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2020年電機(jī)驅(qū)動技術(shù)展望-選擇高磁阻路線

“百舸爭流,優(yōu)勝劣汰的新能源汽車市場,倒逼著所有參與者在技術(shù)、成本、市場等各方面展開激烈的生存競爭。電機(jī)技術(shù)加速迭代、加速淘汰的態(tài)勢已顯現(xiàn)。回顧2019我們看到高性能的扁線電機(jī)方興,低成本少稀土技術(shù)漸露頭角。順著這個大趨勢,展望2020,我們一起來盤點潛在技術(shù)熱點。這期先聊“高磁阻技術(shù)路線” ”

01

什么是高磁阻技術(shù)路線

什么是高磁阻技術(shù)路線?要從永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩構(gòu)成說起。永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩由磁阻轉(zhuǎn)矩永磁轉(zhuǎn)矩兩部分構(gòu)成的。永磁轉(zhuǎn)矩和永磁體相關(guān)的那部分轉(zhuǎn)矩,磁阻轉(zhuǎn)矩是和永磁無關(guān)的那部分轉(zhuǎn)矩。如現(xiàn)在常見的Prius 單V結(jié)構(gòu) ,永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩的大致比例在7:3到6:4之間,高磁阻路線就是追求磁阻轉(zhuǎn)矩比例更高的技術(shù)路線。

我們把視野放大,根據(jù)磁阻轉(zhuǎn)矩的比例高低制成一張“光譜”。在“光譜”的左端是“純永磁轉(zhuǎn)矩”,典型代表是“伺服應(yīng)用的SPM電機(jī)”, 另一端是“純磁阻轉(zhuǎn)矩”典型代表是“ABB標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)同步磁阻電機(jī)”。而在這兩極之間還存在許多中間狀態(tài):比如磁阻轉(zhuǎn)矩比例在50%以內(nèi)Prius第三代和第四代的IPM電機(jī)。 而高磁阻路線,追求磁阻轉(zhuǎn)矩比例超過50%,在光譜中有兩種電機(jī)可選,除了純同步磁阻電機(jī)SynRm(磁阻轉(zhuǎn)矩100%)還有一種是永磁助磁同步磁阻電機(jī)PMa-SynRm。

用“連續(xù)光譜”來形容SPM、IPM、PMa-SynRm、SynRm這四類電機(jī)有一個隱喻:就是這四類電機(jī)具有內(nèi)在同質(zhì)性,他們的定子結(jié)構(gòu)相同,控制硬件相同,控制算法類似。光譜上相鄰的兩類電機(jī),它們之間只是磁阻比例的不同,沒有質(zhì)上的區(qū)別。這種連續(xù)性給技術(shù)漸進(jìn)發(fā)展帶來了有利條件。此高磁阻技術(shù)路線,可以理解成在現(xiàn)有IPM電機(jī)路線上的繼續(xù)發(fā)展,可以叫它“特殊的IPM”電機(jī)也可以叫“PMa-SynRm”。

02

為什么要走高磁阻技術(shù)路線

走高磁阻技術(shù)路線的最大的動因,是能夠降低成本。同樣大小的轉(zhuǎn)矩,磁阻轉(zhuǎn)矩比例提高了,永磁轉(zhuǎn)矩就減少,相應(yīng)的永磁成本也降低了。如下圖所示,高性能驅(qū)動電機(jī)的有效成本構(gòu)成中,無論是圓線還是扁線,磁鋼的占比都是最高的。因此用磁阻轉(zhuǎn)矩去代償永磁轉(zhuǎn)矩是降低成本的有效措施。

從國外看,美國DOE制定的2025年電驅(qū)發(fā)展路線圖中降成本的路徑之一是:降低稀土磁鋼用量。

走高磁阻技術(shù)路線的另外一個動因是降低反電動勢,如上期文章所述,整車廠對反電動勢要求愈發(fā)嚴(yán)格。反電動勢要求控制的越低,控制器器件的耐擊穿電壓要求也越低,成本也越低。因此從系統(tǒng)角度而言,降低反電動勢的動因也是追求低成本。

在上一期中我們已經(jīng)論述了提高磁阻轉(zhuǎn)矩能夠有效降低反電動勢的原因,文末有鏈接此處不再論述。簡單的理解純磁阻同步電機(jī)SynRm是沒有空載反電動勢的,而磁阻轉(zhuǎn)矩比例略低的永磁助磁同步磁阻電機(jī)PMa-SynRm的反電動勢也會較低,能夠滿足更低的反電動勢要求。

03

為什么是PMa-SynRm

走高磁阻路線是成本壓力下的必然選擇,具體的方案有PMa-SynRm和SynRm兩種可選。根據(jù)國外的產(chǎn)品經(jīng)驗,SynRm暫時尚達(dá)不到性能要求。我們從兩個案例來談。

