車用電機高速化是大勢所趨，高速化需要從電磁、結(jié)構(gòu)、控制等多個維度下功夫去解決。

 

1、初見-它山之石

 

老外在高速車用電機開發(fā)上確實是走在了我們前面，他們的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)值得借鑒。

 

 

 

豐田

 

車用永磁電機如何實現(xiàn)高速—結(jié)構(gòu)篇

豐田公司發(fā)展出了Prius系列 Camry系列等多種車用永磁同步電機，可謂是該行業(yè)的領(lǐng)軍者。我們分析他們產(chǎn)品的年代序列，發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速有逐步增高的趨勢，相應(yīng)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)也有更替。

 

 

 

年份

 

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

 

最高轉(zhuǎn)速（rpm）

 

最大功率（kw）

 

2003

 

一字型

 

6000

 

---

 

2004

 

V字型

 

6400

 

50

 

2008

 

V一字型

 

10230

 

165

 

2010

 

改進V字型

 

13500

 

60

 

 

 

從他們的經(jīng)驗可以看出，就高速的結(jié)構(gòu)強度而言：

 

一字型不如V字型結(jié)構(gòu)（2003VS2004），這是因為一字的極弧系數(shù)大于V字，轉(zhuǎn)子上軛部（產(chǎn)生離心力的部分）的面積更大，離心力更大，而且一字型的磁橋部位承受的彎矩更大。

無中間磁橋的V字不如有中間磁橋的V字（2004 vs2010），這是因為中部的磁橋，起到了分流離心應(yīng)力的作用。

從豐田的經(jīng)驗我們可以學習到，磁橋的設(shè)置非常關(guān)鍵，增加磁橋的數(shù)目和寬度能夠提高強度。

 

 

 

BMW

 

BMW的i系列汽車業(yè)采用永磁同步電機，他們走的是磁阻永磁混合轉(zhuǎn)矩的路線。其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)非常復雜，也能承受高轉(zhuǎn)速， 較豐田prius，BMW增設(shè)了更多的磁橋，他們有兩層磁鋼，每一層的磁鋼有中間、兩端四個磁橋。

 

 

 

車用永磁電機如何實現(xiàn)高速—結(jié)構(gòu)篇

 

 

從BMW的結(jié)構(gòu)，我們學習到兩個分流離心力的方法：

 

增加更多的磁橋來分流應(yīng)力，中間磁橋的承擔能力強于兩端磁橋

分設(shè)多層磁鋼，減小每一層的壓力，最外側(cè)的磁鋼，離心力越大，因此應(yīng)該設(shè)計的最小。

 

 

2、深入-從樹木到深林

 

 

 

學習競爭對手能夠讓我們快速進步，少走彎路。但跟隨造就不了偉大的公司，也培養(yǎng)不出大師。想要更進一步，不但需要知其所以然，還要從更大的視角去觀察問題。永磁電機的高速化，不僅僅局限在汽車領(lǐng)域，在船用電機、電主軸電機、儲能電機等多領(lǐng)域都有應(yīng)用需求。而且在其它領(lǐng)域，可能走的更遠。

 

 

 

目前的水平

 

在其它領(lǐng)域，高速電機已經(jīng)發(fā)展到了非常高的水平，我們面臨的問題，前輩們?nèi)冀?jīng)歷過，有些已經(jīng)解決了，有些還在奮斗中。下面簡單介紹一些案例：

 

2005 年 Kenny 設(shè)計一臺應(yīng)用于飛輪儲能的高速永磁同步電機，電機額定功率 1.5k W，最高轉(zhuǎn)速60000r/min，電機轉(zhuǎn)子采用表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，利用碳纖維對永磁體進行保護

2009 年 Bailey 設(shè)計了一臺應(yīng)用于石化工業(yè)離心壓縮機的高速永磁同步電動機，這臺電機的額定功率8MW，額定轉(zhuǎn)速15000r/min。電機定子采用低損耗的硅鋼片，轉(zhuǎn)子采用了兩種軸承方案，一種是磁力軸承，一種是滾動軸承。

