汽車電驅(qū)動用高速永磁同步電機(jī)設(shè)計技術(shù)綜述

許重斌 暴杰 姜明慧

（中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長春 130013）

主題詞：永磁同步電機(jī) 電機(jī)設(shè)計 高速 高功率密度

縮略語

FOC Field-Oriented Control

DTC Direct Torque Control

PID Process Identification

MPTC Model Predictive Torque Control

EMI Electromagnetic Interference

IC Integrated Circuit

IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor

TDSR Traction Drive Speed Reducer

1 前言

從歐盟提出的Fit for55[1]戰(zhàn)略和中國汽車工程學(xué)會發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》[2]中的排放目標(biāo)及油耗目標(biāo)可以看出，傳統(tǒng)燃油車的油耗優(yōu)化措施已經(jīng)無法滿足CO2排放目標(biāo)和油耗目標(biāo)，汽車產(chǎn)業(yè)需要導(dǎo)入能耗低、排放低的電氣化方案。因此，汽車產(chǎn)業(yè)大力發(fā)展混動和純電動汽車勢在必行。而電驅(qū)動系統(tǒng)作為新能源汽車主要模塊，其性能及發(fā)展趨勢將影響汽車發(fā)展技術(shù)路線的選擇。

未來電驅(qū)動系統(tǒng)將向高功率密度和低成本方向發(fā)展，高速化是實現(xiàn)該目標(biāo)的重要技術(shù)手段之一，其優(yōu)勢是同功率工況下，轉(zhuǎn)速增高，轉(zhuǎn)矩可以變小，由此電機(jī)尺寸可以減小，電機(jī)材料用量也可以降低，由此也帶來電機(jī)成本降低。因此，電機(jī)高速化在混合動力汽車方面具有良好的應(yīng)用前景。

一般來說，高速電機(jī)是指轉(zhuǎn)速超過10 000 r/min或難度值（轉(zhuǎn)速和功率平方根的乘積）超過1×105的電機(jī)。目前，高速電機(jī)主要包括感應(yīng)電機(jī)、內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)和少數(shù)外轉(zhuǎn)子用集成電路（Integrated Circuit,IC）電機(jī)及爪極電機(jī)[1-7]。綜合考慮到汽車空間布置和性能需求，內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)被各大主機(jī)廠和零部件供應(yīng)商廣泛應(yīng)用。

汽車用電驅(qū)動永磁同步電機(jī)具備4大優(yōu)勢：

（1）轉(zhuǎn)子磁場由永磁體產(chǎn)生，不需要勵磁電流，因此永磁同步電機(jī)具有銅耗低、功率因數(shù)高和效率高的優(yōu)勢。

（2）與電勵磁電機(jī)比，永磁同步電機(jī)具有更小的體積和結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)勢，因此更有利于汽車結(jié)構(gòu)布置。

（3）永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子運行時不需要勵磁電流，因此可以顯著降低電動機(jī)溫升。

（4）永磁同步電機(jī)在輕載時效率高，具備較高的高效率運行區(qū)。

國外對高速驅(qū)動電機(jī)的研究有相當(dāng)?shù)幕A(chǔ)，產(chǎn)業(yè)化水平比較高。由于國內(nèi)起步較晚，高速電機(jī)的研發(fā)多集中在中小功率、低速范圍內(nèi)，高速電機(jī)產(chǎn)業(yè)化水平較低，與國外相比有一定差距。然而，無論是在國內(nèi)還是國外，高速電機(jī)在設(shè)計和分析上仍然存在一些亟待解決的問題，如：電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計、高速軸承、電機(jī)冷卻、功率器件選型及電機(jī)控制。

本文從轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計、電機(jī)控制、功率電子器件、高速軸承、減速器、電機(jī)冷卻性能6 個方面，闡述了高速驅(qū)動系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀，分析了車用高速驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)，最后基于高速電機(jī)研發(fā)的關(guān)鍵問題，聚焦更緊湊結(jié)構(gòu)、高強(qiáng)度永磁材料和更精準(zhǔn)控制，對高速電機(jī)的多物理場、多學(xué)科研發(fā)進(jìn)行了展望。

2 高速電驅(qū)動系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀

電機(jī)高速化技術(shù)通過提高驅(qū)動電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，可以降低電機(jī)的轉(zhuǎn)矩要求，從而減少電機(jī)的體積和質(zhì)量，提高電機(jī)的功率密度[8-9]。同時，高速電機(jī)還會推動基于輪轂電機(jī)的車輛原地轉(zhuǎn)向、滑板底盤技術(shù)的發(fā)展。

