新能源汽车新型电机的设计及弱磁控制_新能源汽车新型电机的设计及弱磁控制 pdf

新能源汽车新型电机的设计及弱磁控制_新能源汽车新型电机的设计及弱磁控制 pdf

       大家好，今天我想和大家分享一下我对“新能源汽车新型电机的设计及弱磁控制”的理解。为了让大家更深入地了解这个问题，我将相关资料进行了整理，现在就让我们一起来探讨吧。

1.电动汽车电机的发展趋势

2.HET电动机极大地提高了功率、扭矩和效率，减轻了重量和复杂性

3.为啥高速电机要用弱磁控制？

4.新能源汽车开关磁阻驱动电机系统和三相异步驱动电机系统有什么特点？

电动汽车电机的发展趋势

       电机驱动系统

       从20世纪80年代开关磁阻电机驱动系统问世后，打破了传统的电机设计理论和正弦波电压源供电方式；并随着磁阻电机，永磁电机、电力电子技术和计算机技术的发展，交流电机驱动系统设计进入一个新的黄金时代；新的电机拓朴结构与控制方式层出不究，推出了新一代机电一体化电机驱动系统迅猛发展。高密度、高效率、轻量化、低成本、宽调速牵引电机驱动系统已成为各国研究和开发的主要热点之一。

       SRD开关磁阻电机驱动系统的主要特点是电机结构紧凑牢固，适合于高速运行，并且驱动电路简单成本低、性能可靠，在宽广的转速范围内效率都比较高，而且可以方便地实现四象限控制。这些特点使SRD开关磁阻电机驱动系统很适合电动车辆的各种工况下运行，是电动车辆中极具有潜力的机种。SRD的最大特点是转矩脉动大、噪声大；此外，相对永磁电机而言，功率密度和效率偏低；另一个缺点是要使用位置传感器增加了结构复杂性、降低了可靠性。因此无传感器的SRD也是未来的发展趋势之一。

       永磁式开关磁阻电机也称为双凸极永磁电机，永磁式开关磁阻电机可采用圆柱形径向磁场结构、盘式轴向磁场结构和环形横向磁场结构。该电机在磁阻转矩的基础上迭加了永磁转矩，永磁转矩的存在有助于提高电机的功率密度和减小转矩脉动，以利于它在电动车辆驱动系统中应用。

       转子磁极分割型混合励磁结构同步电机这一概念一提出就引起国际电工界和各大汽车公司研发中心的极大关注。转子磁极分割型混合励磁结构同步电机具有磁场控制能力，类似直流电机的低速助磁控制和高速弱磁控制，符合电动车辆牵引电机低速大力矩和恒功率宽调速的需求。该电机的研究处于探索阶段，电机的机理和设计理论有待于进一步深入研究与完善，作为电动车辆牵引电机具有较强的潜在的竞争优势。

       此外，正在研发的热点课题还有：

       具有磁场控制能力的永磁同步电机驱动系统；

       车轮电机驱动系统；

       动力传动一体化部件（电机、减速齿轮、传动轴）；

       双馈电异步电机驱动系统和双馈电永磁同步电机驱动系统。

       电子伺服系统

       1993年美国能源部、商务部、贸易部、国防部、环保局、宇航局、国家科学基金会七个政府部门下美国三个最大的汽车制造公司，克莱斯勒、福特和通用，建立了新一代车辆伙伴关系（PNGV，Partnership for a New Generation of Vehicles），目标是开发新一代机动车技术，以增强美国汽车工业的实力。1998年至2002年期间，美国国家自然科学基金（NSF）资助美国国家电力电子中心（由美国Virginia和美国Wisconsin等四所大学组建）研发车辆电子动力驱动系统、电子伺服控制系统和各种车辆专用IC模块，提高汽车电子电气部件的可靠性，降低其成本和抢占车辆电气自动化技术的制高点，增强在国际市场的竞争力。线控的汽车电子伺服系统（X－by－wire）在未来将是十分重要的技术，该技术可将各种独立的系统（如转向、制动、悬挂等）集成到一起由计算机调控，使汽车的操纵性、安全性以及汽车的总体结构大大改善，设计的灵活度也大大增加。电子动力方向盘和线控刹车已经在一些欧洲车型上被采用，在这个系统中已经削减了相当多的机械部件，如液压泵等。汽车电子伺服技术是具有革命性的技术，随着这个技术的使用，许多传统的机械部件将会在未来的汽车上消失，而越来越多的车用伺服电机将出现在未来的汽车上。