韓國電工所Do-Kwan Hong 等學者在高速永磁同步電機方面也做了大量研究。Do-Kwan Hong 等人設(shè)計了一臺額定功率5k W，額定轉(zhuǎn)速120000r/min 高速永磁同步電機。

有個前輩把已有的成就，作了細致統(tǒng)計。

 

（在統(tǒng)計數(shù)據(jù)中，SPM指的是表貼式電機，他們一般用合金鋼或者碳纖維包裹包圍。IPM指的是內(nèi)置式永磁電機。）

 

 

 

車用永磁電機如何實現(xiàn)高速—結(jié)構(gòu)篇

車用永磁電機如何實現(xiàn)高速—結(jié)構(gòu)篇

從介紹中我們能夠?qū)W習到比電動汽車電機更高功率更高速度的結(jié)構(gòu)都已經(jīng)實現(xiàn)了。包括了內(nèi)置式IPM、表貼式SPM都已經(jīng)解決。那么他們在解決過程中遇到的關(guān)鍵矛盾是什么？

 

 

 

轉(zhuǎn)子外徑的矛盾

 

高速永磁同步電動機的轉(zhuǎn)速較高，電機正常工作時轉(zhuǎn)子所受離心力較大。從減小離心力的角度出發(fā)，電機轉(zhuǎn)子設(shè)計的越小越好。然而要保證電機優(yōu)越的電磁性能，轉(zhuǎn)子要有足夠的空間放置永磁體和轉(zhuǎn)軸，因此轉(zhuǎn)子直徑又不可能太小。

 

 

 

漏磁和強度的矛盾

 

從豐田和BMW的經(jīng)驗中我們知道磁橋變寬會增加強度，但從電磁角度出發(fā)，這是不利的，因為磁橋越寬，漏磁越大，相當于永磁利用率降低。下面的圖表就顯示了這個問題。

 

 

 

車用永磁電機如何實現(xiàn)高速—結(jié)構(gòu)篇

 

 

不同的方案，都是在不同層面上去平衡這些矛盾，下面介紹各類結(jié)構(gòu)。

 

 

 

3、表貼式結(jié)構(gòu)(SPM)

 

第一代表貼式

 

表貼式結(jié)構(gòu)，漏磁很小，是應(yīng)用較多的結(jié)構(gòu)。但這種結(jié)構(gòu)，本身不具備抗高速能力，需要在外層包裹一層保護套。保護套一般有兩類一類是碳纖維，一類是不導磁的合金鋼。

 

車用永磁電機如何實現(xiàn)高速—結(jié)構(gòu)篇

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在溫度不高的場合碳纖維的強度更好，不但強度更高而且電導率更低，但由于工藝難度和溫度限制，很多場合還是使用合金鋼保護套。

 

 

 

第二代表貼式

 

我們看到很多伺服電機采用第一代表貼式結(jié)構(gòu)，但這種結(jié)構(gòu)有個問題：由于表面磁鋼不是均勻分布的，在保護套圓周方向形成了不均勻的離心力，導致保護套出現(xiàn)彎曲，承受彎矩。而對碳纖維等材料，承受彎矩是非常不利的，因此有必要解決離心力均勻分布問題。于是又了第二代改進結(jié)構(gòu)

 

車用永磁電機如何實現(xiàn)高速—結(jié)構(gòu)篇

 

 

第二代結(jié)構(gòu)，作了兩重改進，第一重就是在磁鋼和磁鋼之間增加了不導磁的填充物，這樣離心力的均勻性給解決了。第二重改進是：將永磁體的多塊化。為什么如此？因為高性能的永磁體一般都是粉末冶金而成的,它們能承受較大的壓應(yīng)力, 但不能承受大的拉應(yīng)力, 其抗拉強度低于抗壓強度的十分之一。永磁體在受離心力時，由于圓周跨距角較大，不同角度下的材料受的離心力方向不一致，會形成內(nèi)應(yīng)力，這種內(nèi)應(yīng)力是拉應(yīng)力，因此容易碎裂。分塊化就很好的解決了這個問題。

 

 

 

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第三代表貼式

 

