2020年電機驅動(dòng)技術(shù)展望-選擇高磁阻路線(xiàn)

“百舸爭流，優(yōu)勝劣汰的新能源汽車(chē)市場(chǎng)，倒逼著(zhù)所有參與者在技術(shù)、成本、市場(chǎng)等各方面展開(kāi)激烈的生存競爭。電機技術(shù)加速迭代、加速淘汰的態(tài)勢已顯現?；仡?019我們看到高性能的扁線(xiàn)電機方興，低成本少稀土技術(shù)漸露頭角。順著(zhù)這個(gè)大趨勢，展望2020，我們一起來(lái)盤(pán)點(diǎn)潛在技術(shù)熱點(diǎn)。這期先聊“高磁阻技術(shù)路線(xiàn)” ”

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什么是高磁阻技術(shù)路線(xiàn)

什么是高磁阻技術(shù)路線(xiàn)？要從永磁同步電機的轉矩構成說(shuō)起。永磁同步電機的轉矩由磁阻轉矩和永磁轉矩兩部分構成的。永磁轉矩和永磁體相關(guān)的那部分轉矩，磁阻轉矩是和永磁無(wú)關(guān)的那部分轉矩。如現在常見(jiàn)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(xiàn)就是追求磁阻轉矩比例更高的技術(shù)路線(xiàn)。

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(yè)同步磁阻電機”。而在這兩極之間還存在許多中間狀態(tài)：比如磁阻轉矩比例在50%以?xún)萈rius第三代和第四代的IPM電機。 而高磁阻路線(xiàn)，追求磁阻轉矩比例超過(guò)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(lái)形容SPM、IPM、PMa-SynRm、SynRm這四類(lèi)電機有一個(gè)隱喻：就是這四類(lèi)電機具有內在同質(zhì)性，他們的定子結構相同，控制硬件相同，控制算法類(lèi)似。光譜上相鄰的兩類(lèi)電機，它們之間只是磁阻比例量的不同，沒(méi)有質(zhì)上的區別。這種連續性給技術(shù)漸進(jìn)發(fā)展帶來(lái)了有利條件。因此高磁阻技術(shù)路線(xiàn)，可以理解成在現有IPM電機路線(xiàn)上的繼續發(fā)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(shù)路線(xiàn)

走高磁阻技術(shù)路線(xiàn)的最大的動(dòng)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(dòng)電機的有效成本構成中，無(wú)論是圓線(xiàn)還是扁線(xiàn)，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(fā)展路線(xiàn)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(xiàn)的另外一個(gè)動(dòng)因是降低反電動(dòng)勢，如上期文章所述,整車(chē)廠(chǎng)對反電動(dòng)勢要求愈發(fā)嚴格。反電動(dòng)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(dòng)勢的動(dòng)因也是追求低成本。

在上一期中我們已經(jīng)論述了提高磁阻轉矩能夠有效降低反電動(dòng)勢的原因，文末有鏈接此處不再論述。簡(jiǎn)單的理解純磁阻同步電機SynRm是沒(méi)有空載反電動(dòng)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(dòng)勢也會(huì )較低，能夠滿(mǎn)足更低的反電動(dòng)勢要求。

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為什么是PMa-SynRm

走高磁阻路線(xiàn)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(chǎn)品經(jīng)驗，SynRm暫時(shí)尚達不到性能要求。我們從兩個(gè)案例來(lái)談。

一個(gè)是歐洲聯(lián)合開(kāi)發(fā)的MotorBrain項目，這是一個(gè)先進(jìn)電驅動(dòng)系統項目，其中一個(gè)方向是采用純同步磁阻電機路線(xiàn)。這是一個(gè)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(guò)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(shù)指標落后是因為采用了較傳統的同步磁阻技術(shù)，另外一個(gè)先進(jìn)同步磁阻電機項目是橡樹(shù)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(jìn)行中，目前和先進(jìn)IPM電機相比仍然存在效率和功率因數方面的差距。（詳細見(jiàn)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(shí)可行，從另外一個(gè)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(shí)現，在技術(shù)上具備順延特性

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PMa-SynRm上車(chē)的挑戰

高磁阻的PMa-SynRm方案要想上車(chē)，必須滿(mǎn)足車(chē)用驅動(dòng)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(gè)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(lèi)，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(gè)共同點(diǎn)：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(gè)經(jīng)典案例值得學(xué)習：

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(wèn)題，且功率較小和車(chē)用驅動(dòng)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(diǎn)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(chē)用圓線(xiàn)電機的水平。其三是美國GM公司正在開(kāi)發(fā)的非稀土助磁方案，其扭矩密度和功率密度都達到車(chē)用電機水平，但高速時(shí)轉矩和功率衰減過(guò)快，無(wú)法滿(mǎn)足車(chē)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(chē)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(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(yōu)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(guò)程

在具體實(shí)施上，對標的是120kw小型乘用車(chē)、物流車(chē)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(guò)43個(gè)，優(yōu)化目標即要兼顧低速高轉矩、又要防止高速功率過(guò)載，同時(shí)還要防止磁鋼退磁和NVH故障?？紤]工況組合，優(yōu)化目標超過(guò)12個(gè)。像這類(lèi)多變量、多目標的設計要求，我們稱(chēng)之為“復雜設計問(wèn)題”。 傳統的人工調整設計方法已遠無(wú)法滿(mǎn)足要求。因此我們采用“參數化轉子結構+遺傳算法多目標優(yōu)化“來(lái)解決這類(lèi)復雜設計問(wèn)題。

