淺談新能源汽車驅(qū)動電機的軸向通量和徑向通量電機

在談及新能源汽車驅(qū)動電機創(chuàng)新主題之前，從技術(shù)和電磁方案的角度來看，汽車領(lǐng)域電機，有必要做一個宏觀類型區(qū)分：即軸向通量和徑向通量電機。 在汽車領(lǐng)域，我們?nèi)匀皇褂眠@兩種電機類型，由于可實現(xiàn)的扭矩和功率密度性能，人們對軸向磁通電機的興趣越來越大。今天，軸向磁通電機可以達(dá)到之前無法想象的水平，但是在成本方面，這種電機類型具有更高的制造難度，導(dǎo)致制造成本上升，然后由于預(yù)算原因而險被淘汰。

電機之間的劃分，一方面是永磁同步電機，即無刷電機，它們又可以分為表貼永磁電機和內(nèi)置永磁電機，后者也稱為 IPM，廣泛用于汽車行業(yè)，因為與其他結(jié)構(gòu)類型相比，它們允許利用磁阻扭矩分量，提高效率并擴展速度范圍。另一方面，也有內(nèi)部沒有磁鐵但轉(zhuǎn)子中有繞組的繞線轉(zhuǎn)子同步電動機。帶有鼠籠轉(zhuǎn)子的異步電機，因其低成本、高運行溫度和驅(qū)動控制的用戶友好性而備受贊譽。最后，磁阻電機僅利用磁阻來產(chǎn)生扭矩，其特點是轉(zhuǎn)子簡單。

2014. 電動機的機械設(shè)計。CRC出版社。

疊片

除了允許獲得比之前性能更高的電機的仿真和設(shè)計方面之外，與過去幾十年相比，使電動機變得具有創(chuàng)新性的原因無疑是材料的選擇。在這種情況下，構(gòu)成轉(zhuǎn)子和定子的疊片發(fā)揮了重要作用。

? ? ?今天，我們越來越多地使用鐵鈷材料疊片。與鐵硅等其他材料相比，鐵鈷材料的特點是電磁性能更好，飽和前使用范圍更廣，損耗系數(shù)低，感應(yīng)和頻率不變。另一方面，鐵鈷具有比鐵硅更低的屈服應(yīng)力值，因此，對于具有顯著機械應(yīng)力的高速應(yīng)用，設(shè)計優(yōu)化（即 IPM 電機的磁通屏障）和制造技術(shù)，例如背隙，變得至關(guān)重要。鐵損也因定子和轉(zhuǎn)子疊片的強力滾動而減少：我們越是減少這些疊片的厚度，我們就越能減少渦流效應(yīng)今天流行的趨勢是疊片約為 0.2 毫米，即使使用當(dāng)前的切割技術(shù)，我們也可以獲得僅 55μm 的疊片。顯然，0.2mm 的疊片可以很容易地用沖壓和激光切割技術(shù)加工，然后適合批量生產(chǎn)，相反，從 55μm 的疊片我們只能通過“線切割”技術(shù)實現(xiàn)所需的幾何形狀，適合小批量。

www.vacuumschmelze.de – 層壓示例

磁鐵

多年來，供應(yīng)商提供的磁鐵性能不斷提高。事實上，市場上的可用產(chǎn)品具有比過去更高的剩磁和內(nèi)在矯頑力值，這導(dǎo)致在相同磁體體積和較小退磁問題的情況下具有更高的性能，并且具有可以在更高溫度下運行的電機的優(yōu)勢和具有更高的內(nèi)部磁通量，然后提高了扭矩和功率密度性能。
說到構(gòu)成磁鐵的材料，通常在工業(yè)領(lǐng)域以及汽車領(lǐng)域，釹鐵硼 (NdFeB) 被廣泛使用。
其他磁鐵類型是釤鈷 (SmCo)，即使價格更高，但在超過約 150/180°C 的溫度下具有比釹鐵硼更高的 BHmax 值，但在較低溫度下與最佳等級的釹鐵硼相比值更低。

www.atopwinding.com – 帶發(fā)夾的定子

SmCo 磁體在高溫下具有更高的剩磁值，并且受退磁問題的影響較小，具有比其他類型更高的內(nèi)在矯頑力值。在選擇一個而不是另一個時，我們必須了解我們想要達(dá)到的性能目標(biāo)以及電機的熱等級。如果我們決定設(shè)計一種在 200°C 及以上（C 熱等級）下運行的電機，SmCo 磁鐵肯定會確保更好的性能。此外，就環(huán)境溫度而言，允許的高熱增量允許在較低溫度下使用釹鐵硼磁體（F 或 H 熱等級）無法達(dá)到的值增加電機的扭矩和功率密度?。

www.arnoldmagnetics.com – 釹鐵硼和釤鈷磁鐵比較

繞組

當(dāng)前電機中越來越多地出現(xiàn)的另一種變體，越來越多地使用發(fā)夾，而不是構(gòu)成繞線定子的線繞組。越來越多的主機使用，特別是在新能源乘用車行業(yè)，發(fā)夾繞組，然后是用于在定子槽內(nèi)形成繞組的漆包銅條。由于可以插入插槽中的導(dǎo)電材料數(shù)量更多，因此可以立即獲得好處，從而減少導(dǎo)體之間的空白空間，進而提高散熱能力，提升功率。

