柴建云：高速异步电机在新能源汽车领域面临发展机遇

lilybunny

柴建云
清华大学电机工程与应用电子技术系教授，电力电子与电机系统研究所所长，新能源发电、特种电机与电力传动等学科方向带头人，清华大学高端装备研究院动力传动研究所所长。
主要研究方向：电机电磁场、电机设计与控制、科学可视化等理论以及新能源发电、特种电机和电力电子与电磁传动等技术。
主要科研项目：大型变速恒频风力发电机组研制和电动汽车先进电驱动系统研制等。


驱动电机作为新能源汽车三大核心部件之一，其驱动特性对整车性能有决定性的影响。在我国新能源汽车产业发展过程中，驱动电机技术的工程化与产业化问题一直是各大研究机构和众多企业关心的重点。

近日，高效电机领跑者编辑部专访了清华大学电机系柴建云教授。柴教授目前是清华大学电机与电器专业学科带头人，长期从事新能源发电和特种电机驱动系统领域的研究。

本次专访他就新能源汽车驱动电机的技术发展路线，特别是永磁同步电机和笼型异步电机等主流技术各自的应用优势等问题进行了深入的解答。



▣ 问：新能源汽车对驱动电机有什么特殊要求？

与普通电机相比，新能源汽车中驱动电机系统的运行条件和技术要求较为特殊，归纳下来主要有以下几点：

（1）低速大转矩和高速宽恒功。新能源汽车由于取消了变速箱，为了保证其加速和爬坡性能，要求驱动电机在低速时输出大转矩；而高速巡航时则应具有较宽的恒功率输出调速范围；

（2）高功率密度和高转矩密度。为了满足整车安装空间和重量限制，要求驱动电机尽可能轻量化和小型化，国家节能与新能源汽车产业发展规划对新能源汽车电驱动系统的功率和转矩密度做出了明确的规定；

（3）高运行效率。为了获得长的续驶里程，新能源汽车要求驱动电机不但在额定工况具有较高的运行效率，而且在转速－转矩负载平面上的高效率运行区域面积应尽可能大。

（4）高控制精度和快动态响应。新能源汽车的电驱动系统一般采用转矩控制模式，转矩控制精度对驾驶感觉影响较大；为了适应路面快速变化工况，保证车辆驾驶的灵敏性，要求转矩控制的动态响应速度较快；

（5）高可靠性、安全性与舒适性。考虑到驾驶安全和乘客的人身安全，新能源汽车电机驱动系统应具有比地面电机系统更高的可靠性和安全性，特别是电力电子器件等可靠性相对薄弱的功率变换电路须采用冗余设计；距离人员较近的300V－600V高压电气系统，必须符合相关车辆电气控制的安全性能标准和规定；此外，为了保证乘车舒适性，对电机驱动系统的振动和噪声性能指标也有严格限制。


▣ 问：请问新能源汽车驱动电机的主要类型和目前的应用情况如何？

尽管早期的车辆驱动电机多采用有刷直流电机，但受到机械换向性能的制约，其功率密度和电磁兼容性难以满足新能源汽车驱动系统的要求，现已被变频调速交流电机取代。目前新能源汽车驱动电机主要有永磁同步和笼型异步两种类型。在新能源汽车的发展历史中，永磁无刷直流电机和开关磁阻电机等非正弦波电机也曾一度受到广泛的关注，但随着数字控制和高频开关技术的兴起，正弦波交流电机的性能优势突显，迅速占据了主流地位。


永磁同步电机由于具有结构紧凑、质量轻、功率密度高且运行效率高，特别是在低速区输出转矩大等特点，成为新能源汽车驱动电机的首选。永磁同步电机的转子分为表面贴永磁和内置永磁两种基本结构。与表面贴永磁不同的是，内置永磁转子表现出明显的磁凸极特征，使同步电机中不但存在永磁转矩，还附加了磁阻转矩。

因此，内置永磁转子同步电机也被称为永磁磁阻电机。永磁磁阻电机通过合理的设计和控制，可以兼顾低速大转矩和高速宽恒功的要求，满足新能源汽车驱动的需求。反之，表面贴永磁转子同步电机仅适合于恒功转速范围较窄的场合，在新能源汽车驱动中应用较少。需要指出的是，永磁同步电机中适当增加极对数有助于提高电机的带载能力。

