2020年電機驅(qū)動技術(shù)展望-選擇高磁阻路線

“百舸爭流，優(yōu)勝劣汰的新能源汽車市場，倒逼著所有參與者在技術(shù)、成本、市場等各方面展開激烈的生存競爭。電機技術(shù)加速迭代、加速淘汰的態(tài)勢已顯現(xiàn)。回顧2019我們看到高性能的扁線電機方興，低成本少稀土技術(shù)漸露頭角。順著這個大趨勢，展望2020，我們一起來盤點潛在技術(shù)熱點。這期先聊“高磁阻技術(shù)路線” ”

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什么是高磁阻技術(shù)路線

什么是高磁阻技術(shù)路線？要從永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩構(gòu)成說起。永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩由磁阻轉(zhuǎn)矩和永磁轉(zhuǎn)矩兩部分構(gòu)成的。永磁轉(zhuǎn)矩和永磁體相關(guān)的那部分轉(zhuǎn)矩，磁阻轉(zhuǎn)矩是和永磁無關(guān)的那部分轉(zhuǎn)矩。如現(xiàn)在常見的Prius 單V結(jié)構(gòu) ，永磁轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩的大致比例在7：3到6：4之間，高磁阻路線就是追求磁阻轉(zhuǎn)矩比例更高的技術(shù)路線。

我們把視野放大，根據(jù)磁阻轉(zhuǎn)矩的比例高低制成一張“光譜”。在“光譜”的左端是“純永磁轉(zhuǎn)矩”，典型代表是“伺服應(yīng)用的SPM電機”， 另一端是“純磁阻轉(zhuǎn)矩”典型代表是“ABB標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)矩比例在50%以內(nèi)Prius第三代和第四代的IPM電機。 而高磁阻路線，追求磁阻轉(zhuǎn)矩比例超過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(zhuǎn)矩100%）還有一種是永磁助磁同步磁阻電機PMa-SynRm。

用“連續(xù)光譜”來形容SPM、IPM、PMa-SynRm、SynRm這四類電機有一個隱喻：就是這四類電機具有內(nèi)在同質(zhì)性，他們的定子結(jié)構(gòu)相同，控制硬件相同，控制算法類似。光譜上相鄰的兩類電機，它們之間只是磁阻比例量的不同，沒有質(zhì)上的區(qū)別。這種連續(xù)性給技術(shù)漸進發(fā)展帶來了有利條件。因此高磁阻技術(shù)路線，可以理解成在現(xiàn)有IPM電機路線上的繼續(xù)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

走高磁阻技術(shù)路線的最大的動因，是能夠降低成本。同樣大小的轉(zhuǎn)矩，磁阻轉(zhuǎn)矩比例提高了，永磁轉(zhuǎn)矩就減少，相應(yīng)的永磁成本也降低了。如下圖所示，高性能驅(qū)動電機的有效成本構(gòu)成中，無論是圓線還是扁線，磁鋼的占比都是最高的。因此用磁阻轉(zhuǎn)矩去代償永磁轉(zhuǎn)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(qū)發(fā)展路線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)路線的另外一個動因是降低反電動勢，如上期文章所述,整車廠對反電動勢要求愈發(fā)嚴(yán)格。反電動勢要求控制的越低，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(tǒng)角度而言，降低反電動勢的動因也是追求低成本。

在上一期中我們已經(jīng)論述了提高磁阻轉(zhuǎn)矩能夠有效降低反電動勢的原因，文末有鏈接此處不再論述。簡單的理解純磁阻同步電機SynRm是沒有空載反電動勢的，而磁阻轉(zhuǎn)矩比例略低的永磁助磁同步磁阻電機PMa-SynRm的反電動勢也會較低，能夠滿足更低的反電動勢要求。

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為什么是PMa-SynRm

走高磁阻路線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(jù)國外的產(chǎn)品經(jīng)驗，SynRm暫時尚達不到性能要求。我們從兩個案例來談。

一個是歐洲聯(lián)合開發(fā)的MotorBrain項目，這是一個先進電驅(qū)動系統(tǒng)項目，其中一個方向是采用純同步磁阻電機路線。這是一個4極48槽300Nm的電機， 電機和控制高度集成。電機完成了從設(shè)計到測試的完整過程，數(shù)據(jù)表明其扭矩密度和功率密度和常規(guī)的IPM電機相比具有明顯劣勢。

MotorBrain的技術(shù)指標(biāo)落后是因為采用了較傳統(tǒng)的同步磁阻技術(shù)，另外一個先進同步磁阻電機項目是橡樹林（ORNL）和GE合作的項目。采用雙相硅鋼材料作為轉(zhuǎn)子沖片材料。改項目還在進行中，目前和先進IPM電機相比仍然存在效率和功率因數(shù)方面的差距。（詳細見文末鏈接）

因為純同步磁阻電機的上述不足，目前階段選擇PMa-SynRm更現(xiàn)實可行，從另外一個方面而言PMa-SynRm和IPM相比更接近，可以采用同樣的控制算法就能實現(xiàn)，在技術(shù)上具備順延特性

