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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yy彩票登录官网首页; 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yy彩票登录官网首页。
第二个感受是,眼高手不低yy彩票登录官网首页,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yy彩票登录官网首页、组织性yy彩票登录官网首页、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yy彩票登录官网首页,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yy彩票登录官网首页,各企业包括ORNL、GMyy彩票登录官网首页、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yy彩票登录官网首页,浅灰色的是已经论述过的yy彩票登录官网首页,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yy彩票登录官网首页,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yy彩票登录官网首页。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yy彩票登录官网首页,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yy彩票登录官网首页,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)yy彩票登录官网首页。





这种技术由橡树岭实验室开发yy彩票登录官网首页,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?yy彩票登录官网首页、一个逆变器、一个控制单元。





为了提高电机的可靠性yy彩票登录官网首页,采用容错电机设计yy彩票登录官网首页。定子由六个独立膟y彩票登录官网首页?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yy彩票登录官网首页,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yy彩票登录官网首页,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yy彩票登录官网首页,而且励磁磁场可通过调整励磁电流来调节。





正因为如此yy彩票登录官网首页,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yy彩票登录官网首页。因为磁场可调,在低速和高速时都能获得饱满的性能yy彩票登录官网首页。





不但如此yy彩票登录官网首页,这种电机在成本上还具备特别优势yy彩票登录官网首页yy彩票登录官网首页,其节省成本的逻辑可以从如下三个角度来理解yy彩票登录官网首页。





但这里有个问题,既然这么好yy彩票登录官网首页,为什么不大量普及yy彩票登录官网首页?因为这种电机有个关键的问题yy彩票登录官网首页,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yy彩票登录官网首页,Wisconsin的着力点在 :非接触转子供电技术yy彩票登录官网首页。
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yy彩票登录官网首页。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yy彩票登录官网首页,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yy彩票登录官网首页,也没有高速离心应力的问题yy彩票登录官网首页,适合高转速的场合。





该团队的产品如下图所示yy彩票登录官网首页,为了提高电容量yy彩票登录官网首页,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yy彩票登录官网首页。立项当时瞄准DOE2015年的性能指标yy彩票登录官网首页。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yy彩票登录官网首页。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

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