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2020年电机驱动技术展望-选择高磁阻路线

“百舸争流,优胜劣汰的新能源汽车市场,倒逼着所有参与者在技术、成本、市场等各方面展开激烈的生存竞争。电机技术加速迭代、加速淘汰的态势已显现。回顾2019我们看到高性能的扁线电机方兴,低成本少稀土技术渐露头角。顺着这个大趋势,展望2020,我们一起来盘点潜在技术热点。这期先聊“高磁阻技术路线” ”

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什么是高磁阻技术路线

什么是高磁阻技术路线?要从永磁同步电机的转矩构成说起。永磁同步电机的转矩由磁阻转矩永磁转矩两部分构成的。永磁转矩和永磁体相关的那部分转矩,磁阻转矩是和永磁无关的那部分转矩。如现在常见的Prius 单V结构 ,永磁转矩和磁阻转矩的大致比例在7:3到6:4之间,高磁阻路线就是追求磁阻转矩比例更高的技术路线。

我们把视野放大,根据磁阻转矩的比例高低制成一张“光谱”。在“光谱”的左端是“纯永磁转矩”,典型代表是“伺服应用的SPM电机”, 另一端是“纯磁阻转矩”典型代表是“ABB标准工业同步磁阻电机”。而在这两极之间还存在许多中间状态:比如磁阻转矩比例在50%以内Prius第三代和第四代的IPM电机。 而高磁阻路线,追求磁阻转矩比例超过50%,在光谱中有两种电机可选,除了纯同步磁阻电机SynRm(磁阻转矩100%)还有一种是永磁助磁同步磁阻电机PMa-SynRm。

用“连续光谱”来形容SPM、IPM、PMa-SynRm、SynRm这四类电机有一个隐喻:就是这四类电机具有内在同质性,他们的定子结构相同,控制硬件相同,控制算法类似。光谱上相邻的两类电机,它们之间只是磁阻比例的不同,没有上的区别。这种连续性给技术渐进发展带来了有利条件。此高磁阻技术路线,可以理解成在现有IPM电机路线上的继续发展,可以叫它“特殊的IPM”电机也可以叫“PMa-SynRm”。

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为什么要走高磁阻技术路线

走高磁阻技术路线的最大的动因,是能够降低成本。同样大小的转矩,磁阻转矩比例提高了,永磁转矩就减少,相应的永磁成本也降低了。如下图所示,高性能驱动电机的有效成本构成中,无论是圆线还是扁线,磁钢的占比都是最高的。因此用磁阻转矩去代偿永磁转矩是降低成本的有效措施。

从国外看,美国DOE制定的2025年电驱发展路线图中降成本的路径之一是:降低稀土磁钢用量。

走高磁阻技术路线的另外一个动因是降低反电动势,如上期文章所述,整车厂对反电动势要求愈发严格。反电动势要求控制的越低,控制器器件的耐击穿电压要求也越低,成本也越低。因此从系统角度而言,降低反电动势的动因也是追求低成本。

在上一期中我们已经论述了提高磁阻转矩能够有效降低反电动势的原因,文末有链接此处不再论述。简单的理解纯磁阻同步电机SynRm是没有空载反电动势的,而磁阻转矩比例略低的永磁助磁同步磁阻电机PMa-SynRm的反电动势也会较低,能够满足更低的反电动势要求。

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为什么是PMa-SynRm

走高磁阻路线是成本压力下的必然选择,具体的方案有PMa-SynRm和SynRm两种可选。根据国外的产品经验,SynRm暂时尚达不到性能要求。我们从两个案例来谈。

一个是欧洲联合开发的MotorBrain项目,这是一个先进电驱动系统项目,其中一个方向是采用纯同步磁阻电机路线。这是一个4极48槽300Nm的电机, 电机和控制高度集成。电机完成了从设计到测试的完整过程,数据表明其扭矩密度和功率密度和常规的IPM电机相比具有明显劣势。

MotorBrain的技术指标落后是因为采用了较传统的同步磁阻技术,另外一个先进同步磁阻电机项目是橡树林(ORNL)和GE合作的项目。采用双相硅钢材料作为转子冲片材料。改项目还在进行中,目前和先进IPM电机相比仍然存在效率和功率因数方面的差距。(详细见文末链接)

因为纯同步磁阻电机的上述不足,目前阶段选择PMa-SynRm更现实可行,从另外一个方面而言PMa-SynRm和IPM相比更接近,可以采用同样的控制算法就能实现,在技术上具备顺延特性

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PMa-SynRm上车的挑战

高磁阻的PMa-SynRm方案要想上车,必须满足车用驱动的特殊应用需求。因此我们的核心目标是:“从输出能力到安全性共七个方面和IPM作对比,以论证其是否具备性能和成本的可行性。