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PMa-SynRm上車的挑戰(zhàn)

高磁阻的PMa-SynRm方案要想上車，必須滿足車用驅(qū)動的特殊應(yīng)用需求。因此我們的核心目標(biāo)是：“從輸出能力到安全性共七個方面和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(diào)研了目前常用的高磁阻方案的轉(zhuǎn)子拓撲結(jié)構(gòu)，PMa-SynRm是一種新型電機細分種類，目前能看到的拓撲結(jié)構(gòu)大致如下圖所示。這些結(jié)構(gòu)都有一個共同點：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經(jīng)典案例值得學(xué)習(xí)：

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題，且功率較小和車用驅(qū)動不匹配。其二是韓國Sungkyunkwan 大學(xué)提供的高磁阻方案，但它的缺點是輸出轉(zhuǎn)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--普通車用圓線電機的水平。其三是美國GM公司正在開發(fā)的非稀土助磁方案，其扭矩密度和功率密度都達到車用電機水平，但高速時轉(zhuǎn)矩和功率衰減過快，無法滿足車輛高速行駛的要求。

在保證能降低成本的基礎(chǔ)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需要面臨的三大挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，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(jié)構(gòu)提高凸極比，從而提高磁阻轉(zhuǎn)矩比例，降低成本；

三、采用基于遺傳算法的多目標(biāo)優(yōu)化，以平衡轉(zhuǎn)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(shè)計過程

在具體實施上，對標(biāo)的是120kw小型乘用車、物流車用IPM普通永磁同步電機，最大扭矩280Nm，最高轉(zhuǎn)速14000rpm，如下圖所示IPM電機采用V型轉(zhuǎn)子拓撲結(jié)構(gòu)，高磁阻方案采用三層轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)拓撲。

三層結(jié)構(gòu)拓撲的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子參數(shù)變量超過43個，優(yōu)化目標(biāo)即要兼顧低速高轉(zhuǎn)矩、又要防止高速功率過載，同時還要防止磁鋼退磁和NVH故障。考慮工況組合，優(yōu)化目標(biāo)超過12個。像這類多變量、多目標(biāo)的設(shè)計要求，我們稱之為“復(fù)雜設(shè)計問題”。 傳統(tǒng)的人工調(diào)整設(shè)計方法已遠無法滿足要求。因此我們采用“參數(shù)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)+遺傳算法多目標(biāo)優(yōu)化“來解決這類復(fù)雜設(shè)計問題。

在設(shè)置目標(biāo)時，我們選取了最大轉(zhuǎn)矩、空載、最高速度三個工況。其中最大轉(zhuǎn)矩工況以最大轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩脈動、成本、溫升時間、單位轉(zhuǎn)矩銅耗作為優(yōu)化目標(biāo)，其實是即要監(jiān)控扭矩輸出能力和成本、還要監(jiān)控溫升和效率。防止出現(xiàn)高扭矩高損耗的不利情形；

空載工況的優(yōu)化目標(biāo)核心是"齒槽轉(zhuǎn)矩"、"反電動勢諧波畸變率"、"反電動勢幅值"這是從三個不同的角度來約束電機的性能：“齒槽轉(zhuǎn)矩”控制的是電機運行平順度，“諧波畸變率”控制的是反電動勢的正弦性，越正弦越易控制；“反電動勢幅值”是主機廠要求，越低對控制控制器成本越有利。

高速工況的優(yōu)化目標(biāo)選擇了“感應(yīng)電壓幅值”、“輸出轉(zhuǎn)矩”、“轉(zhuǎn)矩脈動”、“諧波畸變率”作為優(yōu)化目標(biāo)，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(shè)置了“磁鋼工作點”作為優(yōu)化目標(biāo)，以控制磁鋼的抗退磁能力；

在優(yōu)化變量設(shè)置上，我們選取了定子和轉(zhuǎn)子兩方面的參數(shù)。也可以定子不變，僅作轉(zhuǎn)子優(yōu)化，尋找轉(zhuǎn)子局部最優(yōu)解。反過來也一樣可求取定子最優(yōu)解。我們這里選擇了全局變量優(yōu)化的，以獲得最佳的定轉(zhuǎn)子組合解，這會增加算法尋優(yōu)的難度和計算量。

優(yōu)化的過程可以從下圖的界面中加以監(jiān)控。圖中的每一個點都代表一個方案，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)優(yōu)化到了23代之后，轉(zhuǎn)矩和成本的邊界條件就已經(jīng)初步呈現(xiàn)，這條線代表了優(yōu)化到極限時：轉(zhuǎn)矩和成本的對應(yīng)的關(guān)系。進化60代后，可以看到轉(zhuǎn)矩和成本呈現(xiàn)明顯的線性關(guān)系，而成本低于1200元（原IPM電機的80%），扭矩大于280Nm的點集，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(zhuǎn)矩必須>280Nm，轉(zhuǎn)矩脈動必須<08%，來作多角度多方位的篩選。

