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知荐 低成本磁极结构设计·永磁电机

2019-04-15 15:30

  有个段子:美国人创造一个产业,德国日本把一个产业做精,韩国台湾把一个产业做烂,中国把一个产业做死,好像什么东西一来到中国,最后都会自觉不自觉的奔向白菜价。好多产品只要中国能做了,宁夏民族职业技术学院第一学生餐饮中心委托企业经营管立马画风突变,从匠心匠品的风格,强力切换成成按斤论价的格调。 比如说微型车,在欧美那都是时尚绿色的格调,处处蕴含着文艺范。而一来中国就沦落成了铁皮蒙大梁的光景。我花开后百花杀,这也是中国的独特竞争力了。所以,死生之重,不可不察啊。这期我们就讨论下如何在保持性能不变的情况下降低永磁电机的成本。

  降成本的功夫也是分三六九等,最次的就是以次充好,用低质材料代替好材料,效果是立竿见影,但品质也谈不上了,这是很多三流企业的拿手绝活,拼的是心理承受力和产品卡位。中等的方法是:损有余补不足,牺牲部分性能冗余,把好钢用在刀刃上,这是最常用的方法。最上乘的功夫就是通过技术创新,在同样的成本下,把产品的性能抬高。先爬到山顶,有了足够的势能,再往下冲就容易了。同样性能下,成本自然会降低,这套路有个说法叫:“以高维打击低维”。这是日美企业的降成本路数,蜗牛闭关潜心研究,将部分心得分享给小伙伴们。

  话虽然好听,但需要具体落实到技术底层,才能扎根。我们聚焦在电机的转子磁极设计,如何通过磁极设计,提高产品的势能。我将现在欧美企业的套路梳理为三条技术路线。分别为:少稀土、轻稀土、无稀土。

  为什么要和稀土杠上呢?因为稀土是电机中最贵的元素,稀土钕铁硼磁钢在电机成本中的占比达20~30%,要搁在2011年这个比例是40~50%。所以要降成本必然要向稀土下刀,怎么下刀,各有各的路数。

  少稀土的技术路线,其实我们已经自觉不自觉的在使用,说白了就是少用永磁体,但电机的性能要不降反升。比如说四代Prius(2017)电机稀土磁钢用量是三代产品的15%,效率反而提高1个百分点,功率密度也从1.6提高1.7kw/kg。

  prius2017实现降成本提性能,是多个技术创新配合的结果,其中一个主力技术是磁阻转矩的利用。我们知道电机的转矩由永磁转矩和磁阻转矩合成,如果把磁阻转矩比例提高了,永磁体用量也就能减少。所以如何提升磁阻转矩成了优化的关键。

  如何提升磁阻转矩,其中一个方法是采用双层磁钢设计,合适的双层磁钢能够降低Ld,提高凸极比。正是基于这一点 国外主流企业都采用双层磁钢,比如Nissan的leaf采用的V一结构、BMW采用的双一结构等等。下面这个例子,阐述的双V磁极结构,通过合适的设计这款344Nm的电机,磁阻转矩比例占到了50%以上,更难能可贵的是,转矩脉动不升反降控制在5%以内(不利用斜极)。这也就意味着,不仅能实现少稀土,还会提高NVH性能。符合先上山,后下山的打法。

  当然要走少稀土路线,是看花容易绣花难,因为它是一系列技术复合,限于篇幅就不展开,我将它总结如下图:

  轻稀土是和重稀土相对应的。意在减少贵重的稀土材料的比例。常用钕铁硼中:钕、铽(te四声)、镝约占30%的比重。 本田、Honda、GE等企业,找到了解决替代铽、镝的办法:分别为每公斤400美元和900美元的铽、镝被每公斤约100美元的钕所替代。如此永磁材料成本大幅度下降。但无Dy的磁钢必须要和相应的磁极结构等技术相匹配。因此无Dy技术是包括材料、磁极设计、热管理技术、保护策略等在内的复合技术。

  无Dy的稀土磁钢和传统铷铁硼相比,有一个特性就是矫顽力和剩磁只能保一头,要么高剩磁低矫顽力的I型,要么是低剩磁高矫顽的II型。如果是I型的磁钢,磁极设计的任务要解决的是抗退磁的问题。如果是II型磁钢,磁极设计的任务要解决的是高磁密的问题。

  GE公司开发了一系列的产品去验证无Dy技术,这里介绍一种II型无Dy磁材的磁极设计。GE公司开发了一种UV双层结构来解决“高磁密”的问题。左边的加厚磁钢的V型结构是对照案例。GE的设计目标是瞄准2020年技术指标,要求峰值功率55kw,最高转速14000rpm。

  GE的实践验证了UV结构具备优秀的聚磁效果,相比对照的V方案,反电动势更高(505V vs 217V)。通过提高24%的材料用量,电机的能效能够达到普通磁钢的水平, 总体而言成本仍有优势。

  无稀土技术是彻底不要稀土材料了,这是欧美企业孜孜不倦追求的。从技术路线上又可以分为铁氧体电机、同步磁阻电机、永磁助磁的同步磁阻电机。(当然还有铝镍钴电机,但目前还是比较小众。)

  需要说明的是这些无稀土电机早就有了,不算什么新鲜事。新鲜的是如何利用技术策略,使之达到车用驱动电机的要求的水平,即高功率密度和高效率。这是当前的技术开发前沿。下面介绍一种利用SPOKE技术的铁氧体电机,大家直观感受一下。

  这是英国Newcastle大学开发的一款的乘用车主驱电机,性能指标参照的对象是Nissan的Leaf 2010。他们采用了是普通的剩磁为0.44T的铁氧体材料。磁极结构如下图所示:磁钢被 分瓣转子磁极两面夹住,磁极通过鱼骨转子轴结构固定。相应的尺寸和参数如下图所示:

  通过设计团队的努力,样机的尺寸可以做到比leaf略小,体积功率密度大于2010年的水平。但这种结构还有一个问题,就是鱼骨转子轴的制造成本太高,工艺也不方便。他们目前在开发的下一代铁氧体SPOKE电机如下右图所示,采用整体式冲片。如此不但工艺成本下降,转速还可以做的更高。

  SPOKE铁氧体电机还有其它一些技术分支,很多已经开发成产品,我们至少需要认识到,通过磁极结构的创新以及其它技术的组合(比如高速化),利用铁氧体材料是可以设计出媲美普通钕铁硼电机性能的产品的。

  现在我们都能够理解,少稀土、轻稀土、无稀土三种低成本技术路线,其实是靠技术创新来降成本的。这才是真正的出路,也是欧美企业一直能保持高利润优势的根本原因。我国稀土资源丰富,可以不用走极端的无稀土路线。但可以学习别人的降本思路。比如更高效率的利用稀土材料,把稀土的特有优势发挥到极致,使得产品性能更高。先爬上一个技术制高点,就可进可退,利用技术代差来降成本。但世事知易行难,也急不来,需要水滴石穿的功夫。还是那句话,在因上用功,在果上随缘,与有志者共勉。返回搜狐,查看更多