笼型异步电机也是新能源汽车驱动系统的优先选择之一。其转子结构简单可靠，材料与制造成本较低。低速区输出转矩较大；且弱磁方便，具有很宽的恒功运行范围。新能源汽车驱动异步电机的转子一般使用铜质鼠笼，以减小转子绕组的电阻，提高电机的运行效率。采用铸铜工艺制造的转子，其电磁性能稳定，而且转子结构更加牢靠，非常适合于高速运行。

另外，功率因数也是电机的关键指标之一。较高的功率因数即可提高电机本体的运行效率，也可减小电机对逆变器电流的需求。异步电机的功率因数与极对数有关。极对数越多，则功率因数越低。因此，新能源汽车驱动异步电机的极对数不宜过多。


▣ 问：请问您认为未来哪种类型的驱动电机会占优势？

对于新能源汽车而言，现有大多数驱动电机系统的功率密度仍然偏低，限制了整车动力性能的进一步提高。未来的新能源汽车要求大幅度提高其驱动系统的功率密度，为配置更加强劲的动力腾出空间。从动力总成的角度看，把高速电机与行星减速器集成为一体的紧凑型减速电机驱动系统将是一条合理可行的解决之道。

通过引入高性能行星减速器，将电机的最高运行转速从6、7千转/分提升至接近2万转/分，其有效材料最多可以节省70％，而驱动系统的运行效率仍可维持在较高的水平。即使以高速电机加行星减速器总质量计，紧凑型减速电机驱动系统的功率密度也远远超过现有的低速电机系统。

因此，我认为随着紧凑型减速电机驱动系统技术路线逐步被接受，与之配套的高速电机在未来新能源汽车市场中将会占据明显的优势。

▣ 问：在目前国内的新能源汽车市场上，永磁同步电机占据了压倒性优势。您认为在未来的新能源汽车市场上，异步电机作为驱动电机有可能重获发展机遇吗？

目前永磁同步电机在新能源汽车市场上占据压倒性优势的状况显然与当前采用的低速电机技术路线有关。受到电力电子器件开关频率和铁心高频损耗的限制，对于最高转速处于6、7千转/分的交流电机，极对数最多可取到4或5；而对于最高转速处于1.8－2.0万转/分的交流电机，则极对数最多只能取到2。如前所述，在较少极对数的情况下，永磁电机在转矩密度和功率因数等性能上相对于异步电机的领先优势趋于减小。

反之，永磁电机调磁与灭磁能力比异步电机相对不足，造成的恒功运行范围较窄、可能发生局部失磁以及故障保护困难等问题突显。因此，我认为在未来的新能源汽车动力总成技术发展中，由高速电机加行星减速器组成的紧凑型减速电机驱动系统将成为主流方向。而在其中铸铜转子高速异步电机将会获得新的发展机遇。

元素萨

文章里面说了！ 还是铸铜转子的异步很更好一点？  
我是做电机本体的，控制不太懂！
从研发的角度看，永磁有优势，很热，容易立项、拿经费！
从生产角度看，异步有优势，结构简单，装配更容易，更耐用！前几年出差还遇到过70年代出的铸铝电机，上面写的还是革委会的牌子呢！现在还在转呢！真佩服！

jun1998_99

交流永磁和交流异步之争，TESLA汽车方案就是很好的回答！ 专家们没事闲的干点其它的去。奉劝没有必要讨论这个问题了。 交流永磁在控制上相对容易一些。而交流异步的难点在于控制上！国内有哪一家把交流异步控制搞好的？？？？说句不好听的专家（包括院士）搞不好交流异步，退一步搞交流永磁，还吹捧世界一流。。。。笑掉大牙！！！ 南车搞的高铁永磁就是一个例子。

jun1998_99

南车电机成功研制高速永磁变频电机系统
2015年05月04日01:23    来源：科技日报    手机看新闻
打印网摘纠错商城分享推荐         字号
原标题：南车电机成功研制高速永磁变频电机系统
　　科技日报讯 （朱剑飞 陈玮）4月28日，经过近半年紧张的研制，具有国际先进水平的高速永磁变频电机系统在南车株洲电机有限公司成功下线。

　　该电机额定功率为165KW，额定转速18000转/分，从启动加速至额定转速仅需9秒，整个动力系统性能优异，运行平稳，噪声低，振动小，全生命周期成本低。与传统的三相异步电机配套增速箱系统相比，能源利用效率提升约15%，标志着南车电机已经全面掌握高速永磁变频电机系统核心技术，成为国际电机巨头在该领域垄断地位的“终结者”。为我国流体机械实现节能、环保提供了最先进的、革命性的动力系统解决方案，对南车电机进一步开拓高速流体机械电机市场、培育新产业具有里程碑式的意义。

