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新能源汽车驱动电机的技术发展路线

  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。在我国新能源汽车产业发展过程中,驱动电机技术的工程化与产业化问题一直是各大研究机构和众多企业关心的重点。

  清华大学电机系柴建云教授就新能源汽车驱动电机的技术发展路线,特别是永磁同步电机和笼型异步电机等主流技术各自的应用优势等问题进行了深入的解答。

  尽管早期的车辆驱动电机多采用有刷直流电机,但受到机械换向性能的制约,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。在新能源汽车的发展历史中,永磁无刷直流电机和开关磁阻电机等非正弦波电机也曾一度受到广泛的关注,但随着数字控制和高频开关技术的兴起,正弦波交流电机的性能优势突显,迅速占据了主流地位。

  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。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,满足新能源汽车驱动的需求。反之,表面贴永磁转子同步电机仅适合于恒功转速范围较窄的场合,在新能源汽车驱动中应用较少。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。

  笼型异步电机也是新能源汽车驱动系统的优先选择之一。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;且弱磁方便,具有很宽的恒功运行范围。新能源汽车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。

  另外,功率因数也是电机的关键指标之一。较高的功率因数即可提高电机本体的运行效率,也可减小电机对逆变器电流的需求。异步电机的功率因数与极对数有关。极对数越多,则功率因数越低。因此,新能源汽车驱动异步电机的极对数不宜过多。

  对于新能源汽车而言,现有大多数驱动电机系统的功率密度仍然偏低,限制了整车动力性能的进一步提高。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一条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6、7千转/分提升至接近2万转/分,其有效材料最多可以节省70%,而驱动系统的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远超过现有的低速电机系统。

  因此,我认为随着紧凑型减速电机驱动系统技术路线逐步被接受,与之配套的高速电机在未来新能源汽车市场中将会占据明显的优势。

  问在目前国内的新能源汽车市场上,永磁同步电机占据了压倒性优势。您认为在未来的新能源汽车市场上,异步电机作为驱动电机有可能重获发展机遇吗?

  目前永磁同步电机在新能源汽车市场上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6、7千转/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1.8-2.0万转/分的交流电机,则极对数最多只能取到2。如前所述,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,我认为在未来的新能源汽车动力总成技术发展中,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。

  清华大学电机工程与应用电子技术系教授,电力电子与电机系统研究所所长,新能源发电、特种电机与电力传动等学科方向带头人,清华大学高端装备研究院动力传动研究所所长。

  主要研究方向:电机电磁场、电机设计与控制、科学可视化等理论以及新能源发电、特种电机和电力电子与电磁传动等技术。

  主要科研项目:大型变速恒频风力发电机组研制和电动汽车先进电驱动系统研制等。

  2025年在全球新能源汽车市场中的比例将接近50%,2030年将达到39%

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