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新能源电动汽车驱动电机发展有五大趋势

   日期:2018-10-11     浏览:20    评论:0    

【中国传动网 行业动态】 目前市场上的各种纯电和混动新能源汽车,永磁同步电机占多数,感应电机占一小部分,这两种电机基本就是电动乘用车驱动电机的全部了。

1.1交流感应电机

相比永磁同步电机,交流感应电机体积较大,但是价格适中,当然有特斯拉那样的神操作,把转子铜芯搞成异类的(专利),但是感应电机可以做得功率很大并且不存在退磁问题,所以一些大型车或者追求性能的电动汽车,比如特斯拉ModelS和蔚来ES8,都采用感应电机。

1.2永磁同步电机

对于空间布置尺寸要求比较高的中小型电动汽车来说,功率和扭矩密度更高的永磁同步电机就是优先的选择,并且同步电机更适合频繁启停的工况,适合城市上下班通勤的应用场景,这也是TeslaModel3改用同步电机的原因之一。

网上说中国富含稀土矿所以中国的电动汽车选用带永磁体的同步电机,我认为有牵强附会之嫌:难道各种民营企业和互联网造车车企,不从成本/性能角度考虑,而是从国家战略安全作为出发点?

不靠谱,更不要说铁铷硼的提炼和加工方面我国技术并没有优势,反而日本在稀土材料运用上积累更多。

1.3开关磁阻电机

开关词组电机结构简单、坚固、维护方便甚至免维护,起动及低速时转矩大、电流小;高速恒功率区范围宽、性能好,在宽广转速和功率范围内都具有高输出和高效率而且有很好的容错能力。

开关磁阻电动机转子上产生的转矩是由一些列脉冲转矩叠加而成的,由于双凸极结构和磁路饱和非线性的影响,合成转矩不是恒定转矩,而有一定的谐波分量,影响了电动机低速运行性能,所以传动系统的噪声与震动比一般电机大。

开关磁阻电机的优点和缺点都非常明显,对于家用车领域,像脉动引起的噪音与震动确实是难以控制和非常影响用户体验的,因此并没有大规模应用。但是在商用车领域,它就可以大显身手了,国内很多电动公交车、大巴和货车上面,都能够看到它的身影。

所以,基本可以这么说:中小型车以永磁同步为主,大型及高性能乘用车趋向感应电机,开关磁阻电机则适用于大型商用车。

02

新能源汽车驱动电机技术发展趋势

2.1电工钢片

驱动电机的功率、转矩、效率和寿命与所用的硅钢片有很大关系,尤其是电机转子所用的无取向电工钢片,磁性能决定了电机的转矩和效率,铁损越低电机效率越高,磁感增大电机转矩才能增加,力学性能决定了定子和转子的加工精度、承载强度和最大转速。

新能源电动汽车对驱动电机电工钢片的要求:

1.电机需要提供高扭矩用于启动,要提高扭矩必须提高电流和电工钢的磁感

2.常用驾驶模式下电机效率一般85%~93%,要提高能源转换效率,要求电机所用电工钢片具有优秀的磁性能,即中低磁场下的高磁感和高频下的低铁损

3.电机转速6000~15000r/min,要求使用的电工钢片具有足够高的强度抵抗离心力,这要求使用高强度电工钢,特别是永磁驱动电机,磁极镶嵌于转子之中,因此保证转子的强度至关重要

4.缩小转子和定子之间的间隙可有效提高磁通密度,这要求电工钢薄片具有良好的冲片性

5.在汽车的使用周期内,处于服役期的高速旋转的电工钢片不能发生疲劳破坏,即要求有高的疲劳寿命

2.2关于电机绕组

为了减少绕组线的长度,减小电机的体积和用铜量,减少铜损耗,提高电机效率,降低电机重量,提高功率密度,需要合理选择电机绕组方式,可以改善电机绕组的磁势正弦,降低定子磁势的谐波含量,减少电机铁耗和定子绕组引起的电机纹波转矩,提高电机效率,降低电机振动和噪声,合理选择电机绕组方式,可以提高电机凸度,提高磁阻转矩,减小绕组电流,降低电机铜耗。

总体上定子中绕线的量是决定电机功率大小的重要因素。而决定绕线量的则主要是在有限空间内铜线可以绕机芯的圈数。技术方面目前插入器的使用由于适合高功率的定子加工,并有逐渐成为行业生产标配的趋势。

