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2020年電機驅動技術展望-選擇高磁阻路線

“百舸爭流,優勝劣汰的新能源汽車市場,倒逼著所有參與者在技術、成本、市場等各方面展開激烈的生存競爭。電機技術加速迭代、加速淘汰的態勢已顯現?;仡?019我們看到高性能的扁線電機方興,低成本少稀土技術漸露頭角。順著這個大趨勢,展望2020,我們一起來盤點潛在技術熱點。這期先聊“高磁阻技術路線” ”

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什么是高磁阻技術路線

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

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

用“連續光譜”來形容SPM、IPM、PMa-SynRm、SynRm這四類電機有一個隱喻:就是這四類電機具有內在同質性,他們的定子結構相同,控制硬件相同,控制算法類似。光譜上相鄰的兩類電機,它們之間只是磁阻比例的不同,沒有上的區別。這種連續性給技術漸進發展帶來了有利條件。此高磁阻技術路線,可以理解成在現有IPM電機路線上的繼續發展,可以叫它“特殊的IPM”電機也可以叫“PMa-SynRm”。

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為什么要走高磁阻技術路線

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

從國外看,美國DOE制定的2025年電驅發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嚴格。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論述了提高磁阻轉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SynRm是沒有空載反電動勢的,而磁阻轉矩比例略低的永磁助磁同步磁阻電機PMa-SynRm的反電動勢也會較低,能夠滿足更低的反電動勢要求。

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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。根據國外的產品經驗,SynRm暫時尚達不到性能要求。我們從兩個案例來談。

一個是歐洲聯合開發的MotorBrain項目,這是一個先進電驅動系統項目,其中一個方向是采用純同步磁阻電機路線。這是一個4極48槽300Nm的電機, 電機和控制高度集成。電機完成了從設計到測試的完整過程,數據表明其扭矩密度和功率密度和常規的IPM電機相比具有明顯劣勢。

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

因為純同步磁阻電機的上述不足,目前階段選擇PMa-SynRm更現實可行,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,在技術上具備順延特性

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PMa-SynRm上車的挑戰

高磁阻的PMa-SynRm方案要想上車,必須滿足車用驅動的特殊應用需求。因此我們的核心目標是:“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,我們調研了目前常用的高磁阻方案的轉子拓撲結構,PMa-SynRm是一種新型電機細分種類,目前能看到的拓撲結構大致如下圖所示。這些結構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典案例值得學習:

其一是日本Osaka Prefecture大學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動不匹配。其二是韓國Sungkyunkwan 大學提供的高磁阻方案,但它的缺點是輸出轉矩低于普通IPM,且有效扭矩密度僅有25.5Nm/L,遠低于目前40~50m/L--普通車用圓線電機的水平。其三是美國GM公司正在開發的非稀土助磁方案,其扭矩密度和功率密度都達到車用電機水平,但高速時轉矩和功率衰減過快,無法滿足車輛高速行駛的要求。

在保證能降低成本的基礎上,提供和普通永磁同步電機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。為了應對這些挑戰,本案采用了一系列技術策略:

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、采用三層結構提高凸極比,從而提高磁阻轉矩比例,降低成本;

三、采用基于遺傳算法的多目標優化,以平衡轉矩、高速功率、磁鋼抗退磁能力、NVH等多方面的要求。

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案例分析:PMa-SynRm的設計過程

在具體實施上,對標的是120kw小型乘用車、物流車用IPM普通永磁同步電機,最大扭矩280Nm,最高轉速14000rpm,如下圖所示IPM電機采用V型轉子拓撲結構,高磁阻方案采用三層轉子結構拓撲。

三層結構拓撲的轉子,轉子參數變量超過43個,優化目標即要兼顧低速高轉矩、又要防止高速功率過載,同時還要防止磁鋼退磁和NVH故障??紤]工況組合,優化目標超過12個。像這類多變量、多目標的設計要求,我們稱之為“復雜設計問題”。 傳統的人工調整設計方法已遠無法滿足要求。因此我們采用“參數化轉子結構+遺傳算法多目標優化“來解決這類復雜設計問題。

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

空載工況的優化目標核心是"齒槽轉矩"、"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的性能:“齒槽轉矩”控制的是電機運行平順度,“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”是主機廠要求,越低對控制控制器成本越有利。

高速工況的優化目標選擇了“感應電壓幅值”、“輸出轉矩”、“轉矩脈動”、“諧波畸變率”作為優化目標,前兩者和高速扭矩、功率輸出能力有關、后兩者和電機NVH相關。

此外我們還設置了“磁鋼工作點”作為優化目標,以控制磁鋼的抗退磁能力;

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

優化的過程可以從下圖的界面中加以監控。圖中的每一個點都代表一個方案,我們發現當優化到了23代之后,轉矩和成本的邊界條件就已經初步呈現,這條線代表了優化到極限時:轉矩和成本的對應的關系。進化60代后,可以看到轉矩和成本呈現明顯的線性關系,而成本低于1200元(原IPM電機的80%),扭矩大于280Nm的點集,就是符合我們要求的解集。

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

最后發現滿足成本、扭矩、反電動勢、轉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。優化軟件自動生成了下圖所示的轉子模型,這個解將用來和IPM電機PK。

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案例分析:PMa-SynRm和IPM的PK

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

下表將IPM和高磁阻方案的關鍵參數作了對比,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的電機略高;

而在電磁材料成本方面下降更明顯,達到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。

磁阻轉矩比例高低是實現低成本和低電壓的關鍵,下圖顯示了高磁阻方案磁阻轉矩比例達到了61%,永磁轉矩只占小頭39%,而原IPM方案其實磁阻轉矩比例并不低,達到了49%。也就是說原IPM電機是一個較高水平的對標對象。

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

詳細對比關鍵工作點的性能,我們會發現更多的信息:

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

最后一個關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,但內稟矯頑力會變小,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構形狀微調,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、磁鋼槽漏磁旁路設計對最低工作點影響較大,需要在優化設計時作為關鍵優化變量。

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總結

最后我們對高磁阻電機“PMa-SynRm”方案作個總結:

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

因此它基本達到了上車應用的條件,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和扁線技術形成技術策略組合,以提高扭矩密度和效率,達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。我們發現高磁阻技術路線,能夠有效降低成本并不影響性能,是一條可以持續增進競爭力的路子,我們也愿意以開放的態度,擁抱合作,將電機做的更好、更有競爭力。


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