電動汽車用高功率密度電機關鍵技術.docx

精品文檔1 引言目前,功率密度已然成為設計電機中的一個非常有地位的指標。高功率密度電機因其體積小、重量輕、效率高等特點越來越受到研究人員和生產(chǎn)廠家的關注。特別是在航空航天、潛艇、電動汽車等特別利用場所中，因為安置空間有限定,對電動秘密求體積更小、效力更高、重量更輕、效力更高,也便是請求機電有較高的功率密度。因為提升電機的功率密度,應該應用下面的選擇:1適當提升電機電磁選擇與選擇超性能的電磁素材;2選擇提升電機的額定速度,轉速通常可以設置上萬轉;3上升電機的散熱性能。高功率密度電機因為他的高速高頻性質(zhì)體現(xiàn),和老式電機進行開始時幾乎無一點相似。這篇文章通過三方面對超性能密度電機來對其討論,所得出他的特性和體現(xiàn)選擇。高功率密度機電因為其高速高頻的特征,與傳統(tǒng)機電在運行特征方面有很大的分歧。連系電動汽車用籠型異步機電(以特斯拉電動汽車機電為例)和永磁同步機電兩種高功率密度機電,本文別離從電磁計劃、機器工藝和冷卻體例三方面臨高功率密度機電進行了闡發(fā),給出了其特色和計劃請求。為電動汽車的驅動電動機供給電能，電動機將電源的電能轉化為機械能出現(xiàn)背景 正如大家所熟知的那樣，機動車在行駛時，輪胎與地面之間產(chǎn)生的能量至今為止還在白白地被浪費著。目前機動車的動力95%以上仍是必要靠油和藹來完成的。油和氣都是不可再生的能源，隨著使用和依賴的加劇，枯萎現(xiàn)象日趨嚴重，而且會造成嚴重的環(huán)境污染。新能源電動汽車（機動車動力收受接收轉換裝置，發(fā)明人：宋廣杰），該項專利技術裝置，經(jīng)過進程特制機電作為體系配件，較好地辦理了將機動車的動力收受接管并轉化為電能的裝配，從而，把華侈的動能很好地操縱起來，動能轉化成電能后，又反饋到機動車自己舉行驅動的體系裝配。 可以使現(xiàn)有的電動汽車一次充電完成后，再也不燒油和別的充電，續(xù)航本領增添100%-300%，節(jié)流本錢50%-85%。無污染，噪聲低；能源效率高，多樣化；電動汽車的鉆研表白，其能源效力已跨越汽油機汽車。支持續(xù)航時候和里程的電池手藝目前良多新能源汽車的電池依舊是傳統(tǒng)的鉛蓄電池，無論從重量、蓄電量還是安全性角度恍如都是與新能源汽車的初志所矛盾的。是以若是沒法在汽車電能貯存技術上沖破瓶頸，開辟劃時代的產(chǎn)物，就沒法讓新能源汽車得以真正的廣泛應用。今朝在這一開辟層面上手藝相對于進步前輩的可以參考特斯拉電動汽車，它經(jīng)由過程將汽車底盤與電池融會的體例來減緩這一抵牾。當然，特斯拉電動車在安全性等其他方面也存在著巨大問題，因此它也一直沒有能夠廣泛銷售。2高功率密度電機的特點對于高功平度的電機來說,其特點主要體現(xiàn)在兩個方面:一方面是轉子旋轉速度比較快,一般常規(guī)的轉子額定轉速能夠達到6000min,高功率密度電機的轉速則最高能夠超過1000omin,這樣由于轉速比較高,就會增加電機供電的頻率,常規(guī)的能夠達到200Hz左右,而最高頰率則超過1kHz。另方面是電磁負荷比較高,這樣就會增加電機單位體積損耗,導致電機零部件的溫度上升,進而對冷卻方式的要求有所提高日。