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                          美国“先进电机研究”技术综述
                          来源: | 作者:pmo9396f1 | 发布时间: 2019-02-18 | 848 次浏览 | 分享到:
                           内外兼修·两个方向
                          技术的发展总是有脉络可循,在持续跟踪了美国DOE电机电控项目两年后,有两点感受值得一谈。
                          第一美国人是内外兼修,即发展电机设计应用技术,推出各种新型电机;更侧重基础材料、仿真、实验等基础技术开发。前者为外功,表现为技术应用集成红蓝电竞官网; 后者是内功,日积月累,提供持久的创新动力。如此互为里表,形成良性的循环红蓝电竞官网。
                          第二个感受是,眼高手不低红蓝电竞官网,美国人定以的电机发展目标D0E2020,DOE2025都是远超当前技术水平的,乍看之下好像是花瓶,华而不实。





                          深入研究后,发现他们不仅又目标,还有路线图;不仅有路线图,还有一步一步持续迭代的开发项目;不仅有项目,在技术链条的上游、中游和下游,构成了团队合作生态,分布着一群"超级合作者"。因此其技术发展是有系统性红蓝电竞官网、组织性红蓝电竞官网、可执行性的。
                          基于这两点感受,我们可以进一步对其各种技术路线作梳理,方便大家参考。综述也是分内外两部分内容红蓝电竞官网,外篇论述先进电机的设计应用技术,内篇论述的是先进电机的材料技术。有些技术是首次论述,会讲细一点。有些技术在公众号或付费专栏中已有论述,会讲粗一点,但会给出详细内容的链接。




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                          为了实现DOE2020和2025目标,在美国能源部主导下红蓝电竞官网,各企业包括ORNL、GM红蓝电竞官网、GE上马了令人眼花缭乱的先进电机项目,我们将其中主要的项目统计入下图,黄色的是未论述过的项目红蓝电竞官网,浅灰色的是已经论述过的红蓝电竞官网,大家请直接查看链接。





                          ORNL的电机电控深度集成技术


                          为了实现更小的体积、更低的成本红蓝电竞官网,需要大量减少非有效材料的使用。比如说基座、端盖、引出线、冷却管道红蓝电竞官网。这就是电机电控集成的内在逻辑,如果将电机电控在物理上融合在一起红蓝电竞官网,就能节省大量材料。





                          目前三合一驱动总成产品是国内关注焦点,这些集成大部分是属于弱集成红蓝电竞官网,仅仅是把电机、电控、减速器协调设计,并装配在一起。而深度基成技术,会更进一步,如下图所示,驱动和控制直接贴合在电机定子端面,共用支撑结构和冷却系统。这样高度集成能够进一步降低35%的体积,40%的重量(橡树岭)红蓝电竞官网。





                          这种技术由橡树岭实验室开发红蓝电竞官网,这是一款峰值功率55kw的六相容错电机,工作温度可以达200℃(冷却液温度105℃) 。电机系统由6个驱动??楣钩?,每个??橛幸患ㄏ啵┑缁?红蓝电竞官网、一个逆变器、一个控制单元。





                          为了提高电机的可靠性红蓝电竞官网,采用容错电机设计红蓝电竞官网。定子由六个独立暮炖兜缇汗偻??槠唇佣?,在一两相损坏的情况下,仍然能保证稳定工作。





                          该电机系统的最大创新点是IPM的封装技术红蓝电竞官网,采用裸片封装在冷却基板,底面直接液冷冷却,省却了多余的多余绝缘材料,热阻小,热路短。


                          更进一步电机和功率器件同一冷却系统,结构非常紧凑。





                          由于技术超前,难度高风险大。该项目是分步实施的,先制造了一台10kw的样机作原理样机验证,如下图所示,取得了较好的效果。





                          高性能非永磁电机→Wisconsin的电励磁同步电机
                          在提高效能降低成本的技术路线竞争中,Wisconsin大学提出的先进电励磁电机方案,因其彻底不需要永磁材料红蓝电竞官网,成本和性能优异而被DOE预算委员会看好。
                          这类的电励磁电机的工作原理和结构和大型发电机是相同的。其定子系统和普通永磁同步电机相同,由铁芯和绕组相同。不同的是转子的磁场不是永磁体产生的,而是励磁绕组产生的,绕组中通入直流电产生的。因此这种电机不但没有永磁体红蓝电竞官网,而且励磁磁场可通过调整励磁电流来调节。





