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高效电机在新能源汽车上的应用, 你知道特斯拉电动跑车上用的是?

摘要:在我国14年被称为新能源汽车的元年,这两年新能源汽车产业发展突飞猛进,每年的新能源汽车市场销售总量都是成倍增长;伴随着市场的对新能源汽车的认识和接受,关于新能源汽车的技术也是创新不断。

从事新能源汽车行业的人都知道新能源汽车的核心技术是3大电,即电池及其能源管理,电机电控,整车控制,本文就谈谈高效电机在新能源汽车上的应用。


  目前在新能源商用车,乘用车,专用车上用的驱动电机有三相异步感应电机,三相永磁同步电机,开关磁阻电机;异步电机在欧美新能源汽车上用的很多,比较典型的是TESLA 跑车用的铸铜转子异步电机。永磁同步电机具有控制算法成熟,效果好的优点,日系和中国的新能源汽车永磁同步电机用的比较多。开关磁阻电机因为自身固有的噪音和震动问题目前在新能源汽车上用的不多。各种电机的性能比较如下表。
2.异步电机目前在新能源汽车上还在应用,但是铸铝转子的异步电机逐渐被铸铜转子或永磁电机取代;铸铜转子是以铜为导电基质的新型电动机转子,利用铜优异的导电性能和导热性能,来降低转子损耗,提高电动机效率。与传统铝转子电动机相比,铸铜转子电动机有以下优势:提高效率,降低温升,较少体积,减轻重量,降低电机成本。通过合理的设计,优化电机结构,铸铜异步电机在新能源汽车上会有很大的应用!


  国内的新能源汽车厂家也在尝试着将铸铜转子的高效异步电机用在新能源汽车上;比如物流专用车上用的18KW异步电机,为了提高电机效率,减少损耗,降低发热,用新的铸铜转子电机在推广使用。电机图片如下:

3.目前在中国新能源汽车上无论是纯电动EV,还是混动HEV汽车,主要应用的永磁同步电机。而且是以内嵌式永磁电机(IPM)为主,主要是利用IPM永磁同步电机的磁阻转矩提高转矩密度和功率密度。永磁磁阻同步电机的优势:功率密度大,电机体积小,电机材料省,效率高可增加电池的续航里程,还有是这种电机在控制上可以弱磁控制,调速范围宽,对电机的逆变器功率要求低。再加上我国拥有丰富的稀土资源和较低的成本优势,很适合新能源电动汽车上应用。

  一般纯电动汽车的动力系统由电机和电机控制器组成,如下图
  永磁同步电机常用的磁路设计如下图,外面灰色的是定子矽钢片;红色和蓝色的是稀土磁钢,插入转子矽钢片的槽里面。定子电枢结构根据电机设计,分为集中式绕组和分布式绕组。在一些新能源汽车上对空间和轴向安装空间要求高的场合采用集中式绕组的电机,但是电机的散热要求会高一些。对电机控制性能高一点的电机可采用分布式绕组的定子,但是电机的轴向尺寸会长一些。
  新能源汽车对电机的要求,除了高转矩密度,宽的调速范围外,高效是很关键的一项指标。一般根据汽车的常用工况,要求电机在这个转速和转矩下能高效运行,将电机的工作点设计在这个区间。下图是电机的效率云图。

  由于新能源汽车对电机要求,在基速以上能有好的弱磁控制能力,以提高汽车的高速巡航能力。在电机设计上要求凸极率要高,增加弱磁能力和提高磁阻转矩分量。下图是一款应用在乘用车上电机,在不同的电流控制角下的TN曲线,可以看出在基速以上,随着速度的增加,相应的增加电流控制角,可以使输出转矩提高。
 总结:目前新能源汽车作为国家的主推的新产业,发展是如火如荼;进入这个行业的公司很多想掌握核心技术。作为新能源汽车动力系统核心部件的高效电机也将随着行业的发展,在材料,结构,工艺上做很大的研究和突破。以实现用户对新能源汽车的经济性,耐久性的要求!

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