在案例分析对比之前,我们调研了目前常用的高磁阻方案的转子拓扑结构,PMa-SynRm是一种新型电机细分种类,目前能看到的拓扑结构大致如下图所示。这些结构都有一个共同点采用3层~4层的磁极,并在若干层中放置有永磁体以助磁

在这些方案中有三个经典案例值得学习:

其一是日本Osaka Prefecture大学提供的铁氧体助磁方案,但该方案面临磁钢局部退磁问题,且功率较小和车用驱动不匹配。其二是韩国Sungkyunkwan 大学提供的高磁阻方案,但它的缺点是输出转矩低于普通IPM,且有效扭矩密度仅有25.5Nm/L,远低于目前40~50m/L--普通车用圆线电机的水平。其三是美国GM公司正在开发的非稀土助磁方案,其扭矩密度和功率密度都达到车用电机水平,但高速时转矩和功率衰减过快,无法满足车辆高速行驶的要求。

在保证能降低成本的基础上,提供和普通永磁同步电机媲美的低速大载能力、防止高速功率快速衰减,并提高磁钢抗退磁能力,是目前高磁阻方案上车需要面临的三大挑战。为了应对这些挑战,本案采用了一系列技术策略:

一、采用非稀土磁钢,降低稀土磁钢比例,以降低永磁降低成本;

二、采用三层结构提高凸极比,从而提高磁阻转矩比例,降低成本;

三、采用基于遗传算法的多目标优化,以平衡转矩、高速功率、磁钢抗退磁能力、NVH等多方面的要求。

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案例分析:PMa-SynRm的设计过程

在具体实施上,对标的是120kw小型乘用车、物流车用IPM普通永磁同步电机,最大扭矩280Nm,最高转速14000rpm,如下图所示IPM电机采用V型转子拓扑结构,高磁阻方案采用三层转子结构拓扑。

三层结构拓扑的转子,转子参数变量超过43个,优化目标即要兼顾低速高转矩、又要防止高速功率过载,同时还要防止磁钢退磁和NVH故障。考虑工况组合,优化目标超过12个。像这类多变量、多目标的设计要求,我们称之为“复杂设计问题”。 传统的人工调整设计方法已远无法满足要求。因此我们采用“参数化转子结构+遗传算法多目标优化“来解决这类复杂设计问题。

在设置目标时,我们选取了最大转矩、空载、最高速度三个工况。其中最大转矩工况以最大转矩、转矩脉动、成本、温升时间、单位转矩铜耗作为优化目标,其实是即要监控扭矩输出能力和成本、还要监控温升和效率。防止出现高扭矩高损耗的不利情形;

空载工况的优化目标核心是"齿槽转矩"、"反电动势谐波畸变率"、"反电动势幅值"这是从三个不同的角度来约束电机的性能:“齿槽转矩”控制的是电机运行平顺度,“谐波畸变率”控制的是反电动势的正弦性,越正弦越易控制;“反电动势幅值”是主机厂要求,越低对控制控制器成本越有利。

高速工况的优化目标选择了“感应电压幅值”、“输出转矩”、“转矩脉动”、“谐波畸变率”作为优化目标,前两者和高速扭矩、功率输出能力有关、后两者和电机NVH相关。

此外我们还设置了“磁钢工作点”作为优化目标,以控制磁钢的抗退磁能力;

在优化变量设置上,我们选取了定子和转子两方面的参数。也可以定子不变,仅作转子优化,寻找转子局部最优解。反过来也一样可求取定子最优解。我们这里选择了全局变量优化的,以获得最佳的定转子组合解,这会增加算法寻优的难度和计算量。

优化的过程可以从下图的界面中加以监控。图中的每一个点都代表一个方案,我们发现当优化到了23代之后,转矩和成本的边界条件就已经初步呈现,这条线代表了优化到极限时:转矩和成本的对应的关系。进化60代后,可以看到转矩和成本呈现明显的线性关系,而成本低于1200元(原IPM电机的80%),扭矩大于280Nm的点集,就是符合我们要求的解集。

优化完成后,能够看到上千条解,我们施加了一系列限制条件,比如转矩必须>280Nm,转矩脉动必须<08%,来作多角度多方位的筛选。

最后发现满足成本、扭矩、反电动势、转矩脉动等各方面限制条件的解只有四个,我们通过综合评判,人工选择了最后一个方案。优化软件自动生成了下图所示的转子模型,这个解将用来和IPM电机PK。

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案例分析:PMa-SynRm和IPM的PK

我将算法进化出的Pma-SynRm方案命名为Design1,并和对标IPM作了各方面的对比。在效率Map图方面我们发现高磁阻方案和IPM相比效率分布区域基本相当,但效率>96%高效面积略低于IPM。而在高速区的效率高磁阻方案不需要深弱磁而效率高于IPM。

