的水平,即使以高速电机加行星减速器总质量计,紧凑型减速电机驱动系统的功率密度也远超现有的低速电机系统。因此,与之配套的高速电机在未来将占据明显优势。

异步电机仍有发展机遇

目前永磁同步电机占据压倒性优势的状况显然与当前采用的低速电机技术路线有关。受到电力电子器件开关频率和铁心高频损耗的限制,对于最高转速处于6000转/分~7000转/分的交流电机,极对数最多可取到4或5;而对于最高转速处于18000转/分~20000转/分的交流电机,极对数最多只能取到2。在较少极对数的情况下,永磁电机在转矩密度和功率因数等性能上相对于异步电机的领先优势趋于减小。

反之,永磁电机调磁与灭磁能力比异步电机相对不足,造成的恒功运行范围较窄、可能发生局部失磁以及故障保护困难等问题突显。因此,未来由高速电机加行星减速器组成的紧凑型减速电机驱动系统将成为主流方向,而在其中铸铜转子高速异步电机将会获得新的发展机遇。