電驅(qū)系統(tǒng)最高工作轉(zhuǎn)速行業(yè)平均水平為14 000 r/min。行業(yè)標(biāo)桿企業(yè)的電機(jī)轉(zhuǎn)速最高達(dá)到17 900 r/min，AVL 公司發(fā)布的下一代產(chǎn)品電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到30 000 r/min，比功率達(dá)到7.5 kW/kg。一汽紅旗電動車的電機(jī)最高工作轉(zhuǎn)速為15 000 r/min，略高于行業(yè)平均水平。由表1 可以看出，當(dāng)前行業(yè)內(nèi)無論是各大OEM 還是TIER1 都呈現(xiàn)電驅(qū)系統(tǒng)高速化的趨勢，而永磁同步電機(jī)作為電驅(qū)系統(tǒng)核心部件，易實現(xiàn)電驅(qū)系統(tǒng)輕量化、集成化。因此在，汽車電驅(qū)動用永磁同步電機(jī)的高速化的研究具有較大的潛在經(jīng)濟(jì)價值。

表1 驅(qū)動電機(jī)行業(yè)電機(jī)轉(zhuǎn)速 r·min-1

2.1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計

高速電機(jī)需采用高強(qiáng)度轉(zhuǎn)子磁路設(shè)計來實現(xiàn)，如日產(chǎn)Leaf 2018、豐田普銳斯4 代、本田i-MMD 等電機(jī)均采用高強(qiáng)度轉(zhuǎn)子設(shè)計，兼顧電磁性能與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。電機(jī)高速化使得轉(zhuǎn)子軸扭振加劇，對殼體和軸的強(qiáng)度提出了更高要求。因此，需采用電機(jī)和減速器共殼體來提高殼體模態(tài)，從而減少裝配誤差積累。采用電機(jī)軸和減速器軸共軸方案，可以有效減少對中誤差積累，減小電機(jī)軸扭振強(qiáng)度[9-10]。

此外，由于永磁材料承受轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的拉應(yīng)力有一定限值，轉(zhuǎn)子表面與氣隙高速摩擦，摩擦損耗高于常速電機(jī)的摩擦損耗。此外，高速電機(jī)永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子硅鋼受材料自身硬度和強(qiáng)度限制，難以承受高速帶來的巨大離心力。因此許多公司設(shè)計高速電機(jī)轉(zhuǎn)子采用的整體設(shè)計思路是減少電機(jī)外徑小、加長轉(zhuǎn)子，這樣的設(shè)計策略可以減少離心力對轉(zhuǎn)子的影響。圖1 為AVL 設(shè)計的高速電機(jī)方案，其整體結(jié)構(gòu)為細(xì)長型，最高轉(zhuǎn)速為30 000 r/min。

圖1 AVL高速電機(jī)方案

多數(shù)公司對轉(zhuǎn)子進(jìn)行外附碳纖維包裹設(shè)計，以達(dá)到對轉(zhuǎn)子高速運行下保護(hù)的目的（圖2），其難點在于碳纖維纏繞的均勻性及碳纖維材料預(yù)緊力的選擇，同時還要考慮纏繞包裹物的殘留碎屑對氣隙的影響[11-15]。

圖2 外附碳纖維轉(zhuǎn)子方案

2.2 電機(jī)控制

高效、高密度、高電磁兼容性能是電機(jī)控制器的重要技術(shù)發(fā)展方向。通過采用電力電子集成技術(shù)，可有效減小整個控制器的質(zhì)量和體積，提高功率密度、降低成本。

目前，電機(jī)的控制方案分為基于數(shù)學(xué)模型和基于非數(shù)學(xué)模型2種控制策略，基于數(shù)學(xué)模型的控制包括：磁場定向控制FOC 方案、單位功率因數(shù)控制方案、模糊自適應(yīng)PID 控制方案和電機(jī)效率優(yōu)化控制方案；基于非數(shù)學(xué)模型的控制策略包括：傳統(tǒng)斬波控制方案、直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque Control，DTC）方案和模型預(yù)測轉(zhuǎn)矩控制（Model Predictive Torque Control，MPTC）方案[16]（圖3）。對比分析2種控制策略可知，基于數(shù)學(xué)模型控制策略可以保證轉(zhuǎn)矩和電流有較為精確地輸出，更適用于車用電驅(qū)系統(tǒng)中，但占用芯片內(nèi)存較多，對芯片要求較高。且隨著汽車用電驅(qū)系統(tǒng)高速化，為了達(dá)到穩(wěn)定的控制效果，需要更高的控制頻率（20 kHz 以上），要求主控芯片的硬件執(zhí)行速度更快，軟件功能設(shè)計最優(yōu)化。

