电动汽车用高功率密度电机关键技术

1 引言目前,功率密度已然成为设计电机中的一个非常有地位的指标。高功率密度电机因其体积小、重量轻、效率高等特点越来越受到研究人员和生产厂家的关注。特别是在航空航天、潜艇、电动汽车等特别利用场所中，因为安置空间有限定,对电动秘密求体积更小、效力更高、重量更轻、效力更高,也便是请求机电有较高的功率密度。因为提升电机的功率密度,应该应用下面的选择:1适当提升电机电磁选择与选择超性能的电磁素材;2选择提升电机的额定速度,转速通常可以设置上万转;3上升电机的散热性能。高功率密度电机因为他的高速高频性质体现,和老式电机进行开始时几乎无一点相似。这篇文章通过三方面对超性能密度电机来对其讨论,所得出他的特性和体现选择。高功率密度机电因为其高速高频的特征,与传统机电在运行特征方面有很大的分歧。连系电动汽车用笼型异步机电(以特斯拉电动汽车机电为例)和永磁同步机电两种高功率密度机电,本文别离从电磁计划、机器工艺和冷却体例三方面临高功率密度机电进行了阐发,给出了其特色和计划请求。为电动汽车的驱动电动机供给电能，电动机将电源的电能转化为机械能出现背景 正如大家所熟知的那样，机动车在行驶时，轮胎与地面之间产生的能量至今为止还在白白地被浪费着。目前机动车的动力95%以上仍是必要靠油和蔼来完成的。油和气都是不可再生的能源，随着使用和依赖的加剧，枯萎现象日趋严重，而且会造成严重的环境污染。新能源电动汽车（机动车动力收受接收转换装置，发明人：宋广杰），该项专利技术装置，经过进程特制机电作为体系配件，较好地办理了将机动车的动力收受接管并转化为电能的装配，从而，把华侈的动能很好地操纵起来，动能转化成电能后，又反馈到机动车自己举行驱动的体系装配。 可以使现有的电动汽车一次充电完成后，再也不烧油和别的充电，续航本领增添100%-300%，节流本钱50%-85%。无污染，噪声低；能源效率高，多样化；电动汽车的钻研表白，其能源效力已跨越汽油机汽车。支持续航时候和里程的电池手艺目前良多新能源汽车的电池依旧是传统的铅蓄电池，无论从重量、蓄电量还是安全性角度恍如都是与新能源汽车的初志所矛盾的。是以若是没法在汽车电能贮存技术上冲破瓶颈，开辟划时代的产物，就没法让新能源汽车得以真正的广泛应用。今朝在这一开辟层面上手艺相对于进步前辈的可以参考特斯拉电动汽车，它经由过程将汽车底盘与电池融会的体例来减缓这一抵牾。当然，特斯拉电动车在安全性等其他方面也存在着巨大问题，因此它也一直没有能够广泛销售。2高功率密度电机的特点对于高功平度的电机来说,其特点主要体现在两个方面:一方面是转子旋转速度比较快,一般常规的转子额定转速能够达到6000min,高功率密度电机的转速则最高能够超过1000omin,这样由于转速比较高,就会增加电机供电的频率,常规的能够达到200Hz左右,而最高颊率则超过1kHz。另方面是电磁负荷比较高,这样就会增加电机单位体积损耗,导致电机零部件的温度上升,进而对冷却方式的要求有所提高日。由此可以看出,在计划高功率密度机电的时辰,各方面的请求都有所晋升,与通俗机电计划之间仍是存在着较着的不同。3高功率密度电机的电磁设计3.1磁性材料的选择高功率密度电机它的供电频率在一般情况下可以达到好几百或者上千赫兹,当然频率的上升,铁心损耗也会飞快的上升, 铁心耗能占高速电机总体会变得上升，电机铁耗与频率有以下关系:PC=Ph+Pe=KhfBm2+Kef2Bm2Ph,Pe一磁磁滞损耗和涡流损耗Kh,ke-磁损耗和涡流损耗系数,与铁心材料和厚度有关:Bm-磁通密度峰值f-电机供电频率。