电动汽车用永磁电机的 前沿技术探讨 唐 任 远 国家稀土永磁电机工程技术研究中心

1 引言 2 提高效率的前沿技术探讨 3 提高功率密度的前沿技术探讨 4 降低成本的前沿技术探讨 5 多物理耦合的精确仿真与集成优化设计

1 引言 1.1 电动汽车对驱动电机提出了苛刻要求 1）高功率密度和高转矩密度 起动、低速爬坡时要求大转矩， 高速巡航时要求大功率。

1.1 电动汽车对驱动电机提出了苛刻要求 1831年世界上第一台电机（永磁直流电机） 1.5匹马力重4吨，0.0003kW/kg 1879年世界上第一台电动车用电机（电励磁直流电机） 2.2kW重2吨，0.0011kw/kg 1889年三相感应电动机 3.7kW、1500r/min，重155kg，0.024kW/kg, Y系列三相感应电动机（IP44） 4.0kW 4极 重45kg 0.089kW/kg 45kW 2极 重322kg 0.14kW/kg 按峰值功率加倍计 0.28kW/kg 电动汽车“十一五”要求： ≥1.2kW/kg “十二五“要求： ≥2.7kW/kg

1.1电动汽车对驱动电机提出了苛刻要求 2）高效 最高＞94% 高效区宽，特别是在低转矩运行时（轻载） （η ＞ 80%）＞75%

1.1电动汽车对驱动电机提出了苛刻要求 3）低成本 乘用车≤200元/kW 商用车≤300元/kW 其它要求： 高可靠性、宽调速范围、 低振动噪声……等。

1 引言 1.2 永磁电机的优缺点 电 机 磁 场 效率低 靠电流 产生 可靠性低 功率因数低 高效、高功率因数 稀土永磁 结构简单、运行可靠 体积小、高功率密度 形状和尺寸灵活多样 反应快，动态性能好 稀土永磁 产生

必须把永磁电机的优点发挥到极限。 目前世界上销量最大的几种电动汽车都用永磁同步电机系统 1.2 永磁电机的优缺点 优点：高效 高功率密度 1.2 永磁电机的优缺点 优点：高效 高功率密度 缺点：磁场调节困难，恒功率运行（弱磁扩速）范围窄 成本高、钕铁硼永磁材料贵 目前世界上销量最大的几种电动汽车都用永磁同步电机系统 必须把永磁电机的优点发挥到极限。

1 引言 2 提高效率的前沿技术探讨 3 提高功率密度的前沿技术探讨 4 降低成本的前沿技术探讨 5 多物理耦合的精确仿真与集成优化设计

2 提高效率的前沿技术探讨 2.1 采用分数槽集中绕组 4极12槽 4极24槽 4极6槽 4极6槽 a）重叠、分布绕组 b）重叠、集中绕组 c)非重叠、单齿绕 d）非重叠、隔齿绕

2.1 采用分数槽集中绕组 优点：1）绕组端部短 铜耗小、效率高； 2）自感大，特别是隔齿绕电机 弱磁性能好，短路电流小； 3）齿槽转矩小，不需要斜槽； 4）每相绕组在电磁、热、机械上隔离； 相间互感小，容错能力强。 缺点：1）转子涡流损耗大，温升高。永磁体需要分段 2）噪声和振动相对比较大

2 提高效率的前沿技术探讨 片厚0.025mm 2.2 采用非晶合金替代硅钢片 基本铁耗是硅钢片的1/3~1/5 但加工困难，价格较贵，饱和磁密低。

2 提高效率的前沿技术探讨 2.3 通过IGBT开关切换电动机线圈 缺点：接线增加、布线复杂。 一套绕组很难同时满足低速和高速运行时高性能的要求 根据电动机的转速来切换电动机流经电流的线圈，使电动机一直保持 90%以上的效率 低速时使用整个线圈，高速时使用半个线圈并联，使高速时无需弱磁。 缺点：接线增加、布线复杂。

1 引言 2 提高效率的前沿技术探讨 3 提高功率密度的前沿技术探讨 4 降低成本的前沿技术探讨 5 多物理耦合的精确仿真与集成优化设计

3 提高功率密度的前沿技术探讨 3.1 冷却系统合理设计 高功率密度意味着单位体积的发热量大，温升高。 因此： 1）提高效率，减少发热量。 2）合理设计冷却系统，提高散热能力。 分数槽集中绕组用得少的原因之一就是温升高。