2.3线圈的设计

为了实现电机小型化,本田增加了绕线的占积率(空间中铜的比例),使定子变小。通过使用大截面的方形导线作为线圈,使得占积率达到了60%。在传统的电动机中,使用薄的圆形线圈,占积率一般只能达到48%。

为了使定子小型化,线圈使用截面积大的方形导线。与传统的圆形线圈相比,方形导线可使占积率从48%增加到60%。但是,由于和圆线相比方线变粗,导体(铜)中的“过电流损失”会增大。通常通过增大定子的槽宽度或减小每个线圈的厚度来减小过电流损耗。

为了实现小型化,本田同时还缩短了从定子突出的线圈部分(“线圈末端”)。本田技术人员认为线圈末端部分“对电机工作没有贡献”。

为了缩短线圈末端,采用了新的绕线结构方法:

1.首先,将矩形线圈塑形成U字形,以形成“并列分割线圈”。

2.接下来,将该分割线圈从定子铁心的轴方向插入。

3.之后,将插入侧以及对侧伸出的线圈前端焊接在一起而形成线圈。

新的绕线工艺需要投资新的制造设备。与传统工艺相比,新工艺不需要绳子捆绑,也不需要将线圈末端压扁,从而更易于自动化。由此实现高效率大批量生产,成本也能降低。

2.4冷却

电动机主要冷却方式有自然冷却、风冷和水冷。电机冷却系统处于较低温度时,冷却液泵不工作。温度上升后,冷却液泵工作。

冷却液泵的工作温度不能超过75℃,最合适的工作温度应该低于65℃。

电动汽车驱动电动机与控制器的冷却系统主要依靠冷却水泵带动冷却液在冷却管道中循环流动,通过在散热器的热交换等物理过程,冷却液带走电动机与控制器产生的热量。

为使散热器热量散发更充分,通常还在散热器后方设置风扇。

电动机在工作时,总是有一部分损耗转变成热量,它必须通过电动机外壳和周围介质不断将热量散发出去,这个散发热量的过程,我们就称为冷却。

03

新能源汽车驱动电机小型化、轻量化趋势

近年,关于电动车辆驱动系统的一体化研究非常活跃,通过电机、逆变器,减速齿轮3个部件一体化,可以实现高效、小型和轻量化,同时降低成本。

而将驱动系统安装在车轮内的轮毂电机,更是进一步推进了小型化和轻量化。

机电一体化活跃的原因在于可以实现驱动系统的小型轻量化以及降低成本,提高效率。如果是电机与逆变器一体,逆变器配置在电机旁边,连接电机与逆变器的线束就可以缩短或者置换。

由此,减小了尺寸和重量,还降低了线束产生的损耗。又如果与减速箱一体,那齿轮的润滑油和电机的冷却油就可以共用,精简了冷却机构,可以轻松实现小型化。

机械零件具备优势的厂商则是将减速器作为了强项。例如,舍弗勒(Schaeffler)公司,在三位一体的驱动系统中使用了减速比约为15的高速减速器。

其他公司的减速器一般减速比约为10,即使高速也最多13左右。减速比越高,作为系统越容易提高转矩。因此,与减速比为10左右的驱动系统相比,能够在利用高速旋转的小型电动机的情况下获得相同的扭矩,也就实现了小型化。

04

新能源汽车驱动电机供应商配套趋势

从市场份额情况看,丰田集团在2016年的数据中遥遥领先(集团主要生产电机的公司包括电装公司和爱信精机),本田集团位居第二,而同时这两大集团也都在混动领域占据全球领先地位。之后是比亚迪以及给特斯拉供货的台湾电机制造商富田电机。

在初期产品更新换代速度较快,需要上游零部件供应商迅速做出反应相互配合,所以整合生产的模式具备较高的性价比;然而到了行业发展中后期,由于整个市场规模扩充,同时产品更新换代速度不需要像初期那样快,此时第三方供应商以整个市场为客户对象的规模效应便体现出来。

电机电控与主机厂供应链配套主要分为第三方电机电控企业配套以及主机厂自主研发配备两个模式。

电机行业在长期发展过程中,第三方供应商崛起将是大势所趋。如果我们观察当前日本汽车行业产业链情况,不难发现占据龙头地位的前三强(丰田、本田、日产)都倾向于自供电机产品,这除了和日本制造企业的传统基因相关外,也同行业发展的阶段有关。

 
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