一個是歐洲聯(lián)合開發(fā)的MotorBrain項目,這是一個先進(jìn)電驅(qū)動系統(tǒng)項目,其中一個方向是采用純同步磁阻電機(jī)路線。這是一個4極48槽300Nm的電機(jī), 電機(jī)和控制高度集成。電機(jī)完成了從設(shè)計到測試的完整過程,數(shù)據(jù)表明其扭矩密度和功率密度和常規(guī)的IPM電機(jī)相比具有明顯劣勢。

MotorBrain的技術(shù)指標(biāo)落后是因為采用了較傳統(tǒng)的同步磁阻技術(shù),另外一個先進(jìn)同步磁阻電機(jī)項目是橡樹林(ORNL)和GE合作的項目。采用雙相硅鋼材料作為轉(zhuǎn)子沖片材料。改項目還在進(jìn)行中,目前和先進(jìn)IPM電機(jī)相比仍然存在效率和功率因數(shù)方面的差距。(詳細(xì)見文末鏈接)

因為純同步磁阻電機(jī)的上述不足,目前階段選擇PMa-SynRm更現(xiàn)實可行,從另外一個方面而言PMa-SynRm和IPM相比更接近,可以采用同樣的控制算法就能實現(xiàn),在技術(shù)上具備順延特性

04

PMa-SynRm上車的挑戰(zhàn)

高磁阻的PMa-SynRm方案要想上車,必須滿足車用驅(qū)動的特殊應(yīng)用需求。因此我們的核心目標(biāo)是:“從輸出能力到安全性共七個方面和IPM作對比,以論證其是否具備性能和成本的可行性。

在案例分析對比之前,我們調(diào)研了目前常用的高磁阻方案的轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),PMa-SynRm是一種新型電機(jī)細(xì)分種類,目前能看到的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大致如下圖所示。這些結(jié)構(gòu)都有一個共同點采用3層~4層的磁極,并在若干層中放置有永磁體以助磁

在這些方案中有三個經(jīng)典案例值得學(xué)習(xí):

其一是日本Osaka Prefecture大學(xué)提供的鐵氧體助磁方案,但該方案面臨磁鋼局部退磁問題,且功率較小和車用驅(qū)動不匹配。其二是韓國Sungkyunkwan 大學(xué)提供的高磁阻方案,但它的缺點是輸出轉(zhuǎn)矩低于普通IPM,且有效扭矩密度僅有25.5Nm/L,遠(yuǎn)低于目前40~50m/L--普通車用圓線電機(jī)的水平。其三是美國GM公司正在開發(fā)的非稀土助磁方案,其扭矩密度和功率密度都達(dá)到車用電機(jī)水平,但高速時轉(zhuǎn)矩和功率衰減過快,無法滿足車輛高速行駛的要求。

在保證能降低成本的基礎(chǔ)上,提供和普通永磁同步電機(jī)媲美的低速大載能力、防止高速功率快速衰減,并提高磁鋼抗退磁能力,是目前高磁阻方案上車需要面臨的三大挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn),本案采用了一系列技術(shù)策略:

一、采用非稀土磁鋼,降低稀土磁鋼比例,以降低永磁降低成本;

二、采用三層結(jié)構(gòu)提高凸極比,從而提高磁阻轉(zhuǎn)矩比例,降低成本;

三、采用基于遺傳算法的多目標(biāo)優(yōu)化,以平衡轉(zhuǎn)矩、高速功率、磁鋼抗退磁能力、NVH等多方面的要求。

05

案例分析:PMa-SynRm的設(shè)計過程

在具體實施上,對標(biāo)的是120kw小型乘用車、物流車用IPM普通永磁同步電機(jī),最大扭矩280Nm,最高轉(zhuǎn)速14000rpm,如下圖所示IPM電機(jī)采用V型轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),高磁阻方案采用三層轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)拓?fù)洹?/p>

三層結(jié)構(gòu)拓?fù)涞霓D(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)子參數(shù)變量超過43個,優(yōu)化目標(biāo)即要兼顧低速高轉(zhuǎn)矩、又要防止高速功率過載,同時還要防止磁鋼退磁和NVH故障。考慮工況組合,優(yōu)化目標(biāo)超過12個。像這類多變量、多目標(biāo)的設(shè)計要求,我們稱之為“復(fù)雜設(shè)計問題”。 傳統(tǒng)的人工調(diào)整設(shè)計方法已遠(yuǎn)無法滿足要求。因此我們采用“參數(shù)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)+遺傳算法多目標(biāo)優(yōu)化“來解決這類復(fù)雜設(shè)計問題。