如果第二代表貼式即解決了漏磁，又解決了強度問題。那么第三代就更上一層，它還解決了氣隙磁密的正弦性問題，讓表貼式電機也擁有了類似內(nèi)置式電機的聚磁效應(yīng)。

 

 

 

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在第二代的基礎(chǔ)上，將分塊的磁鋼的充磁方向略作調(diào)整區(qū)分，就形成了Halbach轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。這類結(jié)構(gòu)具備磁場正弦性好，聚磁效應(yīng)好，漏磁小等優(yōu)點，使得表貼式電機的性能幾乎接近內(nèi)置式了。

 

 

 

4、內(nèi)置式結(jié)構(gòu)（IPM）

 

 

 

盡管升級后的表貼式結(jié)構(gòu)性能已經(jīng)很優(yōu)異了，但很多場合還是偏向于內(nèi)置式電機。這是因為：

 

第一: 內(nèi)置式電機結(jié)構(gòu)簡單可靠，不需要保護套、填充物等附加結(jié)構(gòu)，簡單即是美。

 

第二：內(nèi)置式電機有磁阻轉(zhuǎn)矩，可以產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)矩密度和功率密度。

 

第三：內(nèi)置式的磁鋼更安全，磁鋼埋在硅鋼里面，不用直面復雜的氣隙磁場，減小了渦流損耗和退磁風險。

 

因此豐田、BMW等各大企業(yè)，都不約而同的選擇了內(nèi)置式結(jié)構(gòu)，除此之外我再介紹幾種內(nèi)置式電機結(jié)構(gòu)。

 

車用永磁電機如何實現(xiàn)高速—結(jié)構(gòu)篇

 

 

第一種結(jié)構(gòu)是一字結(jié)構(gòu)的高速化改造，將永磁體分成幾段，一方面，每段的內(nèi)應(yīng)力減小，另一方面多出了兩條加強筋，強度高了很多。但這種結(jié)構(gòu)的漏磁很大，聚磁效應(yīng)不好，性能和表貼式相仿。

第二種結(jié)構(gòu)是V字結(jié)構(gòu)的高速化改良，將V分成了三段，這種結(jié)構(gòu)的漏磁很大，但氣隙磁密正弦性很好。

第三種結(jié)果是切向結(jié)構(gòu)的高速化升級版，它繼承了切向結(jié)構(gòu)凸極比大，磁阻轉(zhuǎn)矩大，聚磁效應(yīng)好的優(yōu)點，而且磁鋼受力均勻，沒有拉應(yīng)力。這種結(jié)構(gòu)幾乎完美的解決了機械和電磁之間的兩大矛盾。缺點是軸的結(jié)構(gòu)復雜，對裝配精度要求很高。

第四種結(jié)構(gòu) 一般用在有更高要求的場合，將一極的磁鋼，沿水平方向和豎直方向雙向分塊。形成了磁鋼陣列。這類結(jié)構(gòu)有很大的發(fā)展空間，可以分化出許多變種，設(shè)計的好可以擁有磁阻轉(zhuǎn)矩大、氣隙磁場好的優(yōu)點。但這種結(jié)構(gòu)非高手難以駕馭。

內(nèi)置式結(jié)構(gòu)的種類有很多，可以多種結(jié)構(gòu)混合組合，在這方面用功非常容易出成果，是車用永磁電機高速化的主要研究方向。

 

 

 

5、總結(jié)-始于足下

 

看到前人的成就，也許能讓你大受啟發(fā)，產(chǎn)生創(chuàng)新的沖動。我們就像在海邊的小孩，總是為撿到一兩塊貝殼而歡心雀躍。我們所了解的只是滄海一粟， 高速電機的結(jié)構(gòu)挑戰(zhàn)不僅僅局限于磁極結(jié)構(gòu)，還有軸承問題、護套渦流損耗問題、熱變形問題、散熱問題、材料問題、設(shè)計手段問題，每一塊都足夠我們馳騁。沒有關(guān)系，我們就從當下做起，一步一積累。多年以后，當我們再回首時，會發(fā)現(xiàn)，不知不覺間，自己也成了前輩。