从式(1)可知,下降铁耗的方法有:1减小铁心中的磁感应强度大小;2用高导磁低损耗的铁心。分别采用用0.35mm的硅钢片DW270和0.2mm电工钢片时,电机铁耗的相关数据见表厚度/mm磁滞系数涡流系数铁耗/kW0.35 179 0.4034.1460.2 139 0.175 2.532由表1可见超薄型的电工钢片磁滞消耗和涡流消耗均较低,可以很好的下降机电铁耗。3.2定子导线的选择若是想要削减定子铜耗,机电必要应用导电率高的导线,如银铜合金等。在电动汽车用高功率密度驱动机电是经由过程控制器或变频器供电, 在机电线圈中还可以利用变频电磁线实际上是为了晋升机电的绝缘机能,制止电压严重影响绕组事情,避免呈现电晕征象。频电磁线其实是为了提升电机的绝缘性能,避免电压严重影响绕组工作,防止出现电晕现象。3.3笼型异步电机转子笼型材料的选择笼型异步电机转子同样泛泛采纳铸铝或采纳铜导条。铜导条的效率高、电阻小 ,但起动后转动起来的转矩也较小:铝导条的电阻大,效率偏低,但在转起来时有较高的起动转矩。是以选择转子笼型质料时,应当首要斟酌电阻对电动机机能的影响。我们使用特斯拉车上所应用的异步电机为模型，比较电机在三种不同材料的导条下的性能输出。 图1给出的转矩转速曲线是在三种质料下机电的状态图,因为电阻对机电的影响,可以看出采取黄铜导条的笼型机电的起动转矩最高,采取紫铜导条的笼型机电的起动转矩最低；最大转矩相差不多。表2给出了三种笼型材料电机的性能参数比由表2可知，采取紫铜导条的机电起动转矩较小,效力很高;因为最大转矩与转子电阻无关,是以三种笼型质料机电的输出的最大转矩相称。因为电动汽车是使用变频器供电驱动电机的，电机转子素材首先用铜棒铜和黄铜和紫铜，黄铜材料来说，具有较低的系数阻力。通过实验，可以得出结论，在电机中使用的铜导体的各方面的活动，可以更好的满足要求提供效率，也提高了所有，因此是铜的最佳选择。3.4永磁同步电机永磁体的选择面对高功率密度永磁同步电机,永磁体材料性质特点某方面的原因来判定了它的大小和性能为提高电机的转矩密度和功率密度,选择永磁质料时应选用残剩磁通密度、矫顽力和最大磁能积较大的永磁质料。另外,因为高功率密度机电单元体积的消耗很大,温升很高,在选择永磁体时要斟酌其耐温性。以高功率密度永磁同步为例,永磁体质料分别为钕铁硼和钐钻永磁体时,机电相干的性能参数比力见表3与钕铁硼相比,钐钻永磁体的最大磁能积偏低磁性能稍差,使得钐钴永磁体电机的气隙磁通密度较低,铁耗较小,电机定子电流较大,铜耗较高由表3可知,二者的效率基本相同。但钐钻永磁体的功率因数和最大转矩倍数比敏铁研电机低。但是,钕铁耐温性较差,温度高易退磁,当永磁电机以7000r/min速度持续两个小时时,电机永磁体产生部门退磁,机电反电动势降落综合斟酌各项手艺请求,高功功率密度永磁机电永磁体宜选用钐钻永磁体。钐钻永磁体机电固然机能稍差,但能知足机电的机能需求,而且其耐温性较好,最高工作温度可达250350。因此,与钕铁永磁体比拟,钐钻永磁体更适合事情在高温情况中。永磁体大多不脱离转子，无论是镶嵌在它旁边或者体内,在电机特别快的时候，转子就会受到很强的力,所以永磁材料的机械性价比也会采用时应该注意的事项，由于我们希望永磁体可以扛住相当大的离心力来完成任务,所以在一些特定情况下、或者飞速旋转不停歇的时候我们也尽可能地避免使用表贴式转子结构,相反我们选择内嵌式结构。在转速不高的场所时永磁体可采取表贴式,但应采纳必然的保护措施,如在永磁体表面加高强度非导磁保护套,永磁体与护套间采取过盈共同,或采取碳纤维扎永磁体。