新能源电动汽车驱动电机的挑战和突破口

2021-07-13 19:01

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  新能源汽车对驱动电机的要求:在满足安全、可靠、耐久和动力性的前提下,以更高的能源效率驱动车辆,能源效率可以从如下两个方面去理解:一是电能转化成机械能的效率;二是自身的功率密度足够高,也就是功率尽量大,而重量和体积尽量小。

  目前国际高压平均下的功率密度能达到5-8千瓦/公斤,部分电机做到9-10千瓦/公斤升,国内只做到0.6-4千瓦/公斤。

  

  尽管国内由于目前汝铁硼供应充足而大规模应用同步电机,尽管永磁电机在低速时带来了性能优势,但不可忽视的是同步电机存在诸如高速时电流大、制造复杂成本高、存在齿槽转矩和空载反电势等问题。

  同步电机存在的问题:

  首先,由于其固有的反电动势,在故障条件下难以管理。即使变频器断开,只要电机旋转,电流就会持续流过绕组,从而导致齿槽转矩和过热,具体表现在拖车程中,即使断开电路,如果驱动轮在旋转,仍然有可能损坏电控部件,并且由于变频器停机,由于逆变器故障而产生的电流会导致退磁。高速下磁场的减弱会导致不受控的发电,并且逆变器的直流母线电压可能上升到危险的水平。

  

  第二,随着永磁电机速度的增加,反电动势接近逆变器电源电压,从而无法控制绕组电流。这限制了永磁电机的最高速度。

  第三,如果永磁电机损坏,修理它通常需要返回到工厂,因为安全地提取和处理转子是困难的。最后,报废时的回收也很麻烦,尽管当前稀土材料的高价值可能会使这种材料更具经济可行性。

  尽管存在这些缺点,永磁电机仍然在低速表现和效率方面保持无与伦比的地位,而且在尺寸和重量至关重要的情况下,它们都非常有用。

  尽管因为新能源电动汽车实际很少工作在高速工况,尽管目前来看还要用永磁电机,但特斯拉用异步电机的高速达到高功率密度仍不失为一个技术路径选择。

  

  电机高速化需要解决的问题:

  1、轴承问题

  从陶瓷滚珠或者滑动轴承微液润滑突破2万转,要用2-3年时间;磁悬浮轴承混合滚珠保护轴承突破3-5万转,要用3-4年时间;动压式铂片空气轴承突破4-10万转,需要4-5年。腾风集团开发临界转速电机达到15万转,用于电动汽车,额定功率16千瓦,散热条件理想的情况下峰值功率可以达到48千瓦。定子890g,转子495g,功率密度峰值可达到34.65千瓦/公斤。

  2、结构强度

  电机高速化后,除了轴承是需要考虑的主要难点外,结构强度方面的问题也比较突出。由于转子速度上升,转子的磁芯由于容易受到离心力作用膨胀炸裂,包覆磁芯轴套往往需要更高的强度,并且尽可能降低临界转速,需要采用大直径、刚度高的轴套,通常高速电机采用碳纤维制造转子套。

  

  3、热管理问题

  高速电机的直径小,怎么散热也是难点。更难解决的问题主要来自热管理。通常制约电机小型化的主要问题是散热问题。由于转子细小散热面积不够,冷却水通过的比表面积低,散热能力差,导线集肤效应来不及散热,产生热失控。控制器的频率控制不慎时,dv/dt难以控制导致的热失控,导线产生熔化。

  电机的耐高温能力是提升电机高速化、小型化、轻量化的前提。耐温更强,意味着峰值功率维持时间延长,间接地提高峰值功率密度,同时也对可靠性和寿命有明显地意义。

  

  提升电机耐温能力的措施:

  1、常规电机导线的包层以橡胶或树胶为主,耐温能力较差。可以用金属氧化陶瓷或者云母、玻璃纤维做高温导线,温度可以达到600-2000℃,电压可达3000V。

  2、使用居里温度更高的铁氧体磁性陶瓷做定子冲片材料。

  3、使用极化磁钢作为转子或者磁芯材料。

  4、使用开关磁阻类电机原理将整个转子用高温磁性陶瓷代替。

  5、转子可以自带压缩轮对冷却水进行强制冷却,再进入水道进行热循环,可以将冷却液更换为成更容易气化进行相变换热的介质。

  7、使用空心铝导线。

  

 

 

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