冷卻系統(tǒng)拓?fù)?/p>

填充因子，即銅面積與槽面積之比，一般使用銅線可以達(dá)到0.3~0.6的數(shù)值；通過使用發(fā)夾和針對特定導(dǎo)體優(yōu)化的槽幾何形狀，可以超越這個限制。增加填充因子，然后在槽內(nèi)有更多的銅可供處理，電流不變，可以減少焦耳損耗，從而提高效率并降低過溫；以相同的允許熱增量進行推理，這意味著在相同質(zhì)量和體積的情況下，可以提高電機性能，然后提高扭矩密度。
此外，發(fā)夾可以以這樣的方式卷起以避免導(dǎo)體中的集膚效應(yīng)現(xiàn)象。

AVL 油冷 IPM 電機 – 外觀

散熱

熱量的產(chǎn)生與電機內(nèi)部發(fā)生的損耗有關(guān)，它們可以是定子繞組中的焦耳損耗，也可以是感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子條中的焦耳損耗、轉(zhuǎn)子和定子疊片中的渦流效應(yīng)和磁滯損耗、磁體中的渦流效應(yīng)損耗，軸承中的摩擦損失和定子和轉(zhuǎn)子之間空氣中磁隙中的風(fēng)阻損失。

AVL 油冷 IPM 電機 – 內(nèi)部視圖

所有這些損失都會導(dǎo)致熱量產(chǎn)生；改進冷卻系統(tǒng)，然后從電機中提取和散發(fā)熱量的能力使電機性能更好：散熱越好，性能就越高。

散熱有不同的方式，每種方式都有不同的功效。在工業(yè)領(lǐng)域，我們通常選擇通過自然對流進行冷卻，廣泛用于無刷電機或通常用于帶翼外殼異步的氣動系統(tǒng)；我們使氣流（由與軸連接的風(fēng)扇移動或由輔助電機驅(qū)動）在電機的外殼上，增加標(biāo)準(zhǔn)對流時會發(fā)生的熱交換。然而，我們可以從這些系統(tǒng)中獲得的性能與高功率密度電機所希望的性能相去甚遠(yuǎn)。為了獲得更好的性能，有必要選擇其他方法，特別是對于性能研究的跑車汽車領(lǐng)域。

一種性能更高的系統(tǒng)提供了使用形成電機外殼的水套，其中包含冷卻劑流動的管道，通常是水和乙二醇混合物。這種廣泛使用的類型可以實現(xiàn)比僅通過自然對流冷卻的電機高 3 倍的熱量提取。
類似于這種冷卻解決方案的結(jié)果可通過噴油系統(tǒng)實現(xiàn)，即將冷凍油注入定子繞組的頭部，因此直接允許從定子堆突出的銅部分提取熱量。

還有另一種方法，比所有其他方法性能更高，但使用較少，它的散熱量比自然對流高 4.5 倍：定子完全浸入油中，這意味著從定子和相關(guān)繞組中提取的熱量非常好。目前，盡管取得了積極成果，但并未大量使用，因為這種方法需要特定的制造設(shè)備，這意味著成本與性能同時增加。

AVL全集成電橋

完美組合的融合

最佳電機的完美組合？電機能夠包含所有材料中最好的和最佳的電磁、熱和機械設(shè)計，結(jié)合 NVH 和組件噪聲優(yōu)化的所有方面。因此，今天創(chuàng)新電機的標(biāo)識可能是由釤鈷制成的無刷內(nèi)部永磁電機，允許在超過 180°C 的穩(wěn)態(tài)溫度下使用，可能在 C 級，并在油中直接冷卻；鐵鈷疊片在背面，研究速度肯定超過 20000 rpm，減少了損失。

我們不應(yīng)低估絕緣材料、樹脂和灌封材料的重要性，這些材料能夠承受超過 200°C 的溫度，從而降低設(shè)計的限制因素，能夠提供越來越高的性能。例如，用于封裝繞組的灌封化合物不僅在電絕緣方面而且在繞組和疊片之間的熱交換方面都有好處。此外，對于在某些國家還提供特定電機認(rèn)證以供銷售的所有應(yīng)用，例如美國的 UL 和加拿大的 CSA，絕緣材料的熱限值固定在比實際限值低得多的值。

模擬和測試

電機性能與原型設(shè)計和生產(chǎn)階段之前進行的設(shè)計和模擬密切相關(guān)。第一步，可以使用一維集中參數(shù)計算軟件進行初步尺寸和熱模擬。在更精確優(yōu)化的第二階段，使用了 2D 和 3D 的 FEM 和 CFD 有限元仿真軟件，從而涵蓋了電機特性的所有方面，從電磁電路到機械、熱和 NVH 性能，直至研究電機在應(yīng)用系統(tǒng)（例如電動軸或整個動力系統(tǒng)）內(nèi)部運行時發(fā)生的行為。

用于 eMotor 仿真的 AVL 軟件

除了模擬之外，還有一個關(guān)鍵步驟：對制造的電機進行測試。事實上，設(shè)計和模擬是不夠的，有必要在制造后能夠準(zhǔn)確地測試標(biāo)定，特別是關(guān)于第一個原型，以驗證所模擬的設(shè)計參數(shù)；收集原型的精確數(shù)據(jù)可以在模擬的第二階段進行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化；此外，可以獲得其他模擬類型的必要輸入，如果沒有第一個測試階段就很難執(zhí)行，例如用于定義和降低噪聲的標(biāo)定模擬。

編輯：黃飛

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