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「直線電機应用」车用永磁电机如何实现高速—结构篇

万事博娱乐:2019-09-02 11:17:00 閱讀次數:81 文章來源:博智達原創
導讀: 車用電機高速化是大勢所趨,高速化需要從電磁、結構、控制等多個維度下功夫去解決。 1、初見-它山之石 老外在高速车用电机开发上确实是走在了我们前面,他们的轉子結構值得借鉴
車用電機高速化是大勢所趨,高速化需要從電磁、結構、控制等多個維度下功夫去解決。
 
1、初見-它山之石
 
老外在高速車用電機開發上確實是走在了我們前面,他們的轉子結構值得借鑒。
 

博智达直線電機
 
 
豐田
 
車用永磁電機如何實現高速—結構篇
豐田公司发展出了Prius系列 Camry系列等多种车用永磁同步电机,可谓是该行业的领军者。我们分析他们产品的年代序列,发现了转速有逐步增高的趋势,相应的轉子結構也有更替。
 
 
 
年份
 
轉子結構
 
最高轉速(rpm)
 
最大功率(kw)
 
2003
 
一字型
 
6000
 
---
 
2004
 
V字型
 
6400
 
50
 
2008
 
V一字型
 
10230
 
165
 
2010
 
改進V字型
 
13500
 
60
 
 
 
從他們的經驗可以看出,就高速的結構強度而言:
 
一字型不如V字型結構(2003VS2004),這是因爲一字的極弧系數大于V字,轉子上轭部(産生離心力的部分)的面積更大,離心力更大,而且一字型的磁橋部位承受的彎矩更大。
无中间磁桥的V字不如有中间磁桥的V字(2004 vs2010),这是因为中部的磁桥,起到了分流离心应力的作用。
从豐田的经验我们可以学习到,磁桥的设置非常关键,增加磁桥的数目和宽度能够提高强度。
 
 
 
BMW
 
BMW的i系列汽车业采用永磁同步电机,他们走的是磁阻永磁混合转矩的路线。其轉子結構非常复杂,也能承受高转速, 较豐田prius,BMW增设了更多的磁桥,他们有两层磁钢,每一层的磁钢有中间、两端四个磁桥。
 
 
 
車用永磁電機如何實現高速—結構篇
 
 
從BMW的結構,我們學習到兩個分流離心力的方法:
 
增加更多的磁橋來分流應力,中間磁橋的承擔能力強于兩端磁橋
分設多層磁鋼,減小每一層的壓力,最外側的磁鋼,離心力越大,因此應該設計的最小。
 
 
2、深入-從樹木到深林
 
 
 
學習競爭對手能夠讓我們快速進步,少走彎路。但跟隨造就不了偉大的公司,也培養不出大師。想要更進一步,不但需要知其所以然,還要從更大的視角去觀察問題。永磁電機的高速化,不僅僅局限在汽車領域,在船用電機、電主軸電機、儲能電機等多領域都有應用需求。而且在其它領域,可能走的更遠。
 
 
 
目前的水平
 
在其它領域,高速電機已經發展到了非常高的水平,我們面臨的問題,前輩們全都經曆過,有些已經解決了,有些還在奮鬥中。下面簡單介紹一些案例:
 
2005 年 Kenny 设计一台应用于飞轮储能的高速永磁同步电机,电机额定功率 1.5k W,最高转速60000r/min,电机转子采用表贴式轉子結構,利用碳纤维对永磁体进行保护
2009 年 Bailey 设计了一台应用于石化工业离心压缩机的高速永磁同步电动机,这台电机的额定功率8MW,额定转速15000r/min。电机定子采用低损耗的硅钢片,转子采用了两种轴承方案,一种是磁力轴承,一种是滚动轴承。
韩国电工所Do-Kwan Hong 等学者在高速永磁同步电机方面也做了大量研究。Do-Kwan Hong 等人设计了一台额定功率5k W,额定转速120000r/min 高速永磁同步电机。
有個前輩把已有的成就,作了細致統計。
 
(在統計數據中,SPM指的是表貼式電機,他們一般用合金鋼或者碳纖維包裹包圍。IPM指的是內置式永磁電機。)
 
 
 
車用永磁電機如何實現高速—結構篇
車用永磁電機如何實現高速—結構篇
從介紹中我們能夠學習到比電動汽車電機更高功率更高速度的結構都已經實現了。包括了內置式IPM、表貼式SPM都已經解決。那麽他們在解決過程中遇到的關鍵矛盾是什麽?
 
