-2024年度-
新能源驱动电机
与极低速、极高速
工业电机的设计异同点
-EVH1000-
Q:
从设计角度看，超低速和超高速工业电机
和新能源汽车电机有什么设计异同点？
A:
超低速和超高速工业电机在设计方面与新能源汽车电机设计存在显著的异同点，以下是对这些异同点的详细分析：
一、相同点：
高性能需求：无论是超低速、超高速工业电机还是新能源汽车电机，都追求高性能。这包括高效率、高功率密度、良好的动态响应等。
安全性考虑：所有电机设计都需要考虑安全性，包括热管理、电磁兼容性、机械强度等方面。
材料选择：在电机设计中，材料的选择对性能有重要影响。例如，高强度轻量化材料被广泛应用于提高电机效率、降低重量和成本。
二、不同点：
2.1核心区别：
工业电机一般转速范围没有汽车电机那么大，工况也没有汽车电机那么复杂；二是工业电机没有汽车电机对功率密度和转矩密度要求那么高，批量可能也没有那么大。因此二者在设计方面考虑的因素还是有很大的不同，例如工业上带风机、泵类负载的电机比较常见，它虽然也有比较宽的调速范围，但这些电机的负载要求，转速越高，转矩会成平方增大，功率会成三次方的增大，因此在设计时一般应考虑在最高工作转速（或接近最高工作转速）达到最大转矩来设计，而汽车电机在高速时往往是高速公路超车场景，只是风阻，转矩要求并不太高，只保证峰值功率即可。在只是一个例子，其它方面也各有不同，需要根据具体应用场景予以合理设计。
2.2设计目标：
超低速工业电机：主要关注启动扭矩大、机械效率高、运行平稳等特点。其设计目标通常是在低速下提供稳定的动力输出。
超高速工业电机：追求高转速、高功率密度和动态响应快。设计目标是在高速下提供高效、可靠的动力。
新能源汽车电机：设计目标是提高能效、降低自重、控制NVH等，确保动力系统更好的匹配。
2.3 电机类型：
超低速工业电机虽然在应用方面对电机类型不做具体要求，但从电机本身的固有特性方面，能够在极低速下表现出高性能稳定运行的电机种类只有同步电机，包括永磁同步电机或电励磁同步电机。而其它类型的电机，如异步电机和直流电机等都存在严重的固有缺陷，不太适用于极低速运行场合。在极低速下要么性能不佳，要么电机的结构过于庞大复杂或成本过高。例如：极低速运行要求极数极多，异步电机的功率因数会极低；开关磁阻电机在极低速下转矩脉动很大；直流电机在极低速下体积过于庞大，使得电枢和换向器等部件难以制造。只有同步电机能够在极低转速下可以高性能运行，制造也相对较为容易和成熟，例如在大型灌流式水电机组和直驱型大型风力发电机方面同步电机均有成功的应用案例。
图片来源：21ic电子网
超高速工业电机：通常使用感应电机、永磁电机或开关磁阻电机等类型，这些电机类型在高速条件下具有良好的性能。
新能源汽车电机：以永磁同步电机和交流异步电机为主，特别是在主驱电机上，永磁同步电机因其高功率密度、高效率等特点而被广泛采用。
图片来源：空压机网
2.4技术挑战：
超低速工业电机：主要挑战在于如何在低速下保持高效率和平稳运行，可能需要特殊的控制算法和机械结构设计。
超高速工业电机：技术挑战包括轴承的漏油问题、永磁体的强度和耐温能力、叠片转子能承受的离心力等。
新能源汽车电机：技术挑战在于如何平衡轻量化、能效和安全性，同时实现动力电池的安全管理和智能化安全辅助系统的集成。
2.5市场和应用：
工业用的极低速和极高电机，通常都是长期工作在极低速或极高速状态，为S1工作制，因此设计时需要考虑在S1工作制下能够稳定高效运行，长期工作稳定后的温升应符合相关标准；而新能源汽车电机极低速运行场合一般是爬陡坡、出地下车库工况，要求输出足够大的转矩，而极高速通常是在高速公路超车时，输出足够大的功率，但运行时间并不长，属于短时工作制，设计时只需考虑在一定的时间内能够低速输出足够大转矩、或高速输出足够大的功率，温升不至过热即可，此时对电机的效率也并不做苛刻要求。
新能源汽车电机：主要应用于纯电动汽车和混合动力汽车中，是新能源汽车动力系统的核心部件之一。
总结
综上所述，超低速和超高速工业电机在设计方面与新能源汽车电机设计在设计目标、电机类型、技术挑战和市场应用等方面存在显著的异同点。这些异同点反映了不同应用场景下电机设计的多样性和复杂性。
本文特别感谢中船重工李保来的大力指导。
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