QDSJ338 宝马i3驱动电机设计和性能解析

宝马宝马i驱动电机和性能解析NO.218概述宝马公司的为宝马i3和宝马i8配备了具有自主知识产权的eDrive混合式同步电动机，该电动机具有永磁电动机和磁阻电动机优点。宝马公司在这方面取得的进步似乎表明宝马公司找到了一个利用含有较少稀土材料的磁体来制造高功率密度和高效率电动机的方法。下图为宝马公司2012年专利申请文件中的图纸，该图纸显示一种能提高电动机效率的方法——在电动机内，转子除了磁层，还有两组由数个充气转子凹坑组成的磁通感应组。宝马公司专利申请文件N2012/0267977。壳体评估宝马i3官方公布的数据显示电机功率可达125kW，扭矩可达250Nm。电机定子是热压进铝水套的，水套外圆为螺旋槽和外壳以形成冷却回路。非常轻松的将定子水套从电机外壳中拉出后，可以看到定子内套两端各装有一个大号的O型圈，这两个O型圈可以保证冷却电机的乙二醇冷却剂不会泄露出来。电机的重量大约为6.9kg，带有法兰盘的水套的重量大约为4.6kg，余下的定子铁芯、铜线、绝缘材料等总共有20.8kg。宝马注意到由于电动汽车的空间有限，电动汽车使用的电动机必须是功率输出高、扭矩大和重量轻；电动汽车的传动系统的效率直接影响着电动汽车时行驶里程。因为高电压电池价格昂贵，提高电池电量的利用率就成为了获取电动汽车最大行驶里程的重要因素。定子绕组与硅钢片细节虽然对电动汽车而言，改善电池性能是降低电动汽车成本和提高运输效率的主要方法；但改善电动汽车的驱动装置（电动机、动力电子设备、传动机构、热量管理）也能起到非常好的效果。下左图更详细的展示了定子绕组及硅钢片的细节，电机为12极72槽配合，同心绕组，6个并联支路，每槽9匝，每匝12根AWG21圆铜线。电机装有两个温度传感器，一个安装在绕组端部，另外一个安装在转子轴承附近。下右图定子硅钢片并不是完整的圆环型，它是由6块铁芯以拼接的132.3毫米，外径毫米。永磁电动机能产生磁阻转矩和永磁转矩。宝马的2012年专利申请文件中有以下说明：永磁同步电动机能在多个磁体方向中（即不同的磁极方向中）产生一系列不同的电磁感应和与磁极方向相反的交叉电感；只要驱动电动机以合适的方式驱动，电动机就能产生磁阻转矩。这种磁阻转矩能对电动机永磁磁通产生的转矩相互补充。下图是电机转子，它由转子轴、硅钢片、磁铁、转子端板组成，总重量为14.2kg。转子外径为178.6mm，转子硅钢片的形状有点类似于同步磁阻电机的设计，但它在每极上装有一大一小两个钕铁硼磁钢。为了减少运行期间的齿槽转矩和扭矩脉动，转子钢片轴向上一共分成了6层斜极。i3电机转子的磁钢布局和槽形都非常的复杂和特殊，目的是减小电机磁链的条件下，增加电感凸极率。电机反电动势很小，但输出扭矩却很大；电机需要弱磁的车速很高（工况很少），而扭矩电流比却做得很大。简单地说来，宝马使用的电动机可归类为永磁同步电动机，但宝马对该电动机进行了精心的设计，并选择合适尺寸的零部件来制造，让其能产生自磁化效应；该自磁化效应原本只有磁阻电动机才能产生。自磁化效应带来的额外励磁效果能为电动机电流励磁提供有益的补充；在高速旋转时，两种励磁方式让其工作更加可靠。宝马i3使用的电动机的最高转速能达到11400转/分。我们可以使用Motor-CAD软件中的标准模板，提供了几乎相同的结构和性能预测，而不需要使用DXF文件来进行电磁计算；结构模板的优点是参数化，所以可以做参数研究；72槽、12极、双层内嵌式永磁同步电机；转子上分布有冷却通道宝马i3驱动电机绕组设计72A相绕线 三相绕线电机参数从前文的描述中，我们已经知道驱动电动机定子内的电流在磁场削弱的范围中起到了实质性电流分量地作用。定子内电流产生的磁场与永磁体的磁场相互排斥。虽然这样，但按照物理原理，永磁体材料的通量密度是不会衰减的，此磁通将被定子的磁场所排斥。