HET电动机极大地提高了功率、扭矩和效率，减轻了重量和复杂性

        新能源电动汽车用电机及其控制器技术条件

1 范围

        本标准规定了电动 汽车 用驱动电机及其控制器通用技术条件。

        本标准适用于电动 汽车 （EV）和混合动力 汽车 （HEV）用的驱动电机及其控制器。

2 引用标准

        下列标准所包含的条文，通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。本标准出版时，所示版本均为有效。所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。

        GB 755-200 旋转电机定额和性能

        GB/T 2423.17-1993 电工电子产品基本环境试验规程试验Ka：盐雾试验方法

        GB/T 4772.1-1999 旋转电机尺寸和输出功率等级 第1部分：机座号56 400和凸缘号55 1080

        GB/T 4942.1-1985 电机外壳防护分级

        GB/T 4942.2-1993 低压电器外壳防护等级

        GB 10068.2-2000 轴中心高为56 mm及以上电机的机械振动—振动的测量、评定及限值

        GB 10069.3-1988 旋转电机噪声测定方法及限值噪声限值

        GB/T 12665-1990 电机在一般环境条件下使用的湿热试验要求

        GB/T 12668-1990 交流电动机半导体变频调速装置总技术条件

        GB 14023-2000 车辆、机动船和由火花点火发动机驱动的装置的无线电骚扰特性的限值和测量方法

        GB 1471l-1993 中小型旋转电机安全通用要求

        GB/T 17619-1998 机动车电子电器组件的电磁辐射抗扰性限值测量方法

        GB/T 18488.2-2001 电动 汽车 用电机及其控制器试验方法

        GB/T 2900.25-1994 电工术语 旋转电机

        GB/T 2900.26-1995 电工术语 控制电机

        GB/T 2900.33-1993 电工术语 电力电子技术

3 定义

        本标准除采用GB/T 2900.25、GB/T 2900.26、GB/T 2900.33中的定义外，还增加了下列定义。

        3.1 电机控制器 controllers of the electrical machine

        控制主牵引电源与电机之间能量传输的装置、它是由外界控制信号接口电路、电机控制电路和驱动电路组成的。

        3.2 电机及控制器整体效率 overall efficiency of the electrical machine and controllers

        电机转轴的输出功率和控制器的输入功率之比。

        4 工作制和定额

        4.1 工作制

        4.1.1 连续工作制

        电机及控制器在恒定负载下运行至热稳定状态。

        4.1.2 短时过载的周期工作制

        电机及控制器在额定负载下运行时，允许施加周期性过载，过载的倍数及每次过载持续时间、间隔时间以及整个运行时间应在产品标准中规定。

        4.1.3 ISO城市工况及市郊工况

        具体要求制定参照附录B。电动车KD,新能源商用车出口,纯电动SKD,国产电动卡车KD,电动车出口

        4.2 定额

        4.2.1 电机的功率等级

        电机的功率等级为5.5 kW、7.5kw、11 kW、15 kw、18.5 kW、22 kW、30 kW、37 kW、45 kw、55 kw、75 kW、90 kW、110 kW、132 kW、150 kW、160 kW、185 kW、200 kw及以上，并符合GB/T 4772.1的要求。

        4.2.2 控制器输出容量

        15 kVA、35 kVA、50 kVA、60 kVA、100 kVA、150 kVA、200 kVA、270 kVA、300 kVA、360 kVA、420 kVA及以上。

