经过：Jay Schultz，工业市场经理和史蒂夫波德，博士，Parker Hannifin Corporation
永磁电机和感应电机的设计方案还不清楚，那么混合动力汽车厂商如何决定哪一种是最好的呢?
在过去几年里，燃油价格的上涨、消费者对燃油经济性的要求以及政府要求降低温室气体排放的规定，都促使oem厂商提高了汽车的能效。其中一种方法是，oem正在多个不同平台上开发混合动力汽车(HEV)，包括汽车、卡车、工作船和建筑设备。
在实施混合动力计划时，大多数汽车厂商都会在感应电机(IM)和永磁交流电机(PMAC)之间进行选择。最近的一项研究使用有限元分析(FEA)软件来帮助确定最佳选择。
仔细看看混合动力电动汽车
丰田普锐斯提供了一个混合动力电动乘用车的一个很好的例子，具有类似于在许多各种车辆中实施的技术的适应性。普锐斯在动力系中使用电动技术。电动牵引系统为车轮提供电力，帮助推动汽车在加速期间，有助于提高汽车的燃油效率。
其他车辆，如工作卡车和建筑设备利用电动混合技术操作液压设备。运行这些部件的力量通常由机械地连接到液压泵的内燃机产生，而是通过使用电动混合技术，电力电压电气地运行，导致燃料效率增加。
该图示出了混合动力电动车辆动力系的主要组件。
电动液压混合动力汽车的主要电气部件包括内燃机、发电机、发电机控制器、电池组、电机控制器和与液压泵耦合的电机。
这里，内燃机旋转发电机并产生电压。发电机控制器确定从发电机进入电池组的功率和能量流量，以供以后用动力系或液压装置。
当驾驶员踩下车内的加速器或调整操纵杆以移动液压驱动器时，一个指令信号就会发送到电机控制器。从电池组中存储的能量流经电机控制器进入电机。电动机以特定的转速产生转矩，将电能转化为机械能。这种动力被传递到车轴和车轮上，使车辆开始运动。或者，动力可以传递到液压泵来增加压力，让司机移动，例如在升降机斗的情况下。
虽然电池和电力电子器件的差异影响了系统效率，但所用的电动机类型是最重要的元素。
用有限元法比较电机设计
用于磁性分析的有限元件进行比较IM和PMAC的性能。运行数千个设计方案以优化和比较电机类型之间的设计权衡。设计的规范基于真实的车辆需求。包括规格包括电机必须在间歇性的基础上产生至少600 nm的扭矩和100千瓦的电力。此外，电机需要连续地提供300nm的扭矩和60千瓦的电力，以及最大连续速度为5,000 rpm以达到公路速度。电源为600 VDC，200A且连续400毫升，间歇400毫升，电动机是水冷却的。
电机采用相似的材料，每一个都优化了最高效率，符合设计要求和最大功率密度。
感应电动机的分析
在IMs中发现的产生扭矩的材料是缠绕在定子薄片和转子薄片上的铜线，在转子薄片中插入绝缘的铜或铝棒。电动机绕组中的电压产生电流，从而产生磁场。磁场在同一点流过转子。电机控制器切换电压从一个绕组到下一个绕组，导致磁场的位置改变，转子跟随磁场。
基于规范，FEA模拟表明，对于车辆占空比优化的IM的直径为290mm，长度为234.4mm。鉴于那些尺寸，IM的每个活动成分被分配为一定重量以千克，所有组件的总数为72.81千克。
感应电动机的组成部分产生扭矩的材料是缠绕在定子和转子层的铜线，>与绝缘铜或铝棒插入转子层。图像：来自Infolytica Corp.的磁铁
有限元仿真的约束条件是电机在所有转矩转速点上以最大效率运行。这意味着感应电机在其最大电压条件下运行，允许更好地比较PMAC电机。
分析表明，经有限元优化后的异步电动机在基本转速下转矩和功率输出均迅速下降。因此，感应电机的峰值和连续功率值刚好满足设计标准。
接下来是感应电机的效率。该马达的效率图显示，与PMAC相比，该马达在整个作业区域的效率都较低。这是因为感应电机需要同时产生转子磁场和定子磁场。因为两个磁场都是由电流通过铜的循环产生的，所以有显著的I2R(电流的平方乘以电阻)损耗。
感应电机的转子上只有铜条，因此，电机可以在高速下产生低转矩值，效率高。在高速低转矩情况下，定子磁场和转子磁场都可以很小，因此磁损耗小。