定子和转子之间的气隙为转子铁芯磁通通道的形成提供了条件。为了集中力量研发先进的动力电子设备、电动机、热量管理和传动机构技术，美国能源部汽车技术办公室制定了“先进动力电站设备和电动机”计划；一旦该计划取得成功，其先进性是现在技术所无其重量、体积、效率和成本要严格要求，为了成功地研发出这些设备，使用更高功率密度和更低成本的小型电动机是关键。能匹配到电动汽车上的电动机多种多样，包括直流电动机、交流电动机、感应电动机、永磁电动机、开关磁阻电动机和轴向磁通电动机。除了Tesla和丰田，其他所有主要汽车生产厂商制造的电动汽车均配备直流电动机。ModelS配备交流电动机(据说也使用交流电公司的设计。值得注意的是，宝马在其Mini-E电动汽车项目的首次试验中，宝马也让试验中的Mini-E成为了交流电动机驱动的汽车。因此电动机必须按照其运行特性进行优化。i3广义地说来，一个感应电动机就是向电动机的固定外定子线圈输入交流电流，在定子线圈内形成一个旋转磁场，转子绕组受该旋转磁场的感应而产生电流，随着转子绕组电流的产生，转子绕组磁场也随之产生，转子绕组的磁场受到定子磁场的吸引。简而言之，转子的感应电流和随之产生的磁场被定子线圈磁场所吸引，由此让定子旋转并产生扭矩。由此可见，交流感应电动机无需永磁磁铁零件便能让转子转动。为了减少定子和转子间的磁通通量瓶口现象产生的损害，提高磁通通量的稳定性是一个被广泛接受的解决方法。而为了提高磁通通量的均衡性，只能增加磁层的数量。但增加磁层数量的方法却不实际——为了适应电动汽车的有限空间，磁层必须做得非常薄；但太薄的磁层在安装到电动机的凹槽里的过程中，极有可能被损坏，而且将让生产成本大幅上涨。为了对电机做更详细的性能测试，如下图，制作了工装夹具，将电机安装在了测试台上作更详细的性能测试。宝马申请专利的目的就是制造一种用于电动汽车的驱动电动机；在磁场衰减范围内，该电动机的效率要好于其他电动机。这种电动机由一个定子和一个转子构成，至少有一个极对；该电动机的每个极对至少由一个内嵌磁层组成。按照宝马公司的专利申请文件的说明，该电动机的每个磁极都由多个充气转子凹坑形成的磁通感应组构成，这种磁极不会让每个磁层的磁场产生通量电导。总体而言，感应电动机的优势就是能被大规模生产和使用，但感应电动机不能满足美国《关于汽车效率和能源可持续性的驾驶技术研究和创新》的在成本、重量、体积和效率方面的要求。另一方面，永磁电动机将永磁体装入到或嵌入转子，其磁场与通电产生的定子线圈内磁场相对应。永磁电动机具有紧凑结构和高扭矩密度输出的特点，并且能以较低电流来启动。虽然如此，永磁体材料的成本是一个有待解决的问题，因为电动机旋转产生的热量有可能对永磁体产生损害。下图显示了在不同角度及电流的情况下，电机堵转测试的情况。图表显示产生250Nm的峰值扭矩需要530A的峰值电流。随着角度的变化，扭矩变化非常平顺，输入最大电流，当角度为135度时，电机输出峰值扭矩。开关磁阻电动机结构简单，动力充沛，看起来是一个成本最低的技术解决方案。但开关磁阻电动机有不少缺点，如转矩波动高，噪音大、功率因数低和效率低。因此，研究人员一直致力于设计新型电动机，他们的研究方法有减少永磁体的载荷，使用多种材料来制造电动机，以及综合各种电动机的技术优点来设计混合式电动机。有了磁通感应组，研究人员可以一种简单而经济的方式让转子铁芯在气隙内形成的磁阻变得均匀一致。通过多个磁通感应组所产生的效应，研究人员可以抑制或最小化定子齿部磁通密度的变化。研究人员发现这种方法能大幅度地降低铁芯损耗，至少在磁场衰减范围内能达到此目的。这种方法通过压制驱动电动机定子和转子间的磁场通量流动来实现抑制定子齿部磁通密度的变化。下图所示，随着电流的增加，扭矩变化非常线性，这可以表明：就当电机产生250Nm的峰值扭矩时，磁饱和的程度也不高。