2020年电驱动电机技术展望-高磁阻路线
“百舸争流，优胜劣汰的新能源汽车市场，倒逼着所有参与者在技术、成本、市场等各方面展开激烈的生存竞争。电机技术加速迭代、加速淘汰的态势已显现。回顾2019我们看到高性能的扁线电机方兴，低成本少稀土技术渐露头角。顺着这个大趋势，展望2020，我们一起来盘点潜在技术热点。这期先聊“高磁阻技术路线” ”复习的英语
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什么是高磁阻技术路线
什么是高磁阻技术路线？要从永磁同步电机的转矩构成说起。永磁同步电机的转矩由磁阻转矩和永磁转矩两部分构成的。永磁转矩和永磁体相关的那部分转矩，磁阻转矩是和永磁无关的那部分转矩。如现在常见的Prius 单V结构 ，永磁转矩和磁阻转矩的大致比例在7：3到6：4之间，高磁阻路线就是追求磁阻转矩比例更高的技术路线。
我们把视野放大，根据磁阻转矩的比例高低制成一张“光谱”。在“光谱”的左端是“纯永磁转矩”，典型代表是“伺服应用的SPM电机”， 另一端是“纯磁阻转矩”典型代表是“ABB标准工业同步磁阻电机”。而在这两极之间还存在许多中间状态：比如磁阻转矩比例在50%以内Prius第三代和第四代的IPM电机。 而高磁阻路线，追求磁阻转矩比例超过50%，在光谱中有两种电机可选，除了纯同步磁阻电机SynRm（磁阻转矩100%）还有一种是永磁助磁同步磁阻电机PMa-SynRm。
用“连续光谱”来形容SPM、IPM、PMa-SynRm、SynRm这四类电机有一个隐喻：就是这四类电机具有内在同质性，他们的定子结构相同，控制硬件相同，控制算法类似。光谱上相邻的两类电机，它们之间只是磁阻比例量的不同，没有质上的区别。这种连续性给技术渐进发展带来了有利条件。因此高磁阻技术路线，可以理解成在现有IPM电机路线上的继续发展，可以叫它“特殊的IPM”电机也可以叫“PMa-SynRm”。
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为什么要走高磁阻技术路线
走高磁阻技术路线的最大的动因，是能够降低成本。同样大小的转矩，磁阻转矩比例提高了，永磁转矩就减少，相应的永磁成本也降低了。如下图所示，高性能驱动电机的有效成本构成中，无论是圆线还是扁线，磁钢的占比都是最高的。因此用磁阻转矩去代偿永磁转矩是降低成本的有效措施。
从国外看，美国DOE制定的2025年电驱发展路线图中降成本的路径之一是：降低稀土磁钢用量。
走高磁阻技术路线的另外一个动因是降低反电动势，如上期文章所述,整车厂对反电动势要求愈发严格。反电动势要求控制的越低，控制器器件的耐击穿电压要求也越低，成本也越低。因此从系统角度而言，降低反电动势的动因也是追求低成本。
系统 | 原反电动势要求 | 新反电势要求 |
540V系统 | 英文作文网1080V carry是什么意思英语 | 850V |
336V系统 | 750V | 550V |
facts | | |
在上一期中我们已经论述了提高磁阻转矩能够有效降低反电动势的原因，文末有链接此处不再论述。简单的理解纯磁阻同步电机SynRm是没有空载反电动势的，而磁阻转矩比例略低的永磁助磁同步磁阻电机PMa-SynRm的反电动势也会较低，能够满足更低的反电动势要求。
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为什么是PMa-SynRm
走高磁阻路线是成本压力下的必然选择，具体的方案有PMa-SynRm和SynRm两种可选。根据国外的产品经验，SynRm暂时尚达不到性能要求。我们从两个案例来谈。
一个是欧洲联合开发的MotorBrain项目，这是一个先进电驱动系统项目，其中一个方向是采用纯同步磁阻电机路线。这是一个4极48槽300Nm的电机， 电机和控制高度集成。电机完成了从设计到测试的完整过程，数据表明其扭矩密度和功率密度和常规的IPM电机相比具有明显劣势。
MotorBrain的技术指标落后是因为采用了较传统的同步磁阻技术，另外一个先进同步磁阻电机项目是橡树林（ORNL）和GE合作的项目。采用双相硅钢材料作为转子冲片材料。改项目还在进行中，目前和先进IPM电机相比仍然存在效率和功率因数方面的差距。（详细见文末链接）
noproblem因为纯同步磁阻电机的上述不足，目前阶段选择PMa-SynRm更现实可行，从另外一个方面而言PMa-SynRm和IPM相比更接近，可以采用同样的控制算法就能实现，在技术上具备顺延特性。
