国外新能源汽车电机研发和仿真方向探讨（上）美国2025电机目标分析以及电机技术发展动态（主讲人：陈天...
本文为2020年7月8日西莫电机论坛第34期在线研讨会精华整理版。
主讲老师——陈天赠（高级电磁技术经理。2009年进入上海电气从事电气设计工作，2012年进入上海海立电器有限公司从事电机设计工作，2017年加入IDAJ中国负责电磁仿真技术工作。曾负责多个电机开发的项目，包括感应电机和永磁电机的产品开发工作，对永磁同步电机和感应电机的电磁仿真、设计、试验、工艺等有较为丰富的经验，使用JMAG电磁仿真软件多年，申请电机相关专利一项。西莫ID：chentz）
主要内容
1.美国2025电机目标分析
2.电机技术发展动态
3.著名新能源整车和电机公司仿真案例（含丰田、本田、日产等）
4.电磁场仿真发展新动态
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上图是美国在2013年制定了一个2020年的一个目标，他是跟2015年进行比较的，可以从上图左下角看到比如功率密度从3.5提升到4.0，所以它的成本也要降低，那么再分解到右边，这边是电控跟电机方面，可以看到电控的体积功率密度也提升了，然后电机的成本要从七美元每千瓦降低到4.7美元每千瓦，而电机的体积功率还要进一步提高，从5提高到5.7，所以从当时来说这个提升率还是相对比较高的，然后我们可以看一下其他公司当时的产品是什么状态。
上图是从资料上面找到的宝马I3的数据，从左边可以看到他是电控密度是18.5，显然已经达到了2020年的目标，电机的功率密度是9.2也达到了2020年美国的标准，但是他没有达到2025年的目标，我们可以看一下下面2025年的一个目标分析。
上图其实是2018年的时候制定的，它是以2015年作为基准，而且是以一百千瓦的电力牵引驱动电机作为基准，可以看到它的成本必须要达到六美元每千瓦，跟2015年相比就必须要降低50%，功率密度要提高，相当于体积要减少到原来的1/10，并且使用寿命要增加到原来的两倍，所以说他这几个方面都需要做到一个提高。
上图是电动牵引系统跟2020年的目标对比数据，它的成本要降低25%，体积要降低到原来的88%，所以这个相对比率还是挺高的。
上图就是分解到电控跟电机的系统数据。
2025年驱动系统峰值功率密度为33Kw/L，是2020年目标的8.25倍。
2025年驱动系统成本需要达到$6/KW，需要减少25%。
2025年电控功率密度为100KW/L，是2020年约7.5倍。
2025年电机功率密度为50KW/L，是2020年约8.8倍，成本还要降低约30%。
上图把电机跟电控合到了一起，大家可以看红色的这段，2025年时电机的功率密度要达到五十KW/L，是2020年的8.8倍，成本还要降低30%，相对于2020年的目标比说还是比较高的。但是这个是不是不可能完成的？我们来看接下来这张。
上图这一款是美国他们当时生产的一款铁氧体永磁电机，转子采用双层spoke结构，所以说它实现无稀土化，该电机在9000rpm下峰值功率为103W，电机功率密度为10.3KW/L，达到了2020年5.7KW/L的目标，成本为4.4$/KW，也达到了2020年4.7KW/L的目标。
前面相当于对美国的目标做了一个简单分析，那接下来就看一下针对这个目标采取了哪些技术路线，或者说采用了哪些手段。
这里我们只跟大家探讨一部分技术路线，详细的大家可以去网上下载
电动机战略：
1、采用先进的材料，包括超导铜，重稀土和非稀土磁体以及低成本，高压绝缘材料等。
2、这些材料改进适用于许多不同类型的电动机，如下图。了解新材料的特性及其在改善电机性能方面的应用是将其应用于电机设计创新的关键。
3、通过对分析的理解，更准确的建模以及通过高性能计算实现的电机优化，可以将电气和热性能提高30％到50％。
电动机研发领域
为了执行实现2025年目标的电动机策略，需要在许多领域进行具体研究以解决潜在问题。上图主要是在材料方面的，比如说超导铜，硅钢方面的，导热环氧树脂和填料方面的，高碳钢方面的等等，那么今天介绍一部分材料的应用，给大家平时工作上提供一个思路。
材料创新方面战略：
·电工钢可提高效率
·纳米碳基导体
·非稀土磁铁
·软磁铁材料
上图是对电机整体的一个分解，传感器、绕组、绝缘系统，还有定转子铁芯、磁铁以及冷却系统，这样分解就可以清晰的知道材料可以应用到哪方面。比如说电工钢是否可以使定转子铁心铁损下降等，可以更清晰的了解材料的应用。
电机和材料的高级HPC建模（ELT49）