        附录A推荐了在360 V、200 kW及以下单台电动机与控制器输出容量的匹配关系。

        4.3 电源的电压等级

        电机及控制器由牵引电源供电，电源的电压等级为120 V、144 V、168 V、192 V、216 V、24O V、264 V、288 V、312 V、336 V、360 V、384 V、408 V。

        4.4 电机及控制器整体效率

        η=ηc ηm

        式中：η——电机及控制器整体效率；

        ηc——电机控制器的效率；

        ηm——电机的效率。

        根据不同功率等级给出具体产品相应的效率。

5 技术条件

        5.1 温度

        当周围环境温度在-20 +40 时，电机及控制器能长时间连续运行。

        5.2 湿度

        电机及控制器在相对湿度不超过100％的情况下能正常工作，电机及控制器应在其表面温度低于露点的情况下，即电机及控制器表面产生冷凝也能安全工作。

        5.3 盐雾

        作为 汽车 电气设备的产品，应具有一定的抗盐雾能力，并能满足GB/T 2423.17中的有关规定。

        5.4 定频振动和扫频振动

        根据电机及控制器的安装部位，电机及控制器应经受上下、左右、前后三个方向的定频振动试验和上下方向的扫频振动试验。其他方向还需要作扫频振动试验的，应在具体的产品标准中规定。

        5.5 控制器壳体机械强度

        控制器壳体应能承受30 cm 30 cm的面积上加100 kg重力，而不发生明显的塑性变形。

        5.6 防水、防尘

        当淋雨、高压水冲洗时，电机及控制器的构造、安装和通风的方式应保证电机及控制器不出现损坏。电机应符合GB/T 4942.1中IP 55等级，控制器应符合GB/T 4942.2中IPX5产品防护等级要求。

        5.7 温升限值

        电机应采用下级或H级绝缘。采用4.1.2运行条件或4.1.3运行条件和本标准规定的环境条件，

        电机应符合GB 755-2000中7.10规定的温升限值，控制器中各部位的温升应符合GB/T 12668-1990中4.3.15的要求。

        5.8 电机定子绕组冷态直流电阻

        其电阻值在具体产品中规定。

        5.9 电机绕组的匝间绝缘

        应达到GB 14711-1993中9.2.1的要求。

        5.10 电机定子绕组对机壳的绝缘电阻

        在冷态时电机定子绕组对机壳的绝缘电阻值应大于20 MΩ。

        5.11 耐电压

        电机绝缘应具有足够的介电强度，应能承受GB/T 14711-1993中9.1和9.2规定的耐电压试验，无击穿和闪络现象。控制器的各带电电路对地（外壳）和彼此无电连接的电路之间介电强度，应能耐受GB/T 12668-1990中4.3.14所规定的试验电压，持续时间为1 min。电动车KD,新能源商用车出口,纯电动SKD,国产电动卡车KD,电动车出口

