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下一代电动汽车电机 —— 第1期

2023-11-01


 

David Gerada教授,博士生导师,皇家特许工程师,电机领域高级研究员。2012年于诺丁汉大学获高速电机专业博士学位, 2007年至2016年,就职于美国康明斯公司研发部,领导研发先进高速电机设计技术,将此技术成功应用于交通运输领域,实现了技术市场化,并为该类电机提供了相关设计准则。Gerada教授作为国家标准化委员会主要成员,参与完成多项电机设计标准制定,同时还是英国工程技术学会会士。

 

1.背景

本文描述了高性能乘用车载牵引电动机关键影响因素。主要内容如下。第2节描述电机技术要求,包括转矩-转速特性、直流电压、可用冷却剂以及目标性能指标。第3节,讨论磁性材料(硬磁和软磁)选择,以及电机冷却技术。第4节,使用独特的尺寸优化环境,在不同极数范围的情况下,详细比较了内置永磁体(IPM)、永磁体辅助同步磁阻(PMaSynRel)和感应电机(IM)的功率密度、效率和电压电流等性能指标。第5节总结了本文的主要研究成果。

2.电机需求

本节首先描述电机要求。为了将性能指标统一化,适应当前设计环境,本节对两台商用电动汽车的性能指标进行详细描述。表2.1总结了下一代电动机性能指标要求。电机额定功率为80 kW,额定转速为4000 rpm至16000 rpm,电机额定速度下所对应的额定转矩为190 Nm。总体目标功率密度为20 kW/L,符合英国先进推进中心对下一代乘用车载电机要求[1],当直流电压为800 V时,符合下一代电机趋势[2]。通常,在上述电机系统中,采用水和油作为电机热管理的冷却剂。

表2.1 电动汽车中电机基本要求

 
从图2.1可见,当进一步研究循环工况时,明显可以得出,在中等负荷下,超过50%的时间电机速度运行在2000 rpm和10000 rpm区域之间。

图2.1转矩-转速特性和关键电机运行点

3.材料与热管理选择

 
改进的材料和有针对性的热热管理设计方法,在提高电动汽车电机的技术和成本性能方面发挥重要作用。本节将从上述两方面展开讨论。

3.1材料选择

软硬磁性材料作为磁通源和主要提供磁通的路径,对电机的设计和性能起着至关重要的作用。图3.1展示了商业上可用的软磁性材料,即钴铁(CoFe)合金和硅铁(SiFe)合金,其对应高性能电机两个最重要性能指标——高频损耗(W/kg,1T 1kHz)和屈服强度(Mpa)。目前用于运输领域的大多数大规模生产的电机主要使用0.35 mm厚的硅铁(SiFe)等级。汽车工业中高性能的电机将趋向于使用0.2 mm 硅铁(SiFe),例如NO20等级的硅铁,在参考频率下将铁芯损耗降低了40%,降至40 W/kg。为了进一步显著减少铁芯损耗,可以通过将SiFe的厚度降至0.1 mm,同时将硅含量增加到6%,损耗可以实现减半至20 W/kg,例如10JNEX900等级[3]。SiFe等级的饱和磁通密度约为1.8 T。如果需要进一步减轻单位体积内电机重量,可使用饱和磁通密度约为2.3 T的钴铁(CoFe)等级。目前性能较好的CoFe等级,其厚度可降至0.055 mm,钴的含量约占50% [4]。钴铁(CoFe)性能的改进,伴随着显著的成本溢价,其每公斤成本可高达硅铁(SiFe)的十倍。电工钢的屈服强度约为300-400Mpa,制约了其拓扑结构设计及高速应用领域中旋转速度的提升。随着技术的发展,采用位错强化技术,可使电工钢实现超过800Mpa的屈服强度[5],例如35HXT780T等级,从而使得感应电机和内置永磁电机等拓扑结构被成功应用于高速领域中[6]。