假如真的在永磁体外再套上一个非导磁钢保护套,可有有效的控制其他问题发生， 不过,碳纤维是易燃或者难控制温度的不是优质导体,他不方便的是如何去控制温度。4高功率密度电机的高速化电机转子的高速化是进步机电功率密度一个很主要的标的目的。在转转速提高的同时,电机供电频率会很高,使得电机铁耗、杂散损耗较大。与此同时,由于正在进行高速旋转的转子来说，它要承受非常大的离心力,这就要求其结构有很强的机械强度。4.1高功率密度电机的高频率电机铁心中的频率与电机的转速成正比,电机高速时,铁心中的磁通交变频率很大,由式(1)可知,电机铁耗很大。而且跟着频率的逐步增添,也会增大高频附加消耗,最较着的是转子概况因为的风磨消耗和轴承消耗在其高速扭转下很是明显。可见,供电的频率的前进,使得高功率密度电机具有较高的铁耗和高频附加耗损。另外,因为高速高频机电常采取变频器或控制器供电,谐波含量比传统机电要高良多,是以,在机电计划时,应当考虑到高次谐波对机电的影响。4.2高功率密度电机的高速转子设计高速电机的转速要比普通异步电机的转速快几倍到十几倍,在旋转过程中,必然产生比普通电动机高得多的离心力,这将使得转子材料承受很大的切向应力。当线速度到达到250m/s以上时,通例的登片转子难以承受高速扭转发生的离心力,因必要采取特别的高强度叠片或对转子施加必然保护措施。4.2.1笼型异步电机转子的设计异步电机采取铸铜转子是进步机电效力、改良机电功率密度的一个主要妙技。但今朝表里铸铜转子机电以小功率机电为主,机电的同步转速首要为3000r/imin、1500r/min和1000r/min三种,系列产品的功率规模为(0.7537)kW。特斯拉电动汽车用异步电机额定功率为85kW,额定转速为6000r/min,最高转速可达14000r/min。其驱动机电采取冷压铜条工艺,端端环与全部铜条冷压在一起,两头加保护环牢固,可以使机电转子蒙受较高的离心力,在高速状态下正常运行。就是两种转子的相互比较，如果就单单说输出扭矩大的条件下的话，就是必须要把转速提升，提升转速还是要考虑离心率对转子的需求,所以大家在日益的研究得出V字形转子来提高电动机的强度。不过V字形的转子还是有一定的缺陷，他的磁桥位置过于脆弱,依旧在电动机功率上来的时候，离心力逐渐上升，转子还是会被摧毁甚至失去工作作用，离心率会使转子的受力太大受不住。根据永磁同步电机的设计以及对它的理解，我们必须适应或者改变他的大小或者所占空间比例或者改变形状。因为想要提高永磁电机他的一切性能还不能失去效率，在保证经济的条件下还要提升他的功率，我们想到了提升转矩和缩小空间, 如果这些做的过好，才能证明他的性能好，才能推使我们进行加强， 但是需要注意的是，转矩和功率的提升，缩小空间的进行还要考虑一个问题就是温度对转子的作用，转子对温度的要求也是很大的，这样的话我们对这些转子的考虑，我们还要考虑他的耐高温等性质进行进一步选择才能完善。实验用机电的输出功率为200kW,6极,额定转速为9000r/min。图3a为高功率密度永磁同步电机实物照片。经由过程控制器将机电转速调到额定转速时,因为转子高速扭转,转子硅钢片蒙受的离心力很大,造成局部叠片从机电中甩出。转子加钢箍固定。为保护电机转子叠片,防止硅钢片甩出,采用钢箍对整个电机转子进行加固。对改进后的电机进行调速试验,当转速达到额定转速时,电机钢箍出现局部烧糊现象,其状态如图4所示。这是由于高频状态下,尽管实心钢套为不导磁的不锈钢材,但其涡流损耗非常大,使得钢箍局部发热严重。可见,为实现对电机转子的保护,应采用非导磁非导电的保护套。转子加无纬带绑扎牢固。无纬带是一种予浸渍无纬玻璃丝带,强强度高、比重小、本身离心力低。