圖3 電機(jī)控制方案

2.3 功率電子器件

電機(jī)高速化會導(dǎo)致電機(jī)工作頻率成倍增加。目前主流的硅基IGBT 在高頻情況下?lián)p耗急劇增加，會產(chǎn)生大量的熱。相較硅基逆變器，在同等功率下碳化硅（SiC）逆變器具有更小的體積、更高的功率密度和更高的開關(guān)頻率及更高的峰值效率。

其次，高速化會導(dǎo)致電機(jī)反電勢增加，需提高功率電子器件耐壓性、增強(qiáng)系統(tǒng)保護(hù)功能，如增加主動短路設(shè)計等，以提高系統(tǒng)安全性。SiC作為第3代寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)，具有很好的高頻特性，同時SiC功率電子器件具有體積小、耐高壓、耐高溫、損耗低和效率高的優(yōu)點，相比第1代、第2代半導(dǎo)體器件的性能，是高速化電驅(qū)系統(tǒng)功率電子器件的較好選擇，詳細(xì)的性能指標(biāo)對比見表2。

表2 半導(dǎo)體材料性能指標(biāo)對比

同時，SiC 高速開關(guān)器件也面臨一些問題，首先是開關(guān)速度與EMI 之間相互制約，其次是SiC 功率電子器件的可靠性低、制造難度較大，良品率低也是其難以快速推廣產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的主要原因。

2.4 高速軸承

軸承作為電驅(qū)動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，需要滿足電機(jī)高溫、高速的嚴(yán)苛運行環(huán)境，滿足電機(jī)的可靠性和耐久性要求。在設(shè)計階段，應(yīng)考慮高速軸承具有良好的密封性能、高溫性能和低溫性能，高速軸承應(yīng)具有承受反復(fù)啟停和軸向交變沖擊載荷的能力。同時還需考慮高速下軸承的NVH 性能，即在超高速運行工況下，軸承保持架應(yīng)使用NVH性能較好的塑料保持架，金屬保持架不能滿足高速工況下NVH 性能要求，以避免電機(jī)在高速運行時產(chǎn)生嘯叫。

2.5 減速器

極高轉(zhuǎn)速對軸承、齒輪和齒輪潤滑油都帶來更大的挑戰(zhàn)，NSK 等國際軸承制造商已經(jīng)初步具有極高轉(zhuǎn)速軸承解決方案，隨著轉(zhuǎn)速的升高齒輪嚙合的滑移率會逐步增大，齒輪發(fā)生點蝕、燒蝕的風(fēng)險增高，這需要抗剪切性能更高、高潤滑、低摩擦、抗高溫性能更優(yōu)良的潤滑脂來應(yīng)對。降低極高轉(zhuǎn)速下齒輪嚙合時的NVH 也是技術(shù)難點，目前國內(nèi)外汽車行業(yè)還沒有相應(yīng)的技術(shù)實例展示。

為解決電機(jī)高速化帶來的一系列難題，NSK 公司推出一種全新的理念，即牽引驅(qū)動減速器（Traction Drive Speed Reducer,TDSR）附著摩擦驅(qū)動減速技術(shù)，TDSR 技術(shù)用油膜摩擦代替齒輪傳遞力矩，當(dāng)傳動部件發(fā)生相對滑動時，兩部件接觸區(qū)內(nèi)的高壓油膜發(fā)生剪切變形，產(chǎn)生剪切力，從而傳遞動力。如圖4 所示，電機(jī)動力由太陽輪輸入，經(jīng)小齒輪滾柱傳遞到環(huán)形滾子后輸出。

圖4 TDSR傳動結(jié)構(gòu)

2.6 電機(jī)性能及冷卻

高速電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)熱量大，需對轉(zhuǎn)子鐵芯及磁鋼加強(qiáng)冷卻。電機(jī)常用冷卻方法有油冷和水冷兩種。通常高速電機(jī)需結(jié)合高性能冷卻，將冷卻水道布置在繞組中，采用定子槽內(nèi)布置冷卻管路直接與繞組接觸（圖5），通過冷卻水循環(huán)進(jìn)行冷卻散熱，提升繞組冷卻效率。油冷可以轉(zhuǎn)子軸通油，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)可將內(nèi)部的油甩到定子端部從而對電機(jī)定轉(zhuǎn)子進(jìn)行冷卻。此外，在殼體上布置油管也可實現(xiàn)對電機(jī)進(jìn)行噴淋冷卻。特斯拉、豐田等主機(jī)廠產(chǎn)品均有轉(zhuǎn)子冷卻設(shè)計。