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PMa-SynRm上车的挑战
高磁阻的PMa-SynRm方案要想上车，必须满足车用驱动的特殊应用需求。因此我们的核心目标是：“从输出能力到安全性共七个方面和IPM作对比，以论证其是否具备性能和成本的可行性。”
在案例分析对比之前，我们调研了目前常用的高磁阻方案的转子拓扑结构，PMa-SynRm是一种新型电机细分种类，目前能看到的拓扑结构大致如下图所示。这些结构都有一个共同点：采用3层~4层的磁极，并在若干层中放置有永磁体以助磁。
在这些方案中有三个经典案例值得学习：
∙其一是日本Osaka Prefecture大学提供的铁氧体助磁方案，但该方案面临磁钢局部退磁问题，且功率较小和车用驱动不匹配。
∙其二是韩国Sungkyunkwan 大学提供的高磁阻方案，但它的缺点是输出转矩低于普通IPM，且有效扭矩密度仅有25.5Nm/L,远低于目前40~50m/L--普通车用圆线电机的水平。
∙其三是美国GM公司正在开发的非稀土助磁方案，其扭矩密度和功率密度都达到车用电机水平，但高速时转矩和功率衰减过快，无法满足车辆高速行驶的要求。
男士祛痘印方法在保证能降低成本的基础上，提供和普通永磁同步电机媲美的低速大载能力、防止高速功率快速衰减，并提高磁钢抗退磁能力，是目前高磁阻方案上车需要面临的三大挑战。为了应对这些挑战，本案采用了一系列技术策略：一、采用非稀土磁钢，降低稀土磁钢比例，
以降低永磁降低成本；二、采用三层结构提高凸极比，从而提高磁阻转矩比例，降低成本；三、采用基于遗传算法的多目标优化，以平衡转矩、高速功率、磁钢抗退磁能力、NVH等多方面的要求。
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案例分析：PMa-SynRm的设计过程在具体实施上，对标的是120kw小型乘用车、物流车用IPM普通永磁同步电机，最大扭矩280Nm，最高转速14000rpm，如下图所示IPM电机采用V型转子拓扑结构，高磁阻方案采用三层转子结构拓扑。儿童节快乐英语怎么写
三层结构拓扑的转子，转子参数变量超过43个，优化目标即要兼顾低速高转矩、又要防止高速功率过载，同时还要防止磁钢退磁和NVH故障。考虑工况组合，优化目标超过12个。像这类多变量、多目标的设计要求，我们称之为“复杂设计问题”。 传统的人工调整设计方法已远无法满足要求。因此我们采用“参数化转子结构+遗传算法多目标优化“来解决这类复杂设计问题。
在设置目标时，我们选取了最大转矩、空载、最高速度三个工况。其中最大转矩工况以最大转矩、转矩脉动、成本、温升时间、单位转矩铜耗作为优化目标，其实是即要监控扭矩输出能力和成本、还要监控温升和效率。防止出现高扭矩高损耗的不利情形；空载工况的优化目标核心是'齿槽转矩'、'反电动势谐波畸变率'、'反电动势幅值'这是从三个不同的角度来约束电机的性能：“齿槽转矩”控制的是电机运行平顺度，“谐波畸变率”控制的是反电动势的正弦性，越正弦越易控制；“反电动势幅值”是主机厂要求，越低对控制控制器成本越有利。高速工况的优化目标选择了“感应电压幅值”、“输出转矩”、“转矩脉动”、“谐波畸变率”作为优化目标，前两者和高速扭矩、功率输出能力有关、后两者和电机NVH相关。此外我们还设置了“磁钢工作点”作为优化目标，以控制磁钢的抗退磁能力；在优化变量设置上，我们选取了定子和转子两方面的参数。也可以定子不变，仅作转子优化，寻找转子局部最优解。反过来也一样可求取定子最优解。我们这里选择了全局变量优化的，以获得最佳的定转子组合解，这会增加算法寻优的难度和计算量。
优化的过程可以从下图的界面中加以监控。图中的每一个点都代表一个方案，我们发现当优化到了23代之后，转矩和成本的边界条件就已经初步呈现，这条线代表了优化到极限时：wouldrather的用法转矩和成本的对应的关系。进化60代后，可以看到转矩和成本呈现明显的线性关系，
而成本低于1200元（原IPM电机的80%），扭矩大于280Nm的点集，就是符合我们要求的解集。
pitch优化完成后，能够看到上千条解，我们施加了一系列限制条件，比如转矩必须>280Nm，转矩脉动必须<08%，来作多角度多方位的筛选。
最后发现满足成本、扭矩、反电动势、转矩脉动等各方面限制条件的解只有四个，我们通过综合评判，人工选择了最后一个方案。优化软件自动生成了下图所示的转子模型，这个解将用来和IPM电机PK。
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案例分析：PMa-SynRm和IPM的PK