　　据南车电机技术中心永磁电机研发部经理晏才松介绍，此次研制成功的高速永磁变频电机系统包括电机、变频器与高速滑动轴承等，是公司在大型中央商务空调配套高速永磁电机的基础上，首次自主研发实现永磁电机与变频器、高速滑动轴承的系统集成。整套系统采用高速永磁同步变频调速技术，电机直接驱动压缩机运行，与传统的三相异步电机通过齿轮箱增速再驱动压缩机相比，省去了增速齿轮箱，从而消除了齿轮箱所导致的功率损失、噪声和振动，结构紧凑、维护简单，大大降低了动力系统的体积，节约了机器安装的空间以及后期维护的工作量与使用成本。由于电机转速的提升，高速永磁电机与同等功率三相异步电机相比，体积大大缩小，重量降低，材料消耗降低，驱动运行的压缩机体积也变小，成本降低，从而使得整套蒸汽压缩机整机具有高效率、高可靠性、高功率密度的优点。

　　南车电机作为中国轨道交通牵引动力的领跑者，2013年自主研制的中国首台高速动车组用TQ-600型永磁同步牵引电机，在运行考核中性能优异。此次高速永磁变频电机系统研制成功，彰显了南车电机在永磁电机研制技术、制造工艺、试验能力的国际先进水平。因为超高的性价比与优质的服务，目前已有20余家国内外高速流体机械知名企业与南车电机开展技术合作，形成了50KW至1200KW的产品型谱系列。随着各款高速永磁电机的研发成功与推广，具有十分巨大的经济效益和社会效益。

(来源:科技日报)

jun1998_99

请相信真正的高手在民间！ 只不过没有商业化而已！

jun1998_99

昨天刚回复此贴， 今天的新闻就来了！！！！

请看：

[转贴] 特斯拉Model S单次充电续航里程创1000公里记录

2017年08月07日 08:17 新浪科技

新浪科技讯 北京时间8月7日早间消息，一位意大利特斯拉车主贴出的照片显示，他的Model S 100D轿车单次充电续航里程高达670英里（1078公里）。

　　短短一个月前，Model S的单次充电续航里程还只有560英里（901公里）。特斯拉CEO埃隆·马斯克（Elon Musk）当时在Twitter上宣称：“搭配合适的轮胎，100D有可能突破1000公里。”

　　现在，一位特斯拉意大利车主成功将之前的记录延长了100英里，单次充电续航里程达到670英里。

　　虽然不像之前一样得到完善记录，但照片显示这两辆汽车使用98.4千瓦时的能量行驶了1078公里。换算过来相当于91瓦时/公里，或144瓦时/英里，效率远高于Model S常规的300瓦时/英里。

　　从车主发布的推文中可以看出，突破1000公里大关后，这辆汽车在最后两小时的行驶中实现了更高的效率，最后77公里高达88瓦时/公里。这也显示出新纪录的创造方法——通过超低速度实现。通过数据发现，最后两小时的平均形式速度约为23英里/小时。其他行驶过程可能也保持类似的速度，这意味着这辆特斯拉驾驶了一整天才实现了这样一个记录。

　　在突破1000公里后，这位车主前往Faceboook进行直播，视频长度位84分钟。

　　这种极限记录通常没有太大意义，因为这些记录都是通过不切实际的驾驶方式实现的——例如连续29小时低速行驶。但同时也让人们明白，不同汽车的能耗效率的确差异很大，电动汽车尤其如此。

　　很多人都把电动汽车的EPA（美国环保署）里程数据当成油耗来看，以为完全可以达到这一里程，但最终却在因为没电而在路边抛锚。但根据实际情况的不同，行驶里程总是高于或低于EPA给出的数据。

　　所有电动汽车司机问的第一个问题都是：“它能开多远？”EPA里程是最简单的答案，或许也是最精确的“平均”答案。但正如意大利车主的极限里程一样，只要方法得当，每辆车都“可以”远远超出这一数据（鼎宏）

元素萨

jun1998_99 发表于 2017-8-7 21:51
昨天刚回复此贴， 今天的新闻就来了！！！！

请看：

特斯拉真流弊！
如果续航的问题解决了，就像你说的，用什么电机真的不重要了！

pat

Model 3用的永磁同步电机了，整体效率应该比感应机强很多，从而增加续航里程。