在設(shè)置目標(biāo)時,我們選取了最大轉(zhuǎn)矩、空載、最高速度三個工況。其中最大轉(zhuǎn)矩工況以最大轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩脈動、成本、溫升時間、單位轉(zhuǎn)矩銅耗作為優(yōu)化目標(biāo),其實是即要監(jiān)控扭矩輸出能力和成本、還要監(jiān)控溫升和效率。防止出現(xiàn)高扭矩高損耗的不利情形;

空載工況的優(yōu)化目標(biāo)核心是"齒槽轉(zhuǎn)矩"、"反電動勢諧波畸變率"、"反電動勢幅值"這是從三個不同的角度來約束電機(jī)的性能:“齒槽轉(zhuǎn)矩”控制的是電機(jī)運(yùn)行平順度,“諧波畸變率”控制的是反電動勢的正弦性,越正弦越易控制;“反電動勢幅值”是主機(jī)廠要求,越低對控制控制器成本越有利。

高速工況的優(yōu)化目標(biāo)選擇了“感應(yīng)電壓幅值”、“輸出轉(zhuǎn)矩”、“轉(zhuǎn)矩脈動”、“諧波畸變率”作為優(yōu)化目標(biāo),前兩者和高速扭矩、功率輸出能力有關(guān)、后兩者和電機(jī)NVH相關(guān)。

此外我們還設(shè)置了“磁鋼工作點”作為優(yōu)化目標(biāo),以控制磁鋼的抗退磁能力;

在優(yōu)化變量設(shè)置上,我們選取了定子和轉(zhuǎn)子兩方面的參數(shù)。也可以定子不變,僅作轉(zhuǎn)子優(yōu)化,尋找轉(zhuǎn)子局部最優(yōu)解。反過來也一樣可求取定子最優(yōu)解。我們這里選擇了全局變量優(yōu)化的,以獲得最佳的定轉(zhuǎn)子組合解,這會增加算法尋優(yōu)的難度和計算量。

優(yōu)化的過程可以從下圖的界面中加以監(jiān)控。圖中的每一個點都代表一個方案,我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)優(yōu)化到了23代之后,轉(zhuǎn)矩和成本的邊界條件就已經(jīng)初步呈現(xiàn),這條線代表了優(yōu)化到極限時:轉(zhuǎn)矩和成本的對應(yīng)的關(guān)系。進(jìn)化60代后,可以看到轉(zhuǎn)矩和成本呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系,而成本低于1200元(原IPM電機(jī)的80%),扭矩大于280Nm的點集,就是符合我們要求的解集。

優(yōu)化完成后,能夠看到上千條解,我們施加了一系列限制條件,比如轉(zhuǎn)矩必須>280Nm,轉(zhuǎn)矩脈動必須<08%,來作多角度多方位的篩選。

最后發(fā)現(xiàn)滿足成本、扭矩、反電動勢、轉(zhuǎn)矩脈動等各方面限制條件的解只有四個,我們通過綜合評判,人工選擇了最后一個方案。優(yōu)化軟件自動生成了下圖所示的轉(zhuǎn)子模型,這個解將用來和IPM電機(jī)PK。

06

案例分析:PMa-SynRm和IPM的PK

我將算法進(jìn)化出的Pma-SynRm方案命名為Design1,并和對標(biāo)IPM作了各方面的對比。在效率Map圖方面我們發(fā)現(xiàn)高磁阻方案和IPM相比效率分布區(qū)域基本相當(dāng),但效率>96%高效面積略低于IPM。而在高速區(qū)的效率高磁阻方案不需要深弱磁而效率高于IPM。

下表將IPM和高磁阻方案的關(guān)鍵參數(shù)作了對比,高磁阻方案在14000rpm的線反電動勢幅值只有384V,較IPM下降了17%,僅僅是電池電壓336V的1.14倍,達(dá)到了降反電動勢的要求。

在保證同峰值扭矩和峰值功率的情況下,高磁阻方案疊高增加了5mm,比IPM略低4%,分別是49Nm/L,21Kw/L,比BMWi3的電機(jī)略高;

而在電磁材料成本方面下降更明顯,達(dá)到22%,從1505元下降到1170元。

從成本模型中可以看出,IPM稀土磁鋼成本占了非常大的比例,達(dá)到56%。而在高磁阻方案中,稀土磁鋼成本占到了30%,非稀土磁鋼成本占到了10%,兩者合計僅到40%,磁鋼成本總體下降。這也意味著我們在高磁阻方案中同時采用的稀土和鐵氧體兩種磁材

磁阻轉(zhuǎn)矩比例高低是實現(xiàn)低成本和低電壓的關(guān)鍵,下圖顯示了高磁阻方案磁阻轉(zhuǎn)矩比例達(dá)到了61%,永磁轉(zhuǎn)矩只占小頭39%,而原IPM方案其實磁阻轉(zhuǎn)矩比例并不低,達(dá)到了49%。也就是說原IPM電機(jī)是一個較高水平的對標(biāo)對象。