最后發(fā)現(xiàn)滿足成本、扭矩、反電動勢、轉(zhuǎn)矩脈動等各方面限制條件的解只有四個，我們通過綜合評判，人工選擇了最后一個方案。優(yōu)化軟件自動生成了下圖所示的轉(zhuǎn)子模型，這個解將用來和IPM電機PK。

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案例分析：PMa-SynRm和IPM的PK

我將算法進化出的Pma-SynRm方案命名為Design1,并和對標(biāo)IPM作了各方面的對比。在效率Map圖方面我們發(fā)現(xiàn)高磁阻方案和IPM相比效率分布區(qū)域基本相當(dāng)，但效率>96%高效面積略低于IPM。而在高速區(qū)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(shù)作了對比，高磁阻方案在14000rpm的線反電動勢幅值只有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。這也意味著我們在高磁阻方案中同時采用的稀土和鐵氧體兩種磁材。

磁阻轉(zhuǎn)矩比例高低是實現(xiàn)低成本和低電壓的關(guān)鍵，下圖顯示了高磁阻方案磁阻轉(zhuǎn)矩比例達到了61%，永磁轉(zhuǎn)矩只占小頭39%，而原IPM方案其實磁阻轉(zhuǎn)矩比例并不低，達到了49%。也就是說原IPM電機是一個較高水平的對標(biāo)對象。

車用驅(qū)動電機非常重視寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的輸出能力。 對比轉(zhuǎn)矩和功率曲線，本案高磁阻方案基本和對標(biāo)IPM基本，在低速區(qū)域高磁阻方案多出8Nm,而14000rpm高轉(zhuǎn)速點，峰值功率下降10%，只有90kw，下降比例在可控范圍內(nèi)。需要注意的是，這類高磁阻轉(zhuǎn)矩的電機峰值功率極易快速衰減，在優(yōu)化時，需要給與高速輸出能力目標(biāo)以更多的權(quán)重。

詳細對比關(guān)鍵工作點的性能，我們會發(fā)現(xiàn)更多的信息：

首先高磁阻方案的轉(zhuǎn)矩脈動小于IPM方案，在低速、額定、峰值功率點轉(zhuǎn)矩脈動都小于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(biāo)優(yōu)化時，對轉(zhuǎn)矩脈動作了嚴(yán)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(shù)較低，如額定點高磁阻方案的功率因數(shù)只有0.79，而IPM方案達到了0.9，低功率因數(shù)是這類電機的先天短板，在本案中低功率因數(shù)并沒有影響最大轉(zhuǎn)矩時的電流，是因為最大轉(zhuǎn)矩時電壓未用滿。而沒有惡化高速時的電流，是因為高速時IPM需要很強的弱磁電流，功率因數(shù)也較低，兩相比較未凸顯缺點。最后我們也發(fā)現(xiàn)高磁阻方案的一個缺陷，高速時磁鋼的渦流損耗較大，90kw@14000rpm時磁鋼損耗達到了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(biāo)。

最后一個關(guān)鍵問題是磁鋼退磁問題，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。

在高溫時剩磁會下降，但內(nèi)稟矯頑力卻能提高，因此其高溫拐點會變低，跌出第二象限。但高溫會導(dǎo)致電流變大，因此需要控制 高溫時磁鋼的工作點高于0點。

在低溫時，鐵氧體的磁性能會增強，但內(nèi)稟矯頑力會變小，這個時候拐點較高，因此其退磁曲線有很大一部分是彎曲的。我們選擇的鐵氧體低溫-40℃的拐點是0.08Telsa。因需要控制在低溫時磁鋼工作點高于0.08Telsa。

下面兩圖是我們通過磁鋼形狀和其周圍結(jié)構(gòu)形狀微調(diào)，來提升磁鋼高、低溫工作點的效果。從我們的實踐來看，磁鋼的寬厚比、磁鋼槽漏磁旁路設(shè)計對最低工作點影響較大，需要在優(yōu)化設(shè)計時作為關(guān)鍵優(yōu)化變量。

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總結(jié)

最后我們對高磁阻電機“PMa-SynRm”方案作個總結(jié)：

它能夠有效降低成本，達到20%以上；它能夠降低反電動勢,達到17%以上，以滿足主機廠需求；它在轉(zhuǎn)矩脈動、齒槽轉(zhuǎn)矩方面沒有明顯劣勢，能夠滿足NVH要求；它的輸出能力和調(diào)速范圍可以做到和普通永磁同步電機相當(dāng)；最高效率和高效區(qū)域和IPM基本在同一水平；磁鋼的安全性可以通過優(yōu)化設(shè)計來解決；它的轉(zhuǎn)矩密度和功率密度比IPM略低4% ；

因此它基本達到了上車應(yīng)用的條件，將是一個具備競爭力的解決方案，下一步我們將高磁阻電機和扁線技術(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候都迫切。我們發(fā)現(xiàn)高磁阻技術(shù)路線，能夠有效降低成本并不影響性能，是一條可以持續(xù)增進競爭力的路子，我們也愿意以開放的態(tài)度，擁抱合作，將電機做的更好、更有競爭力。