        5.12 电压波动

        电机及控制器必须能在电源电压为120％额定电压值下安全承受最大电流。另外，电机在电源电压降为75％额定电压时，应能在最大电流下运行（不要求连续运行）。

        5.13 峰值功率

        按产品规定的持续时间，电机的最大输出功率应达到产品的峰值功率值。

        5.14 堵转转矩和堵转电流

        为保证电动 汽车 在起动时有足够大的起动转矩，要求电机达到产品规定的堵转转矩值，其堵转电流应不大于控制器提供的最大电流值。

        5.15 电机空载转速

        在额客电压时，电机空载运行，其最高转速值应满足产品最高空载转速的要求。

        5.16 噪声

        在正常工作条件下，电机及控制器运行所发出的噪声应符合GB 10069.3的噪声限值要求。

        5.17 振动

        在正常工作条件下，电机的振动应符合GB 10068.2的振动限值要求。

        5.18 安全接地检查

        电机及控制器中能触及的金属部件与外壳接地点处的电阻应不大于0.1Ω。接地导线须用黄/绿相间的双色线。接地点应有明显的接地标志。

        5.19 电机控制器的过载能力

        在额定输出电流下连续工作，允许加非周期性过载，过载的倍数和持续时间在产品中规定。

        5.20 电机控制器的保护功能

        电机控制器应具有过电流、过电压和欠电压的保护功能。

        5.21 馈电要求

        在电机因惯性旋转或被拖动旋转时，电机运行于发电机状态。电机通过控制器应能给125％额定电压的电压源充电。馈电电流的大小和馈电效率在产品指标中规定。

        5.22 最高工作转速

        在额定电压时，电机带载运行所能达到的最高转速。带载的大小和最高工作转速值在产品指标中规定。

        5.23 转速

        电机应能承受1.2倍最高工作转速试验，持续时间为2 min，并能保证其机械不发生有害变形。

        5.24 热态绝缘电阻

        电机在室温，热态和受潮后都应有足够的绝缘电阻值。在湿热试验后其热态绝缘电阻值应不低于GB/T 12665-1990中4.1.1的规定，控制器中各带电电路之间及带电零部件与导电零部件或接地零部件之间的电气间隙和爬电距离应符合GB/T 126G8.2-2000中4.3.13的规定。控制器的带电电路与地（外壳）之间的绝缘电阻在环境温度为40 和相对湿度为95％时，不小于1 MΩ。

        5.25 接触电流

        电机及控制器应具有良好的绝缘性能。在正常工作时，其热态接触电流应不大于5 mA。

        5.26 电机转矩。转速特性及效率

        电机及控制器应达到具体产品要求的转矩。转速特性以及具体产品所提出的效率。

        5.27 电磁兼容性

        5.27.1 电磁辐射

        电机及控制器在运行中所产生的电磁辐射不得超过GB 14023-2000中第4章所规定的辐射干扰允许值。

        5.27.2 电磁辐射抗扰性

        按GB/T 17619-1998中第4章规定的测量方法和表1规定的抗扰性电平进行试验，电机及控制器在正常使用条件下能正常工作。电动车KD,新能源商用车出口,纯电动SKD,国产电动卡车KD,电动车出口

        5.28 耐久性

        在额定负载和额定转速的运行条件下，保证电机及其控制器在第一次使用时的无故障工作时间为3000 h。

        6 常规检验

        每台电机及控制器必须进行以下项目的常规检验。

        6.1 电机空载转速

        6.2 电机定子绕组的冷态直流电阻值

        6.3 电机绕组匝间绝缘

        6.4 控制器壳体机械强度

        6.5 电机定子绕组对机壳的绝缘电阻

        6.6 耐电压

        6.7 堵转转矩和堵转电流

        6.8 噪声

        6.9 电压波动

        6.10 电机控制器的过载能力

        6.11 电机控制器保护功能

        6.12 安全接地检查

7 型式检验

        在产品定型、转产、转厂、停产后复产，结构、材料或工艺有重大改变或合同规定等情况下，应进行型式检验，抽试产品样本数量为2台，如有项目不合格，该项目复检的样本数量应当加倍。重检如仍不合格，则应判定为不合格。检验项目如下。

        7.1 环境试验

        7.1.1 温度、湿度和热态绝缘电阻。

        7.1.2 定频振动和扫频振动。

        7.1.3 盐雾

        7.2 温升

        7.2.1 按4.1.2短时过载周期工作制运行。

        7.2.2 按4.1.3 ISO城市工况及市郊工况要求运行。

        7.3 防水、防尘

        7.4 电机转矩一转速特性及效率

        7.5 馈电

        7.6 最高工作转速

        7.7 超速

        7.8 振动

        7.9 接触电流

        7.10 峰值功率

        7.11 电磁兼容性

        7.12 耐久性

        附录A

        （提示的附录）

单台电动机与控制器输出容量的匹配关系

        附录B

        （提示的附录）

城市工况及市郊工况

        表 B1 基本城市循环

       

