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车用永磁电机如何实现高速—结构篇

发布时间: 2020-08-27 19:45

  车用电机高速化是大势所趋,高速化需要从电磁、结构、控制等多个维度下功夫去解决。

  丰田公司发展出了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,相应的转子结构也有更替。

  一字型不如V字型结构(2003VS2004),这是因为一字的极弧系数大于V字,转子上轭部(产生离心力的部分)的面积更大,离心力更大,而且一字型的磁桥部位承受的弯矩更大。

  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。

  从丰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。其转子结构非常复杂,也能承受高转速, 较丰田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。

  学习竞争对手能够让我们快速进步,少走弯路。但跟随造就不了伟大的公司,也培养不出大师。想要更进一步,不但需要知其所以然,还要从更大的视角去观察问题。永磁电机的高速化,不仅仅局限在汽车领域,在船用电机、电主轴电机、储能电机等多领域都有应用需求。而且在其它领域,可能走的更远。

  在其它领域,高速电机已经发展到了非常高的水平,我们面临的问题,前辈们全都经历过,有些已经解决了,有些还在奋斗中。下面简单介绍一些案例:

  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转子结构,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。

  (在统计数据中,SPM指的是表贴式电机,他们一般用合金钢或者碳纤维包裹包围。IPM指的是内置式永磁电机。)

  从介绍中我们能够学习到比电动汽车电机更高功率更高速度的结构都已经实现了。包括了内置式IPM、表贴式SPM都已经解决。那么他们在解决过程中遇到的关键矛盾是什么?

  高速永磁同步电动机的转速较高,电机正常工作时转子所受离心力较大。从减小离心力的角度出发,电机转子设计的越小越好。然而要保证电机优越的电磁性能,转子要有足够的空间放置永磁体和转轴,因此转子直径又不可能太小。

  从丰田和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。

  第一代表贴式表贴式结构,漏磁很小,是应用较多的结构。但这种结构,本身不具备抗高速能力,需要在外层包裹一层保护套。保护套一般有两类一类是碳纤维,一类是不导磁的合金钢。

  在温度不高的场合碳纤维的强度更好,不但强度更高而且电导率更低,但由于工艺难度和温度限制,很多场合还是使用合金钢保护套。

  我们看到很多伺服电机采用第一代表贴式结构,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

  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。

  如果第二代表贴式即解决了漏磁,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。

  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转子结构。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。

  尽管升级后的表贴式结构性能已经很优异了,但很多场合还是偏向于内置式电机。这是因为:

  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。

  第三:内置式的磁钢更安全,磁钢埋在硅钢里面,不用直面复杂的气隙磁场,减小了涡流损耗和退磁风险。

  因此丰田、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。

  第一种结构是一字结构的高速化改造,将永磁体分成几段,一方面,每段的内应力减小,另一方面多出了两条加强筋,强度高了很多。但这种结构的漏磁很大,聚磁效应不好,性能和表贴式相仿。

  第二种结构是V字结构的高速化改良,将V分成了三段,这种结构的漏磁很大,但气隙磁密正弦性很好。

  第三种结果是切向结构的高速化升级版,它继承了切向结构凸极比大,磁阻转矩大,聚磁效应好的优点,而且磁钢受力均匀,没有拉应力。这种结构几乎完美的解决了机械和电磁之间的两大矛盾。缺点是轴的结构复杂,对装配精度要求很高。

  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。

  内置式结构的种类有很多,可以多种结构混合组合,在这方面用功非常容易出成果,是车用永磁电机高速化的主要研究方向。

  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。