由此可以看出,在計劃高功率密度機電的時辰,各方面的請求都有所晉升,與通俗機電計劃之間仍是存在著較著的不同。3高功率密度電機的電磁設計3.1磁性材料的選擇高功率密度電機它的供電頻率在一般情況下可以達到好幾百或者上千赫茲,當然頻率的上升,鐵心損耗也會飛快的上升, 鐵心耗能占高速電機總體會變得上升，電機鐵耗與頻率有以下關系:PC=Ph+Pe=KhfBm2+Kef2Bm2Ph,Pe一磁磁滯損耗和渦流損耗Kh,ke-磁損耗和渦流損耗系數(shù),與鐵心材料和厚度有關:Bm-磁通密度峰值f-電機供電頻率。從式(1)可知,下降鐵耗的方法有:1減小鐵心中的磁感應強度大小;2用高導磁低損耗的鐵心。分別采用用0.35mm的硅鋼片DW270和0.2mm電工鋼片時,電機鐵耗的相關數(shù)據(jù)見表厚度/mm磁滯系數(shù)渦流系數(shù)鐵耗/kW0.35 179 0.4034.1460.2 139 0.175 2.532由表1可見超薄型的電工鋼片磁滯消耗和渦流消耗均較低,可以很好的下降機電鐵耗。3.2定子導線的選擇若是想要削減定子銅耗,機電必要應用導電率高的導線,如銀銅合金等。在電動汽車用高功率密度驅動機電是經(jīng)由過程控制器或變頻器供電, 在機電線圈中還可以利用變頻電磁線實際上是為了晉升機電的絕緣機能,制止電壓嚴重影響繞組事情,避免呈現(xiàn)電暈征象。頻電磁線其實是為了提升電機的絕緣性能,避免電壓嚴重影響繞組工作,防止出現(xiàn)電暈現(xiàn)象。3.3籠型異步電機轉子籠型材料的選擇籠型異步電機轉子同樣泛泛采納鑄鋁或采納銅導條。銅導條的效率高、電阻小 ,但起動后轉動起來的轉矩也較小:鋁導條的電阻大,效率偏低,但在轉起來時有較高的起動轉矩。是以選擇轉子籠型質(zhì)料時,應當首要斟酌電阻對電動機機能的影響。我們使用特斯拉車上所應用的異步電機為模型，比較電機在三種不同材料的導條下的性能輸出。 圖1給出的轉矩轉速曲線是在三種質(zhì)料下機電的狀態(tài)圖,因為電阻對機電的影響,可以看出采取黃銅導條的籠型機電的起動轉矩最高,采取紫銅導條的籠型機電的起動轉矩最低；最大轉矩相差不多。表2給出了三種籠型材料電機的性能參數(shù)比由表2可知，采取紫銅導條的機電起動轉矩較小,效力很高;因為最大轉矩與轉子電阻無關,是以三種籠型質(zhì)料機電的輸出的最大轉矩相稱。因為電動汽車是使用變頻器供電驅動電機的，電機轉子素材首先用銅棒銅和黃銅和紫銅，黃銅材料來說，具有較低的系數(shù)阻力。通過實驗，可以得出結論，在電機中使用的銅導體的各方面的活動，可以更好的滿足要求提供效率，也提高了所有，因此是銅的最佳選擇。3.4永磁同步電機永磁體的選擇面對高功率密度永磁同步電機,永磁體材料性質(zhì)特點某方面的原因來判定了它的大小和性能為提高電機的轉矩密度和功率密度,選擇永磁質(zhì)料時應選用殘剩磁通密度、矯頑力和最大磁能積較大的永磁質(zhì)料。另外,因為高功率密度機電單元體積的消耗很大,溫升很高,在選擇永磁體時要斟酌其耐溫性。以高功率密度永磁同步為例,永磁體質(zhì)料分別為釹鐵硼和釤鉆永磁體時,機電相干的性能參數(shù)比力見表3與釹鐵硼相比,釤鉆永磁體的最大磁能積偏低磁性能稍差,使得釤鈷永磁體電機的氣隙磁通密度較低,鐵耗較小,電機定子電流較大,銅耗較高由表3可知,二者的效率基本相同。