                          正因为如此红蓝电竞官网,这种电机在类似车辆的这种宽调速范围的应用中具备特别的优势红蓝电竞官网。因为磁场可调,在低速和高速时都能获得饱满的性能红蓝电竞官网。





                          不但如此红蓝电竞官网,这种电机在成本上还具备特别优势红蓝电竞官网红蓝电竞官网,其节省成本的逻辑可以从如下三个角度来理解红蓝电竞官网。





                          但这里有个问题,既然这么好红蓝电竞官网,为什么不大量普及红蓝电竞官网?因为这种电机有个关键的问题红蓝电竞官网,就是转子供电问题。大电机中普遍采用电刷来为旋转的转子供电,电刷易磨损,可靠性较低,需要频繁维护因此很难在EV等高可靠性要求的场合中应用。为了避开这个问题红蓝电竞官网,Wisconsin的着力点在 :非接触转子供电技术红蓝电竞官网。
                          该团队开发了一种核心技术,就是如下图所示,在转子尾部同轴安装了一个无线供电盘,该盘是分静子和转子,转子部分和轴同步旋转。通过磁场将电能从静子传递给转子。







                          Wisconsin大学分析了 两种无线供电技术,一种是感性的一种是容性的红蓝电竞官网。前者和电机类似,是通过绕组电感来传递能量的,因此需要铁芯结构。后者类似电容充放电技术,外界给电容充电红蓝电竞官网,励磁绕组吸收电能。





                          经过分析选型后,该团队选择了电容式供电技术,因为电容式供电,不需要铁芯,对接触气隙要求要小的多,因此可以做的轴向长度更紧凑,适应高体积功率密度的要求。而且因为没有铁芯红蓝电竞官网,也没有高速离心应力的问题红蓝电竞官网,适合高转速的场合。





                          该团队的产品如下图所示红蓝电竞官网,为了提高电容量红蓝电竞官网,轴向串联了多个电容盘。





                          该项目还在进行中,目前达到的技术水平如下表所示,55kw的样机,功率密度可以达到1.5kw/kg。





                          GM的五相扁线电机


                           通用公司的最早扁线主驱电机项目是DOE(美国国家能源部)主导的一个叫“先进集成驱动系统”项目,起始于2007年,结束于2011年红蓝电竞官网。立项当时瞄准DOE2015年的性能指标红蓝电竞官网。意在开发一款高效率,高功率密度的电机电控二合一的驱动系统。





                          该项目电机采用三项关键技术,一项是五相绕组、一项是双V磁极结构,另外一项是扁线电机。



                           GE的双相硅钢同步磁阻电机
                          该项目是GE的得力之作。其核心原理是采用硅钢的局部非导磁化,来提高同步磁阻电机的凸极比和功率密度。





                           ORNL 铁氧体助磁同步磁阻电机


                          该技术是ORNL开发的第二代同步磁阻电机技术,利用铁氧体助磁达到低成本、高功率密度的效果红蓝电竞官网。同时配合上串并联绕组切换技术,实提高了高效区间面积。





                          铁氧体SPOKE电机


                          该电机是ORNL开发的低成本驱动电机技术,利用SPOKE转子结构的聚磁特性,低磁能积的磁钢获得高磁密和高效率的效果。





                           UQM铝镍钴电机
                           该电机是UQM历时五年的心血之着,利用新型的磁极结构,使得低矫顽力的铝镍钴材料,达到低成本、高可退磁性的效果。











                          转自:电机产品技术前哨

                               西安泰富西玛电机有限公司

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