图3.1 电工钢等级分布图

考虑到下一代电动汽车电机高频运行特性,由于NO20等级的硅铁在技术和成本性能指标之间具有良好的平衡性,因此它可以被作为定子叠片材料。同理,35HXT780T等级电工钢因其强度高,延展性好,更适用于转子叠片材料,并且已经被用于现有汽车中。对于永磁体而言,为了提高电机功率密度,钕铁硼(NdFeB)的应用得到了广泛关注,然而,为进行完整的对比分析,在初始设计阶段也可以考虑采用铁氧体磁铁材料,包括无稀土拓扑结构,分析其可能带来的优势。对于电动汽车领域,也可以考虑使用感应电机。此时,需要仔细考虑高速感应电机笼型转子材料。纯铜的屈服强度较低,且在较高温度下容易软化,通常无法被直接使用,但可以考虑如图3.2所示的不同类型铜合金[6],然而,通常合金越强,其电导率越低,从而增加铜的损耗。对于感应电机而言,转子内的高损耗,将增加电机散热难度。许多商用高速感应电机通常使用CuAl2O3、CuCr和CuZr等合金,其屈服强度约为400 – 450Mpa。对于高强度(超过700Mpa)的材料,传统工艺首/选CuBe合金,然而,众所周知,该合金无法满足大规模制造环境下的使用需求。近期, Colson合金(CuNiSiCr)引起了广泛关注,其性能与CuBe相似,但其不使用铍,因此,便于在大规模生产环境中进行使用[7]。目前针对上述问题的研究,致力于推动上述合金性能的提升,使其强度超过900Mpa,导电率超过70%IACS(国际退火铜标准)。

图3.2 铜合金分布图

对于本文中感应电机拓扑结构,由于CuCr良好的导电性和屈服强度,选择CuCr作为鼠笼条材料,而对于受力较大的端环,则考虑采用CuNiSiCr材料。

 

3.2热管理选择

 
随着车用电机功率密度要求的不断提升,电机绕组散热能力作为主要瓶颈之一亟需解决。目前可采用空气、水和油等不同类型的冷却技术对电机进行散热 [8]。

图3.3 不同冷却介质和方式的表面换热系数

 

图3.4 不同冷却方法下的额定电流密度比较

 

 

传统工业电机通常采用自然风冷或强制风冷方式。虽然空气冷却系统简单,但从图3.3可知,其表面传热系数通常较低,最高约为150 W/m²K。采用强制风冷时,电流密度约3-5 A/mm²,如图3.4所示,极大程度限制了电机输出功率密度。主流汽车电机采用水冷方式,其主要优势在于水冷系统的传热系数非常高,大约在几千W/m²K。另一方面,水的缺点在于它具有导电性,因此不可能使绕组(主要热源所在)直接接触水[9]。因此,通常采用带有水套的间接冷却系统,由于中间介质(如漆、树脂、气泡和接触电阻等)的存在,增加了铜损耗与冷却剂之间的热阻。采用水套冷却可以达到的额定电流密度约为8-12 A/mm²。英国诺丁汉大学研究了数十年的电机油冷技术,在全球范围内创下了功率密度提升的世界纪录[10, 11]。油冷的优势在于油具有绝缘性能,意味着可以直接接触绕组进行冷却(直接冷却),使电流密度高达30 A/mm²,从而大幅度提升功率密度[12]。对于上述部分电机,诺丁汉大学首次研发了半浸没式油冷系统,通过复合套管将定子和转子隔离,从而形成湿定子和干转子的成功分离,如图3.5所示。

图3.5 半浸没式油冷和油雾喷淋冷却概念示意图

 

尽管此项热管理技术效果明显,但在汽车生产环境中,大规模引入定子套管会增加工艺复杂度,从而提高生产成本。近期,油雾喷淋冷却技术在汽车电机中得到了较好的应用。油雾喷淋提供了与油喷射相似的传热系数,由于其由微小的喷雾颗粒组成,因此产生的风损可以保持在较低的水平。然而,喷雾的缺点在于由于喷嘴放置、重力效应以及油膜形成效应等原因,电机的冷却效果可能会不均匀。因此,诺丁汉大学目前正在主导研究此项技术,旨在最小化上述影响并准确模拟喷雾效应[12]。

为了使电机功率密度和效率实现最大化,同时兼顾低成本需求,油雾喷淋冷却技术被认为是电动汽车电机最适合的热管理技术之一。