但釤鉆永磁體的功率因數(shù)和最大轉矩倍數(shù)比敏鐵研電機低。但是,釹鐵耐溫性較差,溫度高易退磁,當永磁電機以7000r/min速度持續(xù)兩個小時時,電機永磁體產(chǎn)生部門退磁,機電反電動勢降落綜合斟酌各項手藝請求,高功功率密度永磁機電永磁體宜選用釤鉆永磁體。釤鉆永磁體機電固然機能稍差,但能知足機電的機能需求,而且其耐溫性較好,最高工作溫度可達250350。因此,與釹鐵永磁體比擬,釤鉆永磁體更適合事情在高溫情況中。永磁體大多不脫離轉子，無論是鑲嵌在它旁邊或者體內(nèi),在電機特別快的時候，轉子就會受到很強的力,所以永磁材料的機械性價比也會采用時應該注意的事項，由于我們希望永磁體可以扛住相當大的離心力來完成任務,所以在一些特定情況下、或者飛速旋轉不停歇的時候我們也盡可能地避免使用表貼式轉子結構,相反我們選擇內(nèi)嵌式結構。在轉速不高的場所時永磁體可采取表貼式,但應采納必然的保護措施,如在永磁體表面加高強度非導磁保護套,永磁體與護套間采取過盈共同,或采取碳纖維扎永磁體。假如真的在永磁體外再套上一個非導磁鋼保護套,可有有效的控制其他問題發(fā)生， 不過,碳纖維是易燃或者難控制溫度的不是優(yōu)質(zhì)導體,他不方便的是如何去控制溫度。4高功率密度電機的高速化電機轉子的高速化是進步機電功率密度一個很主要的標的目的。在轉轉速提高的同時,電機供電頻率會很高,使得電機鐵耗、雜散損耗較大。與此同時,由于正在進行高速旋轉的轉子來說，它要承受非常大的離心力,這就要求其結構有很強的機械強度。4.1高功率密度電機的高頻率電機鐵心中的頻率與電機的轉速成正比,電機高速時,鐵心中的磁通交變頻率很大,由式(1)可知,電機鐵耗很大。而且跟著頻率的逐步增添,也會增大高頻附加消耗,最較著的是轉子概況因為的風磨消耗和軸承消耗在其高速扭轉下很是明顯?？梢?供電的頻率的前進,使得高功率密度電機具有較高的鐵耗和高頻附加耗損。另外,因為高速高頻機電常采取變頻器或控制器供電,諧波含量比傳統(tǒng)機電要高良多,是以,在機電計劃時,應當考慮到高次諧波對機電的影響。4.2高功率密度電機的高速轉子設計高速電機的轉速要比普通異步電機的轉速快幾倍到十幾倍,在旋轉過程中,必然產(chǎn)生比普通電動機高得多的離心力,這將使得轉子材料承受很大的切向應力。當線速度到達到250m/s以上時,通例的登片轉子難以承受高速扭轉發(fā)生的離心力,因必要采取特別的高強度疊片或對轉子施加必然保護措施。4.2.1籠型異步電機轉子的設計異步電機采取鑄銅轉子是進步機電效力、改良機電功率密度的一個主要妙技。但今朝表里鑄銅轉子機電以小功率機電為主,機電的同步轉速首要為3000r/imin、1500r/min和1000r/min三種,系列產(chǎn)品的功率規(guī)模為(0.7537)kW。特斯拉電動汽車用異步電機額定功率為85kW,額定轉速為6000r/min,最高轉速可達14000r/min。其驅動機電采取冷壓銅條工藝,端端環(huán)與全部銅條冷壓在一起,兩頭加保護環(huán)牢固,可以使機電轉子蒙受較高的離心力,在高速狀態(tài)下正常運行。就是兩種轉子的相互比較，如果就單單說輸出扭矩大的條件下的話，就是必須要把轉速提升，提升轉速還是要考慮離心率對轉子的需求,所以大家在日益的研究得出V字形轉子來提高電動機的強度。