3.1 冷却系统的合理设计 1）传统的自然风冷不再适用 2）开启式少用 3）特殊的强迫风冷方式 4）国内基本上采用定子水冷。 国外一般采用定子水冷、转子油冷。

3.1 冷却系统的合理设计 冷却方式的合理设计-风冷 特 殊 的 强 迫 风 冷 方 式

3.1 冷却系统的合理设计 水套结构 水路截面积形状

3 提高功率密度的研究动向 3.2 选用高性能材料 1）高电导率导线（银铜合金） 2）低损耗硅钢片 非晶合金 3）高热导率材料作机壳

3 提高功率密度的研究动向 3.3 新型结构、设计优化和先进工艺 盘式永磁电机结构 转矩密度高 定子可无槽，齿槽转矩小 制造费用高 电抗小，恒功率范围窄 盘式永磁电机结构

1 引言 2 提高效率的前沿技术探讨 3 提高功率密度的前沿技术探讨 4 降低成本的前沿技术探讨 5 多物理耦合的精确仿真与集成优化设计

IPM有着非常好的特点，其中的电磁转矩除了磁场与电流作用产生的之外还有磁阻转矩。 4 降低成本的前沿技术探讨 4.1 利用磁阻转矩 IPM有着非常好的特点，其中的电磁转矩除了磁场与电流作用产生的之外还有磁阻转矩。

4.1 利用磁阻转矩 同步磁阻电机 无永磁 利用磁阻转矩 转矩密度低 效率低、功率因数低 永磁助磁同步磁阻电机 内置式电机技术 采用铁氧体永磁或少量的稀土永磁，提高功率密度，效率，功率因数，但低于传统钕铁硼内置式电机约75%

4.1 利用磁阻转矩 磁阻转矩显著增加 增加调速范围 层数太多加工困难，通常2-3层。 缺点：结构较复杂，制造费用高

4.1 利用磁阻转矩 磁场分布 V型计算模型

4.1 利用磁阻转矩 磁场分布 V一型计算模型

开关磁链电机的转矩密度明显地高于双凸极电机、磁链切换电机 4 降低成本的前沿技术探讨 4.2 发展新型电机 永磁在定子上 凸极定子、非重叠集中绕组 凸极转子无绕组、无永磁 磁阻运行原理 双凸极 磁链切换 开关磁链电机 开关磁链电机的转矩密度明显地高于双凸极电机、磁链切换电机

4.2 发展新型电机 开关磁链电机 缺点： 1.槽面积减小 2.饱和导致过载能力差 优点： 1.转子结构简单、牢靠 3.定子结构复杂 4.定子外部漏磁 5.永磁用量大 优点： 1.转子结构简单、牢靠 2.永磁温升易于控制 3.拥有聚磁效应、可以采用低成本铁氧体永磁 4.反电动势正弦-适合无刷交流运行

4.2 发展新型电机 开关磁链电机 减小永磁用量 永磁减半但转矩增加 传统结构 多齿结构 E型铁心 C型铁心

4.2 发展新型电机 混合励磁电机 样机的定转子图

4.2 发展新型电机 混合励磁电机 缺点：需要直流电流， 优点：少用永磁材料、 降低功率密度 降低成本 增加铜耗，降低效率 弱磁性能好 轴 电枢绕组 叠片铁心 SMC铁心 励磁绕组 缺点：需要直流电流， 降低功率密度 增加铜耗，降低效率 优点：少用永磁材料、 降低成本 弱磁性能好

4.2 发展新型电机 磁齿轮永磁电机 结合永磁齿轮与永磁电机 与电机有相同的安装尺寸 零磨损并且不需要润滑 固有过载保护能力、无堵转

1 引言 2 提高效率的前沿技术探讨 3 提高功率密度的前沿技术探讨 4 降低成本的前沿技术探讨 5 多物理耦合的精确仿真与集成优化设计

5 多物理耦合的精确仿真与集成优化设计 5.1多物理场耦合的精确仿真分析 车用永磁电机追求高功率密度、高效率、高可靠性、高动态响应和低速平稳性、低振动噪声、低成本，需求苛刻又相互制约； 电机的电磁负荷高，结构新颖而又多样，增加了设计分析、仿真计算和研究开发的复杂性。

5 多物理耦合的精确仿真与集成优化设计 5.1多物理场耦合的精确仿真分析 相互影响 电机内存在着多种不同类型的多场耦合系统 涉及到电磁、机械、电子、流体、热学等多个学科 相互影响 运用和发展多场耦合系统，进行精确仿真。弄清各种场的分布规律及其控制技术。在此基础上对各种参数进行综合分析比较和优化。

5 多物理耦合的精确仿真与集成优化设计 5.2 系统集成、优化设计 电动汽车永磁电机驱动系统是一个复杂系统，既要将电机与变频器进行系统集成设计，完善电流波形，扩展弱磁扩速比；又要将电机与发动机、变速器在机械上进行系统集成设计，减少整体重量；还要不断创新，采用新技术、新材料、新工艺，电机的性能发挥至极限，以满足电动汽车对电机的苛刻要求，也推动电机学科向更高水平发展。

以上内容正在探讨中，等待大家自主创新。

谢谢！