采取用无纬带箍庇护转子,能有用的降服机电运行时绕组所发生的电磁力和离心力:绝缘的无纬带箍能增添绕组爬电间隔、减削减绕组端部漏磁,有用地改良机电的电气机能:用无纬带取代钢箍节流了大量合金钢材,从而下降了本钱,简化了加工制造工艺。基于上述长处,无纬带箍在机电中获得了普遍的利用,是机电产晶中较为理想的一种牢固质料。本文采用0.25mm无纬带工艺对转子进行绑扎固定,同时转子槽形改用“一”形槽。为保证无纬带在高速下能提供较高的抗压力,对其绑扎匝数进行了具体的计算。无纬带的抗压力为Fo,计算公式为Fo=NKaC式中：N一转子铁心部分绑扎的匝数 Ka一无纬带容许的绑扎张力 C一安全系数,一般取0.95。未加保护措施时,转子的离心力计算公式F=5.48mD（n1000）2式中： m铁心被绑扎部分的质量: D一转子铁心直径 n一电机转速为留有一定裕量,使电机在一定的超速范围时,无纬带也能提供较高的抗拉力,计算时使无纬带的抗压力与转速为额定转速的k倍时的离心力平衡,则有KaC=F=5.48mD（kn1000）2N=5.48mD（n1000）2KaC一般电机超速可取为超速125%,即k=1.25对于0.17x25玻璃纤维绑扎带Kn400N由式5得到N=940N考虑到绑带规格修正系数取k1=0.8,实际的绑扎匝数为N=kN=752,考虑到实际作业因数,M取整为750匝。即当无纬带的绑扎匝数为750匝时,可使得电机在1.25倍额定转速下可靠运行。加无纬带后的转子结构,转子硅钢片的结构,对电机进行调速试验,当电机转速达到到9000r/min时,电机正常运行,达到了预期效果5高功率密度电机散热能力的提高5.1定子绕组处理工艺由于高功率密度电机体积较小,电磁负荷高单位体积的损耗大,电机产生的热量很多,这些热量须及时有效地散出去,以保证电机的可靠运行电机绕组产生的热量是电机热源的主要组成部分,定子绕组产生的热量可由三条途径散出从绕组端部表面传给空气:从通风道中绕组表面传给空气:先传给铁心,再由铁心传给空气。由于绕组端部散热能力较差,散出的热量较少使得绕组端部温度通常很高,为改善这一问题,在定子绕组端部采用灌封工艺,即采用导热性能良好的导热胶将端部热量通过机壳有效的散出。导热胶可采用耐高温的环氧灌封胶或有机硅型灌封胶电机端部与空气间的热阻为RE=1ESCE=NudeE-等效端部散热系数: SC-绕组端部传热表面积: Nu-努赛尔特准则数-绕组端部的导热系数 de-端部等效直径。由式(6)、式(7)可知,电机端部的热阻与端部导热系数成反比例关系,导热系数越高,使得电机端部热阻越小,电机端部散热本领越强,温升就越低。未采纳灌封工艺时,端部的导热系数为空气的导热系数,约为0.若采纳灌封工艺处置理(以C级环氧树脂灌封胶ZB3235为例其端部的导热系数为灌封胶的导热系数,约为0.5w/(m2-K),此时端部的热阻为前者的122,可见,采用灌封胶处理后,电机端部的散热能力能得到很好的改普若采用性能更好的环氧灌封胶,其导热系数可达到1.2WA(m32K),将会更好地改善电机绕组散热问题,降低电机端部温升特斯拉电动汽车用异步电机的绕组端部处理方式如图6所示。5.2高功率密度电机冷却方式单机容量最大的电动机，电机体积小、功率密度高，发动机散热差，单位体积损耗产生的操作是非常高的，这导致了严重的问题。你温度的升高，可靠性与寿命的冷却系统，提高散热能力，降低电机温度升高是需要解决的关键问题电动机功率电动车辆。