不過V字形的轉子還是有一定的缺陷，他的磁橋位置過于脆弱,依舊在電動機功率上來的時候，離心力逐漸上升，轉子還是會被摧毀甚至失去工作作用，離心率會使轉子的受力太大受不住。根據(jù)永磁同步電機的設計以及對它的理解，我們必須適應或者改變他的大小或者所占空間比例或者改變形狀。因為想要提高永磁電機他的一切性能還不能失去效率，在保證經(jīng)濟的條件下還要提升他的功率，我們想到了提升轉矩和縮小空間, 如果這些做的過好，才能證明他的性能好，才能推使我們進行加強， 但是需要注意的是，轉矩和功率的提升，縮小空間的進行還要考慮一個問題就是溫度對轉子的作用，轉子對溫度的要求也是很大的，這樣的話我們對這些轉子的考慮，我們還要考慮他的耐高溫等性質(zhì)進行進一步選擇才能完善。實驗用機電的輸出功率為200kW,6極,額定轉速為9000r/min。圖3a為高功率密度永磁同步電機實物照片。經(jīng)由過程控制器將機電轉速調(diào)到額定轉速時,因為轉子高速扭轉,轉子硅鋼片蒙受的離心力很大,造成局部疊片從機電中甩出。轉子加鋼箍固定。為保護電機轉子疊片,防止硅鋼片甩出,采用鋼箍對整個電機轉子進行加固。對改進后的電機進行調(diào)速試驗,當轉速達到額定轉速時,電機鋼箍出現(xiàn)局部燒糊現(xiàn)象,其狀態(tài)如圖4所示。這是由于高頻狀態(tài)下,盡管實心鋼套為不導磁的不銹鋼材,但其渦流損耗非常大,使得鋼箍局部發(fā)熱嚴重?？梢?為實現(xiàn)對電機轉子的保護,應采用非導磁非導電的保護套。轉子加無緯帶綁扎牢固。無緯帶是一種予浸漬無緯玻璃絲帶,強強度高、比重小、本身離心力低。采取用無緯帶箍庇護轉子,能有用的降服機電運行時繞組所發(fā)生的電磁力和離心力:絕緣的無緯帶箍能增添繞組爬電間隔、減削減繞組端部漏磁,有用地改良機電的電氣機能:用無緯帶取代鋼箍節(jié)流了大量合金鋼材,從而下降了本錢,簡化了加工制造工藝?；谏鲜鲩L處,無緯帶箍在機電中獲得了普遍的利用,是機電產(chǎn)晶中較為理想的一種牢固質(zhì)料。本文采用0.25mm無緯帶工藝對轉子進行綁扎固定,同時轉子槽形改用“一”形槽。為保證無緯帶在高速下能提供較高的抗壓力,對其綁扎匝數(shù)進行了具體的計算。無緯帶的抗壓力為Fo,計算公式為Fo=NKaC式中：N一轉子鐵心部分綁扎的匝數(shù) Ka一無緯帶容許的綁扎張力 C一安全系數(shù),一般取0.95。未加保護措施時,轉子的離心力計算公式F=5.48mD（n1000）2式中： m鐵心被綁扎部分的質(zhì)量: D一轉子鐵心直徑 n一電機轉速為留有一定裕量,使電機在一定的超速范圍時,無緯帶也能提供較高的抗拉力,計算時使無緯帶的抗壓力與轉速為額定轉速的k倍時的離心力平衡,則有KaC=F=5.48mD（kn1000）2N=5.48mD（n1000）2KaC一般電機超速可取為超速125%,即k=1.25對于0.17x25玻璃纖維綁扎帶Kn400N由式5得到N=940N考慮到綁帶規(guī)格修正系數(shù)取k1=0.8,實際的綁扎匝數(shù)為N=kN=752,考慮到實際作業(yè)因數(shù),M取整為750匝。即當無緯帶的綁扎匝數(shù)為750匝時,可使得電機在1.25倍額定轉速下可靠運行。