基于360V的电压平台，在不同的转矩和转速下，对宝马i3的电机做了性能和效率测试。在这些测试中，为了发挥系统的最佳状态，电控及电机是被50%的水和50%的乙二醇混合液冷却，冷却液的流量是10L/min，冷却液的温度保持在65度。下图是电机的效率等高图，从中我们可以看出，电机在2500~9000rpm之间，输出扭矩达到125Nm时的效率可以到94%。在专利申请文件中，宝马指出上述方法适用于多种驱动电动机；同时此方法也能降低生产成本，转子的凹槽能在冲压过程中一次性加工出来。宝马还提到此方法能提高电动机在高速旋转时的效率，在使用当前同等电量电池的情况下，配置了宝马新型电动机的电动汽车能行驶更远的里程。从另一方面来讲，即使电池电量下降，配置了宝马新型电动机的电动汽车的行驶里程还能达到原来的技术要求。因此，通过使用新型电动机，电动汽车的成本也能降下来——众所周知，而且在电动汽车的价格构成中，电池的成本占据了一大部分，使用小容量电池的电动汽车的成本比使用大容量电池的电动汽车将便宜不少。下图是电控的效率等高图，随着速度的增加，电控效率从88%增加至99%。下图是电机和电控的综合效率图，当电机转速高于5000rpm，输出扭矩大于50Nm时，电机和电控的综合效率可以达到90%以上。通过这些测试可以确认，0~4000rpm电机都可以输出250Nm；5000~11400rpm电机可以输出峰值功率125kW。在可操作的前提下，对电机在25、50、75kW的功率等级下做连续测试，测试转速为5000rpm、7000rpm及9000rpm。下图显示了电机转速为7000rpm，持续功率分别为25kW、50kW及75kW时的绕组温度变化。持续输出25kW，半小时后电机温度达到85度；持续输出50kW，半小时后电机温度达到95度；持续输出75kW，半小时后电机温度达到110度。下图所示，电机转速为5000rpm，输出功率为50kW，持续这样的工况半个小时，电机温度达到100度。另外，宝马i3的逆变器采用英凌650V/800A的FS800系列IGBT。针对它120kW的功率而言，逆变器搭载的电容仅仅为450V/475μF，也有可能是在电池端还有额外的电容并联。电机驱动测试包相线圈插入12极IPM转子结束系带叠层转子段磁型插件宝马i3驱动电机公布数据（来自ORNL）JamesHendershot和TimothyBurress最近在IEMDC会议(迈阿密，2017年5月)上发布了教程，展示了宝马i3的拆解分析逆变器 定子 转子 转子分段 定子铁芯叠层厚度22mm，由12个叠片铺设而成每一交错层通过燕尾状接合固定完整的铁芯采用钨极氩弧焊或激光焊接，焊点位于外径的浅槽内定子叠片由独立的分段组成减少制造过程中的耗费分成6段轴向交错，避免负面影响72槽(6j layers22mmthick72槽laid"from12brick5-arcs/layerEachstaggeredlayerishxedby”dovetailing“CompleterEoreisTIGorLaserwelded(12)placesDnODinshallowgrDDves.TakenfromBMW DstedU-TUBEautomationmovie20.8Kg7220.8Kg72slotsStatorlaminationsaremadeReducesmanufacturingwaste6secti:nsarüundststürStaggeredaxiallytoavoidnegativeimpactsatinteJace拆检及检测拆检及检测尺寸测量内阻测试现今•现今••反电动势测试摩擦及风阻损失测试建模建模特性特性载荷测试模型相关效率脉谱载荷测试模型相关转矩-电角度拆解后测量定子和转子的尺寸，并转换成CAD几何图形文件-这些可以作为我们电磁计算的输入