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新能源汽車驅(qū)動電機的技術(shù)發(fā)展路線
2022-06-19

驅(qū)動電機作為新能源汽車三大核心部件之一，其驅(qū)動特性對整車性能有決定性的影響。在我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中，驅(qū)動電機技術(shù)的工程化與產(chǎn)業(yè)化問題一直是各大研究機構(gòu)和眾多企業(yè)關(guān)心的重點。 清華大學(xué)電機系柴建云教授就新能源汽車驅(qū)動電機的技術(shù)發(fā)展路線，特別是永磁同步電機和籠型異步電機等主流技術(shù)各自的應(yīng)用優(yōu)勢等問題進行了深入的解答。 問新能源汽車對驅(qū)動電機有什么特殊要求？ 問新能源汽車驅(qū)動電機的主要類型和目前的應(yīng)用情況如何？ 盡管早期的車輛驅(qū)動電機多采用有刷直流電機，但受到機械換向性能的制約，其功率密度和電磁兼容性難以滿足新能源汽車驅(qū)動系統(tǒng)的要求，現(xiàn)已被變頻調(diào)速交流電機取代。目前新能源汽車驅(qū)動電機主要有永磁同步和籠型異步兩種類型。在新能源汽車的發(fā)展歷史中，永磁無刷直流電機和開關(guān)磁阻電機等非正弦波電機也曾一度受到廣泛的關(guān)注，但隨著數(shù)字控制和高頻開關(guān)技術(shù)的興起，正弦波交流電機的性能優(yōu)勢突顯，迅速占據(jù)了主流地位。 永磁同步電機由于具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、功率密度高且運行效率高，特別是在低速區(qū)輸出轉(zhuǎn)矩大等特點，成為新能源汽車驅(qū)動電機的首選。永磁同步電機的轉(zhuǎn)子分為表面貼永磁和內(nèi)置永磁兩種基本結(jié)構(gòu)。與表面貼永磁不同的是，內(nèi)置永磁轉(zhuǎn)子表現(xiàn)出明顯的磁凸極特征，使同步電機中不但存在永磁轉(zhuǎn)矩，還附加了磁阻轉(zhuǎn)矩。 因此，內(nèi)置永磁轉(zhuǎn)子同步電機也被稱為永磁磁阻電機。永磁磁阻電機通過合理的設(shè)計和控制，可以兼顧低速大轉(zhuǎn)矩和高速寬恒功的要求，滿足新能源汽車驅(qū)動的需求。反之，表面貼永磁轉(zhuǎn)子同步電機僅適合于恒功轉(zhuǎn)速范圍較窄的場合，在新能源汽車驅(qū)動中應(yīng)用較少。需要指出的是，永磁同步電機中適當(dāng)增加極對數(shù)有助于提高電機的帶載能力。 籠型異步電機也是新能源汽車驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)先選擇之一。其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單可靠，材料與制造成本較低。低速區(qū)輸出轉(zhuǎn)矩較大；且弱磁方便，具有很寬的恒功運行范圍。新能源汽車驅(qū)動異步電機的轉(zhuǎn)子一般使用銅質(zhì)鼠籠，以減小轉(zhuǎn)子繞組的電阻，提高電機的運行效率。采用鑄銅工藝制造的轉(zhuǎn)子，其電磁性能穩(wěn)定，而且轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)更加牢靠，非常適合于高速運行。 另外，功率因數(shù)也是電機的關(guān)鍵指標之一。較高的功率因數(shù)即可提高電機本體的運行效率，也可減小電機對逆變器電流的需求。異步電機的功率因數(shù)與極對數(shù)有關(guān)。極對數(shù)越多，則功率因數(shù)越低。因此，新能源汽車驅(qū)動異步電機的極對數(shù)不宜過多。 問您認為未來哪種類型的驅(qū)動電機會占優(yōu)勢？ 對于新能源汽車而言，現(xiàn)有大多數(shù)驅(qū)動電機系統(tǒng)的功率密度仍然偏低，限制了整車動力性能的進一步提高。未來的新能源汽車要求大幅度提高其驅(qū)動系統(tǒng)的功率密度，為配置更加強勁的動力騰出空間。從動力總成的角度看，把高速電機與行星減速器集成為一體的緊湊型減速電機驅(qū)動系統(tǒng)將是一條合理可行的解決之道。 通過引入高性能行星減速器，將電機的最高運行轉(zhuǎn)速從6、7千轉(zhuǎn)/分提升至接近2萬轉(zhuǎn)/分，其有效材料最多可以節(jié)省70％，而驅(qū)動系統(tǒng)的運行效率仍可維持在較高的水平。即使以高速電機加行星減速器總質(zhì)量計，緊湊型減速電機驅(qū)動系統(tǒng)的功率密度也遠遠超過現(xiàn)有的低速電機系統(tǒng)。 因此，我認為隨著緊湊型減速電機驅(qū)動系統(tǒng)技術(shù)路線逐步被接受，與之配套的高速電機在未來新能源汽車市場中將會占據(jù)明顯的優(yōu)勢。 問在目前國內(nèi)的新能源汽車市場上，永磁同步電機占據(jù)了壓倒性優(yōu)勢。您認為在未來的新能源汽車市場上，異步電機作為驅(qū)動電機有可能重獲發(fā)展機遇嗎？ 目前永磁同步電機在新能源汽車市場上占據(jù)壓倒性優(yōu)勢的狀況顯然與當(dāng)前采用的低速電機技術(shù)路線有關(guān)。受到電力電子器件開關(guān)頻率和鐵心高頻損耗的限制，對于最高轉(zhuǎn)速處于6、7千轉(zhuǎn)/分的交流電機，極對數(shù)最多可取到4或5；而對于最高轉(zhuǎn)速處于1.8－2.0萬轉(zhuǎn)/分的交流電機，則極對數(shù)最多只能取到2。如前所述，在較少極對數(shù)的情況下，永磁電機在轉(zhuǎn)矩密度和功率因數(shù)等性能上相對于異步電機的領(lǐng)先優(yōu)勢趨于減小。 反之，永磁電機調(diào)磁與滅磁能力比異步電機相對不足，造成的恒功運行范圍較窄、可能發(fā)生局部失磁以及故障保護困難等問題突顯。因此，我認為在未來的新能源汽車動力總成技術(shù)發(fā)展中，由高速電機加行星減速器組成的緊湊型減速電機驅(qū)動系統(tǒng)將成為主流方向。而在其中鑄銅轉(zhuǎn)子高速異步電機將會獲得新的發(fā)展機遇。 柴建云 清華大學(xué)電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系教授，電力電子與電機系統(tǒng)研究所所長，新能源發(fā)電、特種電機與電力傳動等學(xué)科方向帶頭人，清華大學(xué)高端裝備研究院動力傳動研究所所長。 主要研究方向：電機電磁場、電機設(shè)計與控制、科學(xué)可視化等理論以及新能源發(fā)電、特種電機和電力電子與電磁傳動等技術(shù)。 主要科研項目：大型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組研制和電動汽車先進電驅(qū)動系統(tǒng)研制等。

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