        表 B2 市郊循环

为啥高速电机要用弱磁控制？

        ——翻译的电机的术语很可能不准确，请参考原文甄别阅读。

        Linear Labs是一家总部位于德克萨斯州的创业公司，目前已经筹集了450万美元的种子资金，用于开发和商业化一种卓越的电动机技术。共同创业的父子团队声称该设计可以大大减小电动动力系统的尺寸和复杂性，同时还可以显着提高效率，并使扭矩输出加倍。

        电动汽车在某些方面的性能令人惊叹，在启动加速测试中，通常他们会轻而易举地超越那些造价昂贵许多倍的高性能内燃机汽车。但是，为了获得小直径，易于安装的电机中获得这种巨大的启动扭矩，大多数都使用变速箱。并不是像您使用的普通内燃机汽车那样的多速变速箱，而是单速减速箱，旨在让电机以高效率的转速旋转，但同时车轮旋转速度却较慢。

        这些减速变速箱十分笨重、复杂且价格昂贵——而且很可能是不必要的。该创业团队声称，他们发明的这种新型电动机，能够从根本上简化电动动力系统，同时提供高效率、扭矩、动力，并延长续航里程。

        Linear Labs公司今年4月完成了一轮种子融资 [1] ，获得450万美元用于开发其关键知识产权：Hunstable电动涡轮（Hunstable Electric Turbine, HET）。Hunstable是其两位创始人的姓氏，首席执行官Brad和CTO他的父亲Fred。

        HET是一种三维、环绕磁通、外部永磁电动机，具有一些有趣的特性。基本款的HET，使用四个转子，通常其他电机仅有一个或两个转子。定子完全封装在四面「磁力扭矩隧道」中，每一侧具有相同的极性，确保所有磁场都与运动方向一致，并且铜质线圈上没有未使用的端部浪费能量。系统产生的所有磁力因此用于产生运动，并且定子的所有四个侧面都提供扭矩输出。

        它还以独特的方式实现了磁场弱化。弱磁用于在已经以全电压运行时增加电机转数，通常通过在相反方向注入额外电流来实现。注入电流来降低速度增加了电动机转矩，但同时降低了电动机的效率。而HET的磁场弱化是通过不对称旋转其一个或全部磁性端板来实现磁场削弱，这意味着该电机可以构建额外的速度但不会降低效率。实际上，在更高的速度下整体效率会提升。

        大多数电动机在低速时会受到扭矩脉冲或齿槽效应的影响，这可能使电动汽车以不稳定的方式启动，HET能够在定子周围产生重叠的动力脉冲，以便在低速时获得巨大、平稳的扭矩，然后在电机速度增加时通过将磁极组合在一起来改变其运行模式。这几乎就像一个电子变速器，模拟六相、三相、两相或单相设计，并允许电机在不改变其频率、电压或电流水平的情况下提高速度。

        Linear Labs公司表示，基于上述设计的电机，其转矩密度至少提升两至五倍，功率密度至少提升三倍，针对同尺寸的永磁电机总输出至少提升到两倍。

        它还消除了使用DC/DC变换器和齿轮箱的需求，显着降低了车辆总成本和重量，该公司表示，不同速度下电机的固有效率，以及通过减少组件实现的重量减轻，可以在给定电池组的情况下，续航里程增加10-20％。

        该点击的制造成本不比传统的电机高，也不需要任何专门的工具——如果需要，它可以在不使用稀土金属的情况下制造。冷却也不是问题，至少是定子，铜线圈可以使用液体冷却。

        显然，这些都将是巨大的创新。Linear Labs公司同时引用外部专家的评论，这些颠覆性的创意与实际商业化之间还存在着漫长的道路。该公司表示，它计划明年在踏板车上安装这种电机，并在2021年推出汽车原型。该公司认为，在多旋翼飞行器、飞行汽车、风力发电以及高压交流系统中，这种电机的潜力更大。