 
 
轉子外徑的矛盾
 
高速永磁同步電動機的轉速較高,電機正常工作時轉子所受離心力較大。從減小離心力的角度出發,電機轉子設計的越小越好。然而要保證電機優越的電磁性能,轉子要有足夠的空間放置永磁體和轉軸,因此轉子直徑又不可能太小。
 
 
 
漏磁和強度的矛盾
 
从豐田和BMW的经验中我们知道磁桥变宽会增加强度,但从电磁角度出发,这是不利的,因为磁桥越宽,漏磁越大,相当于永磁利用率降低。下面的图表就显示了这个问题。
 
 
 
車用永磁電機如何實現高速—結構篇
 
 
不同的方案,都是在不同層面上去平衡這些矛盾,下面介紹各類結構。
 
 
 
3、表貼式結構(SPM)
 
第一代表貼式
 
表貼式結構,漏磁很小,是應用較多的結構。但這種結構,本身不具備抗高速能力,需要在外層包裹一層保護套。保護套一般有兩類一類是碳纖維,一類是不導磁的合金鋼。
 
車用永磁電機如何實現高速—結構篇
車用永磁電機如何實現高速—結構篇
 
 
在溫度不高的場合碳纖維的強度更好,不但強度更高而且電導率更低,但由于工藝難度和溫度限制,很多場合還是使用合金鋼保護套。
 
 
 
第二代表貼式
 
我們看到很多伺服電機采用第一代表貼式结构,但这种结构有个问题:由于表面磁钢不是均匀分布的,在保护套圆周方向形成了不均匀的离心力,导致保护套出现弯曲,承受弯矩。而对碳纤维等材料,承受弯矩是非常不利的,因此有必要解决离心力均匀分布问题。于是又了第二代改进结构
 
車用永磁電機如何實現高速—結構篇
 
 
第二代结构,作了两重改进,第一重就是在磁钢和磁钢之间增加了不导磁的填充物,这样离心力的均匀性给解决了。第二重改进是:将永磁体的多块化。为什么如此?因为高性能的永磁体一般都是粉末冶金而成的,它们能承受较大的压应力, 但不能承受大的拉应力, 其抗拉强度低于抗压强度的十分之一。永磁体在受离心力时,由于圆周跨距角较大,不同角度下的材料受的离心力方向不一致,会形成内应力,这种内应力是拉应力,因此容易碎裂。分块化就很好的解决了这个问题。
 
 
 
車用永磁電機如何實現高速—結構篇
 
 
第三代表貼式
 
如果第二代表貼式即解决了漏磁,又解决了强度问题。那么第三代就更上一层,它还解决了气隙磁密的正弦性问题,让表贴式电机也拥有了类似内置式电机的聚磁效应。
 
 
 
車用永磁電機如何實現高速—結構篇
 
 
在第二代的基础上,将分块的磁钢的充磁方向略作调整区分,就形成了Halbach轉子結構。这类结构具备磁场正弦性好,聚磁效应好,漏磁小等优点,使得表贴式电机的性能几乎接近内置式了。
 
 
 
4、內置式結構(IPM)
 
 
 
盡管升級後的表貼式結構性能已經很優異了,但很多場合還是偏向于內置式電機。這是因爲:
 
第一: 内置式电机结构简单可靠,不需要保护套、填充物等附加结构,简单即是美。
 
第二:內置式電機有磁阻轉矩,可以産生更大的轉矩密度和功率密度。
 
第三:內置式的磁鋼更安全,磁鋼埋在矽鋼裏面,不用直面複雜的氣隙磁場,減小了渦流損耗和退磁風險。
 
因此豐田、BMW等各大企业,都不约而同的选择了内置式结构,除此之外我再介绍几种内置式电机结构。
 
車用永磁電機如何實現高速—結構篇
 
 
第一種結構是一字結構的高速化改造,將永磁體分成幾段,一方面,每段的內應力減小,另一方面多出了兩條加強筋,強度高了很多。但這種結構的漏磁很大,聚磁效應不好,性能和表貼式相仿。
第二種結構是V字結構的高速化改良,將V分成了三段,這種結構的漏磁很大,但氣隙磁密正弦性很好。
第三種結果是切向結構的高速化升級版,它繼承了切向結構凸極比大,磁阻轉矩大,聚磁效應好的優點,而且磁鋼受力均勻,沒有拉應力。這種結構幾乎完美的解決了機械和電磁之間的兩大矛盾。缺點是軸的結構複雜,對裝配精度要求很高。
第四种结构 一般用在有更高要求的场合,将一极的磁钢,沿水平方向和竖直方向双向分块。形成了磁钢阵列。这类结构有很大的发展空间,可以分化出许多变种,设计的好可以拥有磁阻转矩大、气隙磁场好的优点。但这种结构非高手难以驾驭。
內置式結構的種類有很多,可以多種結構混合組合,在這方面用功非常容易出成果,是車用永磁電機高速化的主要研究方向。
 
 
 
5、總結-始于足下
 
看到前人的成就,也许能让你大受启发,产生创新的冲动。我们就像在海边的小孩,总是为捡到一两块贝壳而欢心雀跃。我们所了解的只是沧海一粟, 高速电机的结构挑战不仅仅局限于磁极结构,还有轴承问题、护套涡流损耗问题、热变形问题、散热问题、材料问题、设计手段问题,每一块都足够我们驰骋。没有关系,我们就从当下做起,一步一积累。多年以后,当我们再回首时,会发现,不知不觉间,自己也成了前辈。


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