目前中小型异步电动机的冷却系统中，通常采用空气作为冷却介质，冷却空气具有类型的多样性，如自己的冷却风扇，空调，制冷及通风管和风机，冷却，所以给了考虑到电机的宽速度范围的高能量密度的自己的发动机冷却风扇，如果采用冷却的精神，体积小，速度低，易引起很大的温度的升高 17 ，当电机的方式，强迫方法通常采用空气冷却技术的异步电动机变频通风设计元素及其衍生物的方法，特斯拉电动汽车强制空气冷却。改良冷却系统,进步散热本领,下降电机的温升,是电动汽车用高功率密度机电必要办理的首要题目5.2.1采用空冷方式的高功率密度电机因为电动用高功率密度机电调速规模较宽,若采取自扇冷却在低速时冷却风量较小,轻易造成低速时机电温升较高,是以对变频调速机电凡是采取逼迫风冷体例。异步电机冷却手艺的关键在于透风元件(风扇、冷却器)及派生布局的计划。特斯拉电动汽车用异步电机冷却体例采取的是强追风冷的体例5.2.2采用水冷方式的高功率密度电机电动汽车用高功率密度电机也可采用水冷方式冷却。水冷的本色是经由过程冷却布局中的水将机电的热量带到外部的散热器,然后经由过程风冷将散热器里的热量散到周围环境中，电机水冷体系的种类有很多种。从布局方面来讲,经常使用的有:机壳冷却和端盖冷却布局、机壳和端盖组合的冷却布局和机壳、端盖与轴三者组合的水冷布局。此中,机壳水冷布局具备生产工艺简略、制造成本低的长处,凡是选用机壳水冷机构。按照冷却水在机电机壳内的流向分歧可以分为两种布局:是周向水路,周向布局又分为螺旋布局和多并联布局:是是轴向水路周向布局冷却水与水套接触面积大,冷却结果较好。考虑到电动汽车用驱动机电的长径比力小,不会发生很大的轴向温差,是以周向水道更适合车用高功率密度电机。5.2.3两种冷却方式的比较相比来说，水冷电机有一套自己的冷却系统，在高温的工作环境下可以长期平稳的运行，冷却效果好，但是由于循环水泵和热交换器的安装，使得它价格昂贵，制作麻烦。还有一种方式是风冷，这种情况下，有着更好的环境适应性，价格低廉制作简单，制作简单不繁琐的风冷就显得非常强势了，在专业计算下，也可以达到很好的冷却效果，并不比水冷差。6电机本体轻量化设计我们要不去增加甚至削减HEV用驱动电机的重量,上升电机密度,当采用密度电机时,会选择用锌来做电机的外部驱壳来保护,并且我们可以使转子的质量适当的减小,我们可以选择空心轴来替换之前的旧式实心轴;再或者只要工作正常的条件下相应的改变磁路的变化,选择转子铁心除去其其它重量来完成,也就是用转子铁心开个孔来变相不去提升甚至减弱它的重量。7结论通过分析传统机械发动机高功率密度和高功率密度电机的区别，结合实际运行特点，总结了高功率密度电机设计中应考虑的一些问题，包括选择。钢材料和永久磁铁和转子绕组端部处理，过程，和冷却发动机。方法的选择等。结合力学试验验证的能力，为未来的一些改进措施，确保发动机设计的高功率密度参考。目前，发动机的功率密度设计已成为重要的设计指标。发动机的功率密度高，因其体积大、重量轻、体积小等，并开始在许多行业和领域得到了广泛的应用。电动汽车、潜艇和航空航天领域的限制，因为在一定程度上对空间的需求是否更好，这表明，发动机的功率密度的更好。为了提高电机的功率密度，电极的高性能需要优化的电磁活动，加强素材的使用。其次，基于安全有必要在额定发动机转速的提高，并最终在一定程度上支柱民丰县发动机的冷却能力的提升。用于大功率发动机，具有高频率和高速的特点，与传统电机相比有很大的差异。在高功率密度电机在电动汽车的机械部件，因为速度的增加，材料，更高的质量。因此，在设计的过程中，加强这方面的必要性，以确保优质选择，材料的力学性能在操作条件下的捐款的需求，并在加工的过程。我们必须加强技术优化，高功率密度在不同