在設置目標時(shí)，我們選取了最大轉矩、空載、最高速度三個(gè)工況。其中最大轉矩工況以最大轉矩、轉矩脈動(dòng)、成本、溫升時(shí)間、單位轉矩銅耗作為優(yōu)化目標，其實(shí)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(yōu)化目標核心是"齒槽轉矩"、"反電動(dòng)勢諧波畸變率"、"反電動(dòng)勢幅值"這是從三個(gè)不同的角度來(lái)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(dòng)勢的正弦性，越正弦越易控制；“反電動(dòng)勢幅值”是主機廠(chǎng)要求，越低對控制控制器成本越有利。

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

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

在優(yōu)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(yōu)化，尋找轉子局部最優(yōu)解。反過(guò)來(lái)也一樣可求取定子最優(yōu)解。我們這里選擇了全局變量?jì)?yōu)化的，以獲得最佳的定轉子組合解，這會(huì )增加算法尋優(yōu)的難度和計算量。

優(yōu)化的過(guò)程可以從下圖的界面中加以監控。圖中的每一個(gè)點(diǎn)都代表一個(gè)方案，我們發(fā)現當優(yōu)化到了23代之后，轉矩和成本的邊界條件就已經(jīng)初步呈現，這條線(xiàn)代表了優(yōu)化到極限時(shí)：轉矩和成本的對應的關(guān)系。進(jìn)化60代后，可以看到轉矩和成本呈現明顯的線(xiàn)性關(guān)系，而成本低于1200元（原IPM電機的80%），扭矩大于280Nm的點(diǎn)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，比如轉矩必須>280Nm，轉矩脈動(dòng)必須<08%，來(lái)作多角度多方位的篩選。

最后發(fā)現滿(mǎn)足成本、扭矩、反電動(dòng)勢、轉矩脈動(dòng)等各方面限制條件的解只有四個(gè)，我們通過(guò)綜合評判，人工選擇了最后一個(gè)方案。優(yōu)化軟件自動(dòng)生成了下圖所示的轉子模型，這個(gè)解將用來(lái)和IPM電機PK。

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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IPM作了各方面的對比。在效率Map圖方面我們發(fā)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(guān)鍵參數作了對比，高磁阻方案在14000rpm的線(xiàn)反電動(dòng)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(dòng)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(zhù)我們在高磁阻方案中同時(shí)采用的稀土和鐵氧體兩種磁材。

磁阻轉矩比例高低是實(shí)現低成本和低電壓的關(guān)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(shí)磁阻轉矩比例并不低，達到了49%。也就是說(shuō)原IPM電機是一個(gè)較高水平的對標對象。

車(chē)用驅動(dòng)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(xiàn)，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(diǎn)，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(lèi)高磁阻轉矩的電機峰值功率極易快速衰減，在優(yōu)化時(shí)，需要給與高速輸出能力目標以更多的權重。

詳細對比關(guān)鍵工作點(diǎn)的性能，我們會(huì )發(fā)現更多的信息：

首先高磁阻方案的轉矩脈動(dòng)小于IPM方案，在低速、額定、峰值功率點(diǎn)轉矩脈動(dòng)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優(yōu)化時(shí)，對轉矩脈動(dòng)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(diǎn)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(lèi)電機的先天短板，在本案中低功率因數并沒(méi)有影響最大轉矩時(shí)的電流，是因為最大轉矩時(shí)電壓未用滿(mǎn)。而沒(méi)有惡化高速時(shí)的電流，是因為高速時(shí)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(diǎn)。最后我們也發(fā)現高磁阻方案的一個(gè)缺陷，高速時(shí)磁鋼的渦流損耗較大，90kw@14000rpm時(shí)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(yōu)化目標。

最后一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是磁鋼退磁問(wèn)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(shí)剩磁會(huì )下降，但內稟矯頑力卻能提高，因此其高溫拐點(diǎn)會(huì )變低，跌出第二象限。但高溫會(huì )導致電流變大，因此需要控制 高溫時(shí)磁鋼的工作點(diǎn)高于0點(diǎn)。

在低溫時(shí)，鐵氧體的磁性能會(huì )增強，但內稟矯頑力會(huì )變小，這個(gè)時(shí)候拐點(diǎn)較高，因此其退磁曲線(xiàn)有很大一部分是彎曲的。我們選擇的鐵氧體低溫-40℃的拐點(diǎn)是0.08Telsa。因需要控制在低溫時(shí)磁鋼工作點(diǎn)高于0.08Telsa。

下面兩圖是我們通過(guò)磁鋼形狀和其周?chē)Y構形狀微調，來(lái)提升磁鋼高、低溫工作點(diǎn)的效果。從我們的實(shí)踐來(lái)看，磁鋼的寬厚比、磁鋼槽漏磁旁路設計對最低工作點(diǎn)影響較大，需要在優(yōu)化設計時(shí)作為關(guān)鍵優(yōu)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(gè)總結：

它能夠有效降低成本，達到20%以上；它能夠降低反電動(dòng)勢,達到17%以上，以滿(mǎn)足主機廠(chǎng)需求；它在轉矩脈動(dòng)、齒槽轉矩方面沒(méi)有明顯劣勢，能夠滿(mǎn)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(guò)優(yōu)化設計來(lái)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(chē)應用的條件，將是一個(gè)具備競爭力的解決方案，下一步我們將高磁阻電機和扁線(xiàn)技術(shù)形成技術(shù)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(kāi)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(shí)候都迫切。我們發(fā)現高磁阻技術(shù)路線(xiàn)，能夠有效降低成本并不影響性能，是一條可以持續增進(jìn)競爭力的路子，我們也愿意以開(kāi)放的態(tài)度，擁抱合作，將電機做的更好、更有競爭力。