圖5 圓、扁線定子冷卻對比

3 高速驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)技術(shù)挑戰(zhàn)

當(dāng)前汽車電驅(qū)動用高速永磁同步電機(jī)已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展，如一汽、比亞迪、上汽、特斯拉、小鵬、蔚來等主機(jī)廠都有高速電機(jī)的研發(fā)應(yīng)用，但仍面臨性能、材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計及生產(chǎn)方面的技術(shù)挑戰(zhàn)。

3.1 高功率密度挑戰(zhàn)

功率密度可以通過提升功率而得到提高，根據(jù)轉(zhuǎn)矩與功率計算公式可知，功率提升有2種途徑：

（1）提高扭矩；

（2）提高轉(zhuǎn)速。

提高電機(jī)功率密度需要應(yīng)對的挑戰(zhàn)包括：

（1）提高轉(zhuǎn)矩會導(dǎo)致過載電流加大，造成發(fā)熱量高，對電機(jī)散熱造成較大壓力；

（2）提高轉(zhuǎn)速時會導(dǎo)致電機(jī)鐵耗過大，需采用高性能、低損耗硅鋼片，因此成本較高。

3.2 高性能永磁材料挑戰(zhàn)

永磁材料也是制約永磁同步電機(jī)性能提升的重要因素，目前常用的永磁材料為釹鐵硼，主要表現(xiàn)為高剩磁密度、高矯頑力、高磁能積和線性退磁曲線優(yōu)異的磁性能。目前，釹鐵硼滿足新能源汽車對電機(jī)體積小、高功率密度、高效率和高速化的需求，但是釹鐵硼溫度穩(wěn)定性差，具有不可逆損失和溫度系數(shù)較高和高溫下磁性能順勢嚴(yán)重的缺點，從而影響電機(jī)性能進(jìn)一步提升。新型永磁材料的研發(fā)和應(yīng)用也將為電機(jī)設(shè)計提出了新挑戰(zhàn)，成功應(yīng)對挑戰(zhàn)將為高速電機(jī)的研發(fā)注入新的動力。

3.3 電機(jī)結(jié)構(gòu)及零部件設(shè)計挑戰(zhàn)

高速電機(jī)中永磁體的離心力會對轉(zhuǎn)子沖片產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，因此需要可靠、穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時也要求軸承具有較高的高速承載能力，對電機(jī)本身材料也有較高的要求，如：高強(qiáng)度、高硬度、低磁損。而非晶合金材料作為一種新興的綠色工程材料具有良好的耐磨性、軟磁特性和高強(qiáng)高硬度的特點，同時非晶材料可以大幅降低鐵芯損耗，適合高速電機(jī)的設(shè)計選材。

3.4 生產(chǎn)工藝挑戰(zhàn)

針對汽車電驅(qū)動用高速永磁同步電機(jī)，企業(yè)缺乏產(chǎn)業(yè)化積累，國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)成熟度和優(yōu)良品率不高，隨著純電乘用車市場規(guī)模不斷擴(kuò)大，高速永磁同步電機(jī)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用將給各生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)成熟度及高品質(zhì)量產(chǎn)帶來巨大挑戰(zhàn)。

4 總結(jié)與展望

在節(jié)能減排的政策驅(qū)動下，新能源汽車已經(jīng)度過了導(dǎo)入期，正在進(jìn)入快速成長期發(fā)展階段。高速、高功率密度和緊湊性也是未來電機(jī)的發(fā)展趨勢，永磁同步電機(jī)相對其它類型的驅(qū)動電機(jī)具備體積小、功率密度高的天然優(yōu)勢，因此永磁同步電機(jī)會成為電動汽車電驅(qū)動用高速電機(jī)的首選方案。

非晶合金具有較好的軟磁特性，是研發(fā)高速電機(jī)新型永磁材料的重要候選材料。非晶合金能降低鐵心損耗，且由于非晶合金的高頻損耗較低，可以通過提高頻率提高電機(jī)轉(zhuǎn)速、功率密度和轉(zhuǎn)矩密度。開發(fā)新一代高效、節(jié)能、質(zhì)量輕和體積小的非晶合金電機(jī)，能夠有效地提升我國高端驅(qū)動領(lǐng)域的研制生產(chǎn)水平，具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

因此，未來高速電機(jī)的發(fā)展和研究將基于上述關(guān)鍵問題，開展基于多物理場、多學(xué)科的耦合設(shè)計，開發(fā)高強(qiáng)度、耐高溫的永磁材料，研究高強(qiáng)度轉(zhuǎn)子疊片材料和結(jié)構(gòu)，以及開發(fā)高速電機(jī)控制系統(tǒng)方面的研究。