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美國“先進電機研究”技術綜述
來源: | 作者:pmo9396f1 | 發布時間: 2019-02-18 | 289 次瀏覽 | 分享到:
 內外兼修·兩個方向
技術的發展總是有脈絡可循,在持續跟蹤了美國DOE電機電控項目兩年后,有兩點感受值得一談。
第一美國人是內外兼修,即發展電機設計應用技術,推出各種新型電機;更側重基礎材料、仿真、實驗等基礎技術開發。前者為外功,表現為技術應用集成; 后者是內功,日積月累,提供持久的創新動力。如此互為里表,形成良性的循環。
第二個感受是,眼高手不低,美國人定以的電機發展目標D0E2020,DOE2025都是遠超當前技術水平的,乍看之下好像是花瓶,華而不實。





深入研究后,發現他們不僅又目標,還有路線圖;不僅有路線圖,還有一步一步持續迭代的開發項目;不僅有項目,在技術鏈條的上游、中游和下游,構成了團隊合作生態,分布著一群"超級合作者"。因此其技術發展是有系統性、組織性、可執行性的。
基于這兩點感受,我們可以進一步對其各種技術路線作梳理,方便大家參考。綜述也是分內外兩部分內容,外篇論述先進電機的設計應用技術,內篇論述的是先進電機的材料技術。有些技術是首次論述,會講細一點。有些技術在公眾號或付費專欄中已有論述,會講粗一點,但會給出詳細內容的鏈接。




八仙過海·各種先進電機


為了實現DOE2020和2025目標,在美國能源部主導下,各企業包括ORNL、GM、GE上馬了令人眼花繚亂的先進電機項目,我們將其中主要的項目統計入下圖,黃色的是未論述過的項目,淺灰色的是已經論述過的,大家請直接查看鏈接。





ORNL的電機電控深度集成技術


為了實現更小的體積、更低的成本,需要大量減少非有效材料的使用。比如說基座、端蓋、引出線、冷卻管道。這就是電機電控集成的內在邏輯,如果將電機電控在物理上融合在一起,就能節省大量材料。





目前三合一驅動總成產品是國內關注焦點,這些集成大部分是屬于弱集成,僅僅是把電機、電控、減速器協調設計,并裝配在一起。而深度基成技術,會更進一步,如下圖所示,驅動和控制直接貼合在電機定子端面,共用支撐結構和冷卻系統。這樣高度集成能夠進一步降低35%的體積,40%的重量(橡樹嶺)。





這種技術由橡樹嶺實驗室開發,這是一款峰值功率55kw的六相容錯電機,工作溫度可以達200℃(冷卻液溫度105℃) 。電機系統由6個驅動模塊構成,每個模塊有一極(相)電機、一個逆變器、一個控制單元。





為了提高電機的可靠性,采用容錯電機設計。定子由六個獨立模塊拼接而成,在一兩相損壞的情況下,仍然能保證穩定工作。





該電機系統的最大創新點是IPM的封裝技術,采用裸片封裝在冷卻基板,底面直接液冷冷卻,省卻了多余的多余絕緣材料,熱阻小,熱路短。


更進一步電機和功率器件同一冷卻系統,結構非常緊湊。





由于技術超前,難度高風險大。該項目是分步實施的,先制造了一臺10kw的樣機作原理樣機驗證,如下圖所示,取得了較好的效果。





高性能非永磁電機→Wisconsin的電勵磁同步電機
在提高效能降低成本的技術路線競爭中,Wisconsin大學提出的先進電勵磁電機方案,因其徹底不需要永磁材料,成本和性能優異而被DOE預算委員會看好。
這類的電勵磁電機的工作原理和結構和大型發電機是相同的。其定子系統和普通永磁同步電機相同,由鐵芯和繞組相同。不同的是轉子的磁場不是永磁體產生的,而是勵磁繞組產生的,繞組中通入直流電產生的。因此這種電機不但沒有永磁體,而且勵磁磁場可通過調整勵磁電流來調節。





正因為如此,這種電機在類似車輛的這種寬調速范圍的應用中具備特別的優勢。因為磁場可調,在低速和高速時都能獲得飽滿的性能。





不但如此,這種電機在成本上還具備特別優勢,其節省成本的邏輯可以從如下三個角度來理解。





但這里有個問題,既然這么好,為什么不大量普及?因為這種電機有個關鍵的問題,就是轉子供電問題。大電機中普遍采用電刷來為旋轉的轉子供電,電刷易磨損,可靠性較低,需要頻繁維護因此很難在EV等高可靠性要求的場合中應用。為了避開這個問題,Wisconsin的著力點在 :非接觸轉子供電技術。
該團隊開發了一種核心技術,就是如下圖所示,在轉子尾部同軸安裝了一個無線供電盤,該盤是分靜子和轉子,轉子部分和軸同步旋轉。通過磁場將電能從靜子傳遞給轉子。







Wisconsin大學分析了 兩種無線供電技術,一種是感性的一種是容性的。前者和電機類似,是通過繞組電感來傳遞能量的,因此需要鐵芯結構。后者類似電容充放電技術,外界給電容充電,勵磁繞組吸收電能。





經過分析選型后,該團隊選擇了電容式供電技術,因為電容式供電,不需要鐵芯,對接觸氣隙要求要小的多,因此可以做的軸向長度更緊湊,適應高體積功率密度的要求。而且因為沒有鐵芯,也沒有高速離心應力的問題,適合高轉速的場合。





該團隊的產品如下圖所示,為了提高電容量,軸向串聯了多個電容盤。





該項目還在進行中,目前達到的技術水平如下表所示,55kw的樣機,功率密度可以達到1.5kw/kg。





GM的五相扁線電機


 通用公司的最早扁線主驅電機項目是DOE(美國國家能源部)主導的一個叫“先進集成驅動系統”項目,起始于2007年,結束于2011年。立項當時瞄準DOE2015年的性能指標。意在開發一款高效率,高功率密度的電機電控二合一的驅動系統。





該項目電機采用三項關鍵技術,一項是五相繞組、一項是雙V磁極結構,另外一項是扁線電機。



 GE的雙相硅鋼同步磁阻電機
該項目是GE的得力之作。其核心原理是采用硅鋼的局部非導磁化,來提高同步磁阻電機的凸極比和功率密度。





 ORNL 鐵氧體助磁同步磁阻電機


該技術是ORNL開發的第二代同步磁阻電機技術,利用鐵氧體助磁達到低成本、高功率密度的效果。同時配合上串并聯繞組切換技術,實提高了高效區間面積。





鐵氧體SPOKE電機


該電機是ORNL開發的低成本驅動電機技術,利用SPOKE轉子結構的聚磁特性,低磁能積的磁鋼獲得高磁密和高效率的效果。





 UQM鋁鎳鈷電機
 該電機是UQM歷時五年的心血之著,利用新型的磁極結構,使得低矯頑力的鋁鎳鈷材料,達到低成本、高可退磁性的效果。











轉自:電機產品技術前哨

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