加無緯帶后的轉子結構,轉子硅鋼片的結構,對電機進行調(diào)速試驗,當電機轉速達到到9000r/min時,電機正常運行,達到了預期效果5高功率密度電機散熱能力的提高5.1定子繞組處理工藝由于高功率密度電機體積較小,電磁負荷高單位體積的損耗大,電機產(chǎn)生的熱量很多,這些熱量須及時有效地散出去,以保證電機的可靠運行電機繞組產(chǎn)生的熱量是電機熱源的主要組成部分,定子繞組產(chǎn)生的熱量可由三條途徑散出從繞組端部表面?zhèn)鹘o空氣:從通風道中繞組表面?zhèn)鹘o空氣:先傳給鐵心,再由鐵心傳給空氣。由于繞組端部散熱能力較差,散出的熱量較少使得繞組端部溫度通常很高,為改善這一問題,在定子繞組端部采用灌封工藝,即采用導熱性能良好的導熱膠將端部熱量通過機殼有效的散出。導熱膠可采用耐高溫的環(huán)氧灌封膠或有機硅型灌封膠電機端部與空氣間的熱阻為RE=1ESCE=NudeE-等效端部散熱系數(shù): SC-繞組端部傳熱表面積: Nu-努賽爾特準則數(shù)-繞組端部的導熱系數(shù) de-端部等效直徑。由式(6)、式(7)可知,電機端部的熱阻與端部導熱系數(shù)成反比例關系,導熱系數(shù)越高,使得電機端部熱阻越小,電機端部散熱本領越強,溫升就越低。未采納灌封工藝時,端部的導熱系數(shù)為空氣的導熱系數(shù),約為0.若采納灌封工藝處置理(以C級環(huán)氧樹脂灌封膠ZB3235為例其端部的導熱系數(shù)為灌封膠的導熱系數(shù),約為0.5w/(m2-K),此時端部的熱阻為前者的122,可見,采用灌封膠處理后,電機端部的散熱能力能得到很好的改普若采用性能更好的環(huán)氧灌封膠,其導熱系數(shù)可達到1.2WA(m32K),將會更好地改善電機繞組散熱問題,降低電機端部溫升特斯拉電動汽車用異步電機的繞組端部處理方式如圖6所示。5.2高功率密度電機冷卻方式單機容量最大的電動機，電機體積小、功率密度高，發(fā)動機散熱差，單位體積損耗產(chǎn)生的操作是非常高的，這導致了嚴重的問題。你溫度的升高，可靠性與壽命的冷卻系統(tǒng)，提高散熱能力，降低電機溫度升高是需要解決的關鍵問題電動機功率電動車輛。目前中小型異步電動機的冷卻系統(tǒng)中，通常采用空氣作為冷卻介質(zhì)，冷卻空氣具有類型的多樣性，如自己的冷卻風扇，空調(diào)，制冷及通風管和風機，冷卻，所以給了考慮到電機的寬速度范圍的高能量密度的自己的發(fā)動機冷卻風扇，如果采用冷卻的精神，體積小，速度低，易引起很大的溫度的升高 17 ，當電機的方式，強迫方法通常采用空氣冷卻技術的異步電動機變頻通風設計元素及其衍生物的方法，特斯拉電動汽車強制空氣冷卻。改良冷卻系統(tǒng),進步散熱本領,下降電機的溫升,是電動汽車用高功率密度機電必要辦理的首要題目5.2.1采用空冷方式的高功率密度電機因為電動用高功率密度機電調(diào)速規(guī)模較寬,若采取自扇冷卻在低速時冷卻風量較小,輕易造成低速時機電溫升較高,是以對變頻調(diào)速機電凡是采取逼迫風冷體例。異步電機冷卻手藝的關鍵在于透風元件(風扇、冷卻器)及派生布局的計劃。