        值得注意的是，该公司正在将其技术与「当前市场领先的高性能永磁体电机进行比较时——说明上述数字可能不是为特斯拉Model 3设计的、并已在Model S上使用的 [2] 、高度隐秘的新型「永磁增强型同步磁阻电机」 [3] 。Tesla将其一个电机安装在Model S的前部，并在后部安装另一组常规感应电机，其中一组电机针对功率和扭矩进行了优化，另一组针对效率和续航进行了优化，在正常驾驶中，汽车可以提升10％的续航里程，令人印象深刻 [2] 。

        因此，尽管Linear Labs已经取得了一些了不起的测试结果，并且筹集资金以进一步发展，但仍然有待观察它在实践中的运作方式。我们希望这家小公司能够实现HET技术的商业化。

        下面是Hunstable电动涡轮的视频，敬请观赏。

        HET electric motor massively boosts power, torque and efficiency, reduces weight and complexity

        Loz Blain | August 9th, 2019

        /linear-labs-hunstable-electric-motor/60974/

新能源汽车开关磁阻驱动电机系统和三相异步驱动电机系统有什么特点？

       1、强磁的磁惯性(或者叫滞后吧)比较大,不适合高速变化，相比之下用减弱励磁最简单,最经济。

       2、弱磁控制则主要是电动机进行弱磁调速用，发电机弱磁控制则主要是指由直流发电机-直流电动机构成的G-M拖动系统，为了得到软的或下坠的机械特性时才使用。

       3、高速电机通常是指转速超过10000r/min的电机。它们具有以下优点：一是由于转速高，所以电机功率密度高，而体积远小于功率普通的电机，可以有效的节约材料。二是可与原动机相连，取消了传统的减速机构，传动效率高，噪音小。三是由于高速电机转动惯量小，所以动态响应快。

       一、开关磁阻驱动电机系统

       新能源汽车开关磁阻驱动电机系统主要包括四项成果：专用开关磁阻电机、控制器、功率转换器和转子位置传感器。所述控制器具有控制电路结构和功率转换器结构，所述转子位置传感器安装在电机的一侧。新能源汽车开关磁阻驱动电机系统的对应结构比较接近，适合新能源汽车的高速驱动。同时，开关磁阻驱动电机系统的相关驱动电路比较简单，性能好，对应成本低，对应控制轻便。因此，新能源汽车相关的开关磁阻驱动电机系统更适合新能源汽车在不同路况下的行驶，具有一定的潜力。

       但新能源汽车开关磁阻电机驱动系统对应的比转矩脉动较大，噪声较大。相应的开关磁阻电机驱动系统的功率密度值相对较低，与开关磁阻电机驱动系统相关的许用效率不高，且由于采用了转子位置传感器，结构复杂。

二、三相异步驱动电机系统

       新能源汽车相应的三相异步驱动电机系统包括三相异步电机及其相应的控制器。三相异步电动机对应的控制器采用功率元件将直流转换成三相交流，并将三相交流传输给三相异步电动机，形成三相磁力，形成一定的磁场。磁场和转子导体能有效工作，形成感应电流。当转子的导体受到电磁力的扰动时，就会产生一定的电磁转矩，使转子转动。当电机轴具有一定的机械负载时，可以提供机械能，获得驱动效果。新能源汽车相关的三相异步电机驱动系统结构简单，成本相对较低，结构相对坚固，没有位置传感器，运行可靠，噪音低，转矩脉动，速度快，限位大。因此，早期广泛应用于新能源汽车的三相异步电机驱动系统现在使用较少。

       好了，关于“新能源汽车新型电机的设计及弱磁控制”的话题就到这里了。希望大家通过我的介绍对“新能源汽车新型电机的设计及弱磁控制”有更全面、深入的认识，并且能够在今后的实践中更好地运用所学知识。