下表将IPM和高磁阻方案的关键参数作了对比,高磁阻方案在14000rpm的线反电动势幅值只有384V,较IPM下降了17%,仅仅是电池电压336V的1.14倍,达到了降反电动势的要求。

在保证同峰值扭矩和峰值功率的情况下,高磁阻方案叠高增加了5mm,比IPM略低4%,分别是49Nm/L,21Kw/L,比BMWi3的电机略高;

而在电磁材料成本方面下降更明显,达到22%,从1505元下降到1170元。

从成本模型中可以看出,IPM稀土磁钢成本占了非常大的比例,达到56%。而在高磁阻方案中,稀土磁钢成本占到了30%,非稀土磁钢成本占到了10%,两者合计仅到40%,磁钢成本总体下降。这也意味着我们在高磁阻方案中同时采用的稀土和铁氧体两种磁材

磁阻转矩比例高低是实现低成本和低电压的关键,下图显示了高磁阻方案磁阻转矩比例达到了61%,永磁转矩只占小头39%,而原IPM方案其实磁阻转矩比例并不低,达到了49%。也就是说原IPM电机是一个较高水平的对标对象。

车用驱动电机非常重视宽转速范围内的输出能力。 对比转矩和功率曲线,本案高磁阻方案基本和对标IPM基本,在低速区域高磁阻方案多出8Nm,而14000rpm高转速点,峰值功率下降10%,只有90kw,下降比例在可控范围内。需要注意的是,这类高磁阻转矩的电机峰值功率极易快速衰减,在优化时,需要给与高速输出能力目标以更多的权重。

详细对比关键工作点的性能,我们会发现更多的信息:

首先高磁阻方案的转矩脉动小于IPM方案,在低速、额定、峰值功率点转矩脉动都小于3.5%,这并不是高磁阻方案的先天优势,而是我们在作多目标优化时,对转矩脉动作了严格的控制,倾斜了更多的计算比重。其次高磁阻方案的功率因数较低,如额定点高磁阻方案的功率因数只有0.79,而IPM方案达到了0.9,低功率因数是这类电机的先天短板,在本案中低功率因数并没有影响最大转矩时的电流,是因为最大转矩时电压未用满。而没有恶化高速时的电流,是因为高速时IPM需要很强的弱磁电流,功率因数也较低,两相比较未凸显缺点。最后我们也发现高磁阻方案的一个缺陷,高速时磁钢的涡流损耗较大,90kw@14000rpm时磁钢损耗达到了178w,因此高磁阻方案需要将磁钢细分的更小,并将高速磁钢损耗作为优化目标。

最后一个关键问题是磁钢退磁问题,我们的方案用到了铁氧体磁材,这是一种即低廉又特殊的磁性材料。

在高温时剩磁会下降,但内禀矫顽力却能提高,因此其高温拐点会变低,跌出第二象限。但高温会导致电流变大,因此需要控制 高温时磁钢的工作点高于0点。

在低温时,铁氧体的磁性能会增强,但内禀矫顽力会变小,这个时候拐点较高,因此其退磁曲线有很大一部分是弯曲的。我们选择的铁氧体低温-40℃的拐点是0.08Telsa。因需要控制在低温时磁钢工作点高于0.08Telsa。

下面两图是我们通过磁钢形状和其周围结构形状微调,来提升磁钢高、低温工作点的效果。从我们的实践来看,磁钢的宽厚比、磁钢槽漏磁旁路设计对最低工作点影响较大,需要在优化设计时作为关键优化变量。

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总结

最后我们对高磁阻电机“PMa-SynRm”方案作个总结:

它能够有效降低成本,达到20%以上;它能够降低反电动势,达到17%以上,以满足主机厂需求;它在转矩脉动、齿槽转矩方面没有明显劣势,能够满足NVH要求;它的输出能力和调速范围可以做到和普通永磁同步电机相当;最高效率和高效区域和IPM基本在同一水平;磁钢的安全性可以通过优化设计来解决;它的转矩密度和功率密度比IPM略低4% ;

因此它基本达到了上车应用的条件,将是一个具备竞争力的解决方案,下一步我们将高磁阻电机和扁线技术形成技术策略组合,以提高扭矩密度和效率,达到既降低成本又提高性能的效果。

新冠疫情仍在肆虐,2020开局即难,竞争将更加残酷。降低成本、提高性能将比以往任何时候都迫切。我们发现高磁阻技术路线,能够有效降低成本并不影响性能,是一条可以持续增进竞争力的路子,我们也愿意以开放的态度,拥抱合作,将电机做的更好、更有竞争力