特斯拉電動汽車用異步電機冷卻體例采取的是強追風冷的體例5.2.2采用水冷方式的高功率密度電機電動汽車用高功率密度電機也可采用水冷方式冷卻。水冷的本色是經(jīng)由過程冷卻布局中的水將機電的熱量帶到外部的散熱器,然后經(jīng)由過程風冷將散熱器里的熱量散到周圍環(huán)境中，電機水冷體系的種類有很多種。從布局方面來講,經(jīng)常使用的有:機殼冷卻和端蓋冷卻布局、機殼和端蓋組合的冷卻布局和機殼、端蓋與軸三者組合的水冷布局。此中,機殼水冷布局具備生產(chǎn)工藝簡略、制造成本低的長處,凡是選用機殼水冷機構。按照冷卻水在機電機殼內(nèi)的流向分歧可以分為兩種布局:是周向水路,周向布局又分為螺旋布局和多并聯(lián)布局:是是軸向水路周向布局冷卻水與水套接觸面積大,冷卻結果較好。考慮到電動汽車用驅動機電的長徑比力小,不會發(fā)生很大的軸向溫差,是以周向水道更適合車用高功率密度電機。5.2.3兩種冷卻方式的比較相比來說，水冷電機有一套自己的冷卻系統(tǒng)，在高溫的工作環(huán)境下可以長期平穩(wěn)的運行，冷卻效果好，但是由于循環(huán)水泵和熱交換器的安裝，使得它價格昂貴，制作麻煩。還有一種方式是風冷，這種情況下，有著更好的環(huán)境適應性，價格低廉制作簡單，制作簡單不繁瑣的風冷就顯得非常強勢了，在專業(yè)計算下，也可以達到很好的冷卻效果，并不比水冷差。6電機本體輕量化設計我們要不去增加甚至削減HEV用驅動電機的重量,上升電機密度,當采用密度電機時,會選擇用鋅來做電機的外部驅殼來保護,并且我們可以使轉子的質(zhì)量適當?shù)臏p小,我們可以選擇空心軸來替換之前的舊式實心軸;再或者只要工作正常的條件下相應的改變磁路的變化,選擇轉子鐵心除去其其它重量來完成,也就是用轉子鐵心開個孔來變相不去提升甚至減弱它的重量。7結論通過分析傳統(tǒng)機械發(fā)動機高功率密度和高功率密度電機的區(qū)別，結合實際運行特點，總結了高功率密度電機設計中應考慮的一些問題，包括選擇。鋼材料和永久磁鐵和轉子繞組端部處理，過程，和冷卻發(fā)動機。方法的選擇等。結合力學試驗驗證的能力，為未來的一些改進措施，確保發(fā)動機設計的高功率密度參考。目前，發(fā)動機的功率密度設計已成為重要的設計指標。發(fā)動機的功率密度高，因其體積大、重量輕、體積小等，并開始在許多行業(yè)和領域得到了廣泛的應用。電動汽車、潛艇和航空航天領域的限制，因為在一定程度上對空間的需求是否更好，這表明，發(fā)動機的功率密度的更好。為了提高電機的功率密度，電極的高性能需要優(yōu)化的電磁活動，加強素材的使用。其次，基于安全有必要在額定發(fā)動機轉速的提高，并最終在一定程度上支柱民豐縣發(fā)動機的冷卻能力的提升。用于大功率發(fā)動機，具有高頻率和高速的特點，與傳統(tǒng)電機相比有很大的差異。在高功率密度電機在電動汽車的機械部件，因為速度的增加，材料，更高的質(zhì)量。因此，在設計的過程中，加強這方面的必要性，以確保優(yōu)質(zhì)選擇，材料的力學性能在操作條件下的捐款的需求，并在加工的過程。我們必須加強技術優(yōu)化，高功率密度在不同的領域，可以大大提高發(fā)動機的生產(chǎn)電動汽車等領域，以滿足需求，如何更好的促進社會的發(fā)展。連系機電實驗驗證了