車用驅(qū)動電機(jī)非常重視寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的輸出能力。 對比轉(zhuǎn)矩和功率曲線,本案高磁阻方案基本和對標(biāo)IPM基本,在低速區(qū)域高磁阻方案多出8Nm,而14000rpm高轉(zhuǎn)速點,峰值功率下降10%,只有90kw,下降比例在可控范圍內(nèi)。需要注意的是,這類高磁阻轉(zhuǎn)矩的電機(jī)峰值功率極易快速衰減,在優(yōu)化時,需要給與高速輸出能力目標(biāo)以更多的權(quán)重。

詳細(xì)對比關(guān)鍵工作點的性能,我們會發(fā)現(xiàn)更多的信息:

首先高磁阻方案的轉(zhuǎn)矩脈動小于IPM方案,在低速、額定、峰值功率點轉(zhuǎn)矩脈動都小于3.5%,這并不是高磁阻方案的先天優(yōu)勢,而是我們在作多目標(biāo)優(yōu)化時,對轉(zhuǎn)矩脈動作了嚴(yán)格的控制,傾斜了更多的計算比重。其次高磁阻方案的功率因數(shù)較低,如額定點高磁阻方案的功率因數(shù)只有0.79,而IPM方案達(dá)到了0.9,低功率因數(shù)是這類電機(jī)的先天短板,在本案中低功率因數(shù)并沒有影響最大轉(zhuǎn)矩時的電流,是因為最大轉(zhuǎn)矩時電壓未用滿。而沒有惡化高速時的電流,是因為高速時IPM需要很強(qiáng)的弱磁電流,功率因數(shù)也較低,兩相比較未凸顯缺點。最后我們也發(fā)現(xiàn)高磁阻方案的一個缺陷,高速時磁鋼的渦流損耗較大,90kw@14000rpm時磁鋼損耗達(dá)到了178w,因此高磁阻方案需要將磁鋼細(xì)分的更小,并將高速磁鋼損耗作為優(yōu)化目標(biāo)。

最后一個關(guān)鍵問題是磁鋼退磁問題,我們的方案用到了鐵氧體磁材,這是一種即低廉又特殊的磁性材料。

在高溫時剩磁會下降,但內(nèi)稟矯頑力卻能提高,因此其高溫拐點會變低,跌出第二象限。但高溫會導(dǎo)致電流變大,因此需要控制 高溫時磁鋼的工作點高于0點。

在低溫時,鐵氧體的磁性能會增強(qiáng),但內(nèi)稟矯頑力會變小,這個時候拐點較高,因此其退磁曲線有很大一部分是彎曲的。我們選擇的鐵氧體低溫-40℃的拐點是0.08Telsa。因需要控制在低溫時磁鋼工作點高于0.08Telsa。

下面兩圖是我們通過磁鋼形狀和其周圍結(jié)構(gòu)形狀微調(diào),來提升磁鋼高、低溫工作點的效果。從我們的實踐來看,磁鋼的寬厚比、磁鋼槽漏磁旁路設(shè)計對最低工作點影響較大,需要在優(yōu)化設(shè)計時作為關(guān)鍵優(yōu)化變量。

07

總結(jié)

最后我們對高磁阻電機(jī)“PMa-SynRm”方案作個總結(jié):

它能夠有效降低成本,達(dá)到20%以上;它能夠降低反電動勢,達(dá)到17%以上,以滿足主機(jī)廠需求;它在轉(zhuǎn)矩脈動、齒槽轉(zhuǎn)矩方面沒有明顯劣勢,能夠滿足NVH要求;它的輸出能力和調(diào)速范圍可以做到和普通永磁同步電機(jī)相當(dāng);最高效率和高效區(qū)域和IPM基本在同一水平;磁鋼的安全性可以通過優(yōu)化設(shè)計來解決;它的轉(zhuǎn)矩密度和功率密度比IPM略低4% ;

因此它基本達(dá)到了上車應(yīng)用的條件,將是一個具備競爭力的解決方案,下一步我們將高磁阻電機(jī)和扁線技術(shù)形成技術(shù)策略組合,以提高扭矩密度和效率,達(dá)到既降低成本又提高性能的效果。

新冠疫情仍在肆虐,2020開局即難,競爭將更加殘酷。降低成本、提高性能將比以往任何時候都迫切。我們發(fā)現(xiàn)高磁阻技術(shù)路線,能夠有效降低成本并不影響性能,是一條可以持續(xù)增進(jìn)競爭力的路子,我們也愿意以開放的態(tài)度,擁抱合作,將電機(jī)做的更好、更有競爭力


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