每种电机类型的成本也被确定。该感应电机的活性材料比同类PMAC电机少26%左右。较低的成本是由于转子使用铜棒代替昂贵的永磁体。
永磁电机的分析
无刷PMAC电机有铜绕组包裹在单个层。铜线组件构成了定子的直径。转子是类似的转子使用在感应电动机。然而，在PMAC电机中，铝或铜插头被永久磁铁取代。
无刷PMAC电机的工作原理类似于感应电机，但他们提供了一个节能，因为磁铁有一个永久的磁场在转子。相比之下，感应电动机需要电子设备将额外的能量注入转子中的铜棒来产生磁场。
永磁交流电动机的组成部分。转子结构类似于感应电机，但这里的铝或铜插头被永久磁铁取代。图像：来自Infolytica Corp.的磁铁
在PMAC配置方面，电机控制器将电压和电流发送到铜绕组中。当电流从一个绕组到另一个绕组时，转子被吸引到移动定子场。这产生了PMAC电机的扭矩和旋转。
基于规范，FEA模拟表明，针对车辆占空比优化的PMAC电机的直径为195毫米，长度为326.4mm。这里，活性组分的总重量为49.82千克。该研究表明，电动机保持扁平扭矩曲线和所需速度。因此，PMAC电机的峰值和连续功率通过显着的边缘超过原始目标值。
在这种情况下的效率图表明PMAC电动机在操作区域的大部分上高效。这是恒定磁场的结果，它消除了感应电动机的许多I2R损耗。然而，PMAC电机在某个区域（小于60nm;大于4,000 rpm）的损耗较高，因为转子磁铁的旋转场产生定子中的损耗。相反，感应电动机在相同的低扭矩和高速参数内提供略微提高。
在成本方面，PMAC的永磁体是由稀土材料组成的，所以它比铜贵。然而，磁铁可以使更小的电机尺寸和提高效率。
比较汽车
优化电动机模型的分析表明，IM和PMAC电机都满足了必要的性能要求。此外，虽然IM比PMAC电机短，但它显着更重，并且具有两倍的体积。电机的最大效率是关闭，但IM的成本低于PMAC。这些结果可能导致一个结论，即IM的成本较低。但是当每个电机放在传动系中时会发生什么？作为研究的一部分，使用IM和PMAC电机FEA模型来模拟全电动车辆的性能。
利用有限元软件确定电机产生的转矩和各电机在各时间点所经历的磁损耗。为减少计算时间，在距离较近的扭矩工作点和转速工作点之间进行有限元求解插值。
该研究审查了“城市，”“农村”和“公路”驱动周期，基于现实生活驾驶场景所收集的数据。设置驱动循环使得IM或PMAC电机可以执行循环。正在研究的车辆代表了一种轻型等级3大型送货车。仿真结果遵循：
城市：平均速度低于7英里每小时，车辆经常停驶和启动。在模拟过程中，一个440秒的片段显示了电池的总能量消耗，并重复计算了一个小时的城市驾驶时间。总体而言，IM损耗消耗了电池总能量的34.6%，而PMAC电机损耗仅消耗了电池总能量的17.3%。总的来说，在使用相同能量的情况下，PMAC发动机比IM驱动车辆前进了27%。
农村:平均速度约为每小时30英里，车辆停止和启动的频率较低。1070秒的模拟片段在这些条件下重复了一个小时的驾驶。在这里，两个电机显示出相似的总能量消耗，但PMAC电机略好于IM。
高速公路:平均速度约为每小时57英里，车辆很少停止和启动。再一次，1070秒的模拟片段在这些条件下重复了一个小时的驾驶。在农村循环，总电池使用量几乎是相同的两个发动机。
总的来说，该研究表明，尽管感应电动机的昂贵较低，但是PMAC电机在具有显着速度变化的应用中的IMS具有高度的幅度。PMAC也适用于需要紧凑和功率密集电机的OEM。其他PMAC性能优势包括更好的加速和改进的渐变性（电机能力推动车辆等级 - 在这种情况下，7％）。此外，PMAC电机较小，更轻。数据显示PMAC对于具有高动态驱动周期的应用以及需要卓越的驱动性的应用程序是更好的选择。然而，如果尺寸和重量不是显着的因素或用于长持续时间发生低扭矩和高速的应用，则感应电动机可能是优选的选择。
派克汉尼汾公司公司
www.parker.com/hev
了下:运动控制提示