从他的年报中看到他也在开发自己的仿真软件，他早期的软件大家可以看到下图左上角只能支持这种线性的，右边那个非线性的是无法支持的，然后他还做了一个转矩波动，这个对于他来说是比较大的一个挑战，所以他与商业软件进行了比较，发现贴合度还是比较好的，后续相信他可能还要从损耗方面等去改进。
超导铜的技术研究
上图是他的超导铜的一个技术研究，它采用的是碳纳米管，其实有点类似于石墨烯，它可以使电阻率下降，导电能力加强，但是碳纳米管是不能单独使用的，他必须附着在铜上面，铜作为一个基底，所以才有这个铜碳纳米管。碳纳米管材料的含量、排布会影响超导铜的导电性，所以现在可以从一些文章上看到，有很多他的加工方法、实现他的工艺，这里只是其中的一种。
这项研究的目的是研究使用UCC作为绕组导体对牵引电机的功率密度和效率的影响。与传统的铜相比，UCC是基于铜的碳纳米管复合涂层导体，可增强导电性。
上图是他做出来的一些样品比较。碳纳米管材料它的导电率是10倍于铜，电流容量100倍于铜，热传导效率10倍于铜，强度是铜的300倍，重量仅是铜的1/4~1/6。生产出来的铜碳纳米管导电率基本是铜的两倍，导热系数是10倍，电流密度是100倍于铜。但是碳纳米管材料的含量、排布还有很大问题，生产技术不成熟。
左图绕线转子同步电动机（WRSM）采用标准铜和UCC的比较，左图显示矩形带状绕组设计可使采用UCC的电动机的质量减少6％左右，而体积减少7％左右。还是有很大效果的。尽管目前成本非常高昂，但这是一种很有潜力的技术，因为它的理论成本极限非常低，应用前景又非常看好，虽然离发展成熟尚需要时日。
电动机用6.5%硅含量叠压钢板技术研究
为了满足DOE 2020的功率密度目标1.6 kW/kg和5.7kW/L，功率密度提高，体积要减少，那么转速就要更高，转速更高，频率就会更高，损耗增加，需要先进的钢板来避免效率下降涡流损耗上升。
上图的比较表明，将Si从3％增加到6.5％可使平均铁损降低约35％。
3％Si钢（标记为“非取向SiFe”）的电阻率比6.5％Si（标记为“JNEX-Core”）的电阻率低约44％，硅越多，电阻率越高，涡流越低，因此铁芯损耗几乎与电阻增加成反比。
对于所示的各种频率和磁通密度水平，损耗减小是一致的。
无稀土或者少稀土技术研究
阻碍电动机发展因素包括：
磁铁成本和稀土元素价格波动
非稀土电动机性能
材料性能优化（例如，电导率等。）
这是他稀土方面的一个研究，大家可以看到，2011年的时候，稀土价格产生了比较大的波动，所以像美国日本他们当时就开始逐渐的研究无稀土或者少稀土，为了以后这种战略上的电机发展布局。
AlNiCo是一种低成本，低矫顽力的永磁体。由于其低矫顽力，极易退磁。因此，抗退磁是AlNiCo牵引电机的主要设计挑战。抗退磁的转子设计将使这种非稀土低成本磁铁用于牵引电动机成为可能。
上面左图为欲采用的抗退磁AlNiCo电机和BMW i3电机的反电动势（EMF）和转矩波形。AlNiCo电动机具有更高，更平滑的反电动势。它还具有更平滑的扭矩。因此，AlNiCo电机不需要任何斜极即可减小转矩纹波。 BMWi3电动机具有较高的转矩，这是因为转子凸出部分会产生附加的磁阻转矩。但是，如果不斜极，BMWi3电机的转矩脉动会很高。实际的BMW i3电机需要并使用斜极，这会降低实际电机的平均转矩。
为了确认AlNiCo转子设计具有抗退磁的能力，该设计经受了最严格的退磁方案-最高速度为16,000 rpm时产生三相短路。
AlNiCo转子保持其原来磁化时的75％并达到稳定的状态。
并且施加重复故障后，反电动势没有进一步降低。该结果证实了所提出的AlNiCo转子设计的可行性。应当指出，三相短路是一种极端故障，其发生的可能性非常低。
在施加过电流之前和之后计算扭矩如左图，电流施加到d轴（完全抵消PM激励）。与BMW i3电动机进行比较，AlNiCo转子退磁后的扭矩降低略高。
两相硅钢的研究（GE）
双相磁性材料的概念是指通过局部处理可以引入非磁性区域的磁性材料。通用电气内部开发了这种材料。左图表示SynRel设计示例中材料的两相。冲片中的绿色区域代表材料的磁相，而红色区域代表材料的非磁相。通过选择使磁桥和中心柱成为非磁性区域，这样就会降低漏磁，使走过气隙的主磁通增加，增大转矩，这将对解决SynRel电机的挑战产生重大影响。
要求非磁性桥和中心柱能够承受由于高速度而产生的机械应力，并且不会对这些区域产生过多的漏磁通。磁区的屈服强度为40ksi，非磁区的屈服强度为82ksi，这有助于减小桥柱的厚度。左图示出用于验证的概念叠片，并且如图中所述，通过使用磁性纸，可以看出桥和柱显示为类似于空腔的非磁性。