方正电机陈静:扁线电机——新能源汽车驱动电机技术发展

NE时代

阅读 2314   更新于 2021-06-28 08:32:59

我来自方正电机。我今天分享的题目是扁线电机:新能源汽车驱动电机技术发展。大家之前听说过很多电机,直流电机、感应电机等等,电机分为直流机和交流机,直流分为有刷和无刷,交流电机分为同步电机和异步电机和开关磁组电机。现在90%的应用场景应该都是永磁同步电机,效率比较高、结构简单、体积小。

工业电机和车用电机有哪些区别?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。对于车用电机来讲,运行工况复杂的多。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,所以给电机的设计和制造带来了较大的挑战。车用电机对于尺寸和体积要求相对工业电机要高很多,所以要追求功率密度、转矩密度。另外,对应不同电压和电流条件下,电机的性能要求也是完全不同的。

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。

不同冷却方式分为,风冷、水冷和油冷。我对比了低压低速电机和高压高速电机的不同冷却方式的持续性能,可以明显看到,油冷电机的持续性能高于水冷,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一些。

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,这样会导致端部更长,空间占用也会偏大,但是它的好处是散热比较好,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是那么高的应用,通常我们会采用分布式绕组这样的方案。

接下来看一下电机怎么优化出来的。电机优化的过程可以分为四层。第一层是物理变量,铁芯尺寸、材料铜线线径、磁钢尺寸,第二层变量就是中间变量,就是在电机设计的时候需要的一些核心变量,比如像磁通、电负荷、热负荷、漏磁、磁密等。第三层为应用层,客户或者主机厂要求电机达到哪些指标,如效率、功率、扭矩等等。达到了客户要求以后,还要保证电机的安全性和可靠性,也就是第四层——安全层。我们要做瞬态电流、模态分析、NVH、强度分析等等,最后所有变量满足要求,才会设计冻结。如果一个变量不符合客户需求,就要做反复地循环迭代。电磁仿真、机械仿真、热仿真、联合仿真,每块都是相互独立并且紧密联系的。

对于汽车行业来讲,成本和性能有一个此消彼涨的关系。举一个例子,如果铁芯不变,磁钢牌号越高,性能就越高,成本也越高。

成本与效率的平衡。关于电机持续性能,以槽满率40%、44%、48%为例,槽满率越高,持续转矩就会越高,当然槽满率越高下线难度增大、生产成本增加。对于整车来讲,硅钢片越薄,对整车效率提高越有帮助,但是成本也会越高。

峰值性能与持续性能的平衡,峰值越高通常持续性能越低。举一个例子,比如槽面积,槽面积越大峰值性能越低,但是持续性能会变好。磁钢用量增加,在低速区有利于持续性能的提升,但是在高速区是相反的。

接下来是电机峰值功率和扭矩之间的平衡,匝数越高,低速区峰值功率越高,高速区的峰值功率越低。星型接法扭矩大,三角形是高速区广、功率大。

看一下方正平台产品是怎样规划的。对于乘用车来讲,方正几乎覆盖国内主流的需求。135平台到235平台是我们目前乘用车的规划,分别对应于低压、高压、风冷、水冷和油冷,目前都有开发。

下面分享一下扁线电机。扁线电机有哪些优势?槽满率高、散热能力强,有更强的功率和扭矩能力。扁线在槽内空间利用最大,空间占用相对于圆线小很多,因为它的导体是规则的。槽满率升高,升高了之后会导致温升降低,电阻降低。由于槽满率增加,如果用相同的铜,槽面积就小,给转子留出的空间就越大。

我们对比了扁线和圆线的交流电阻和效率map,我挑了一款电机做定性的分析。在14000转以下,扁线电机的效率高于圆线电机,但是一万五千转以上,交流电阻大,效率就降下来,由于转速分界点不一样,但是有这样一个结论,扁线电机相对于圆线电机在低速下效率是有优势的,更适合于中国城市的路况。因为扁线电机导体截面积比较大,交流效应比较大。另外,扁线电机一个弱势是很难做平台化,圆线电机很容易通过调整匝数来做平台化,但是扁线电机基本上绕组不能调,如果调了整套设备就报废了,目前平台化策略就是改转子。

接下来介绍一下方正的扁线产品。有一个基本特点,“三高”:性能高,峰值性能350Nm/170kw,持续性能150NM/65KW;第二高效,最高效率可以做到97.5%,实测97.6%,我们采用的是磁钢分端粘接,Y型连接,四路并联;第三高可靠性,采用一体式汇流环设计,全自动激光焊接。

目前方正定转子线可以满足15万每年的产能,现在已经落地,并且已经施工了。

小结一下:

第一,新能源驱动电机的需求指标比工业电机更加复杂,要求更高,对于功率、扭矩,以及可靠性的要求更严格。

第二,永磁同步电机的平台优化设计,需要结合客户需求和公司技术特点进行多目标、综合、平衡优化。

第三,扁线电机由于自身特点,中低速效率高,更适合于中国城市路况。

第四,方正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。

最后,期待与行业同仁一起为电驱行业添砖加瓦,谢谢大家!

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