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通用汽车先进电机技术的最新进展

时间:2019-11-05来源:电机产品技术前哨 作者:核动力蜗牛

导语:通用汽车电机是美国DOE- U.S.Drive联盟的旗下的重要成员,在DOE项目资金的驱动下,近几年一直积极的投入电机新技术和新产品的开发。

缘起

通用汽车电机是美国DOE-U.S.Drive联盟的旗下的重要成员,在DOE项目资金的驱动下,近几年一直积极的投入电机新技术和新产品的开发。

通用汽车电机 

DOE组织的联盟囊括了许多组织,由前到后呈:基础研究-技术研究-产品开发纵深排布。其中GM、GE、UQM这些企业承担的是产品级技术研发的工作,和产品最接近,和国内大多数的电机企业生态位类似,因此其技术路线和成果值得我们研究参考。

GM最近几年的电机研发方向瞄准的目标就是DOE制定的2020和2025目标,具体而言就是高效率、高功率密度和低成本。为了实现上述目标,GM上马了代号为ELT093的先进电机技术项目。

电机发展路线 

三条技术路线

GM的先进电机技术项目是2016年10月启动,到现在已经历时3年,总共获得了7百万美元的项目资金,目前完成了70%的内容。项目内又细分三条技术路线,一条是轻稀土永磁同步电机,一条是非稀土助磁的永磁同步磁阻电机,最后一条是传统的感应电机,但其转子采用了铜铝混合的鼠笼结构。

同步电机 

三条技术路线的大致参数已经披露出来,如下表所示,都是采用350V的电压平台,电机外径在200上下。第一列轻稀土的产品转矩和功率分别达到370Nm和150kw,同步磁阻的电机走的是高转速的技术路线转速达到16650rpm,相应的转矩下降为250Nm,铜铝混合的感应电机转速和转矩都居中。下面我们一一展开介绍。

1.4.png路线一:轻稀土永磁同步电机

GM的轻稀土永磁同步电机采用的是双V的转子结构,如下图所示,和早期版本的GMSpark和GMBlot的结构类似。但其磁钢的采用无Dy的钕铁硼磁材。因为Dy是最昂贵的重稀土成分,无Dy能够有效降低成本。但取消了Dy会带来磁材结构的性能下降,需要在电机设计中加以弥补。

轻稀土技术路线 

我们对比GM的轻稀土结构和采用传统稀土BLOT转子,还是能够发现一些端倪,轻稀土结构的磁钢明显要更厚实,这是为了补偿轻稀土矫顽力下降的缺陷。但仅仅是加厚是不够了,在细节设计上,还需要更多的特殊设计,以避免磁钢退磁。从披露的资料来看,我们能判定该转子结构有所保留,轻稀土的转子磁极设计仍然是非常有挑战性的工作。

轻稀土电机结构 

轻稀土的技术路线下,电机成本达到了DOE2020要求,即4.7美元每公斤,折算到人民币成本在4800元左右,其中最贵的部件为定子,其次为转子,磁钢占比为14%,也就是660元左右。而普通稀土的电机磁钢的成本占比会达到30%以上,因此从降本的角度而言,轻稀土技术是成功的。

轻稀土技术路线 

当前该项目已完成了样机制作,目前正在进行可靠性测试,该项目最关键的门槛是"低成本高性能的无Dy钕铁硼技术"。当前的瓶颈是磁钢抗退磁性能,目前GM使用的2号材料的矫顽力矫顽力相当于普通钕铁硼的96%(20℃),93%(150℃。但仍然有相当的退磁风险,在120%最大电流下,有9.7%的退磁损失。

轻稀土电机 

路线二:轻稀土助磁的同步磁阻电机

GM的同步磁阻电机路线和橡树岭非常类似,都是采用月牙型磁障结构+磁钢助磁的技术。但明显GM电机的设计转速要高,达到16500rpm,这有利于弥补转矩密度不足的劣势。

1.9.jpg 

高速化后,该电机的功率密度达到了3.6kw/kg,超过了DOE2020的要求,也比橡树岭的第二代同步磁阻电机要高。这是可以理解的,首先GM的同步磁阻电机开发要晚于ORNL,其次GM的技术开发获得了ORNL的技术协助,因此GM的同步磁阻技术成熟度要明显高出ORNL。

 GM

除了高速化GM技术的优势在于:

转子磁障数目更多,达到了4层半,那个半层指的是转子外表面那个表面月牙缺口;

加入的永磁助磁量和质都要高于橡树岭,橡树岭采用的铁氧体助磁,而GM采用了轻稀土助磁;

采用了扁线绕组,使得功率密度进一步提高;

在多管齐下,取得了更好的电磁性能。姑且可以称为第三代同步磁阻电机,下图简要介绍了磁钢在同步磁障电机中的作用。磁钢助磁使得磁桥预饱和,从而提高凸极比和转矩。

 轻稀土助磁的同步磁阻电机

目前GM团队面临的关键问题是这种结构在高速下的强度问题,其实单强度容易解决,难的是强度和电磁性能平衡问题。若要提高强度,不可避免的会增加磁桥厚度,但这会使得转矩下降,功率因数恶化,因此需要通过算法优化设计使得两者之间达到最佳的平衡。

 助磁磁阻电机

路线三:铜铝混合结构感应电机

所谓的铜铝混合,其实就是在原有的感应电机转子下了文章。主要是两点:

鼠笼导条工艺由铸铝切换成插铜条的工艺,如此使得转子电阻下降,转子电流损耗也随之下降;

鼠笼的端环仍然保留铸铝的工艺,因为端环的电阻占转子电阻的比例很小,因此铸铝结构对损耗影响不大。

铜铝混合结构感应电机 

之所以采用这种复合结构,为什么不采用全铝或者全铜的结构,一是因为一是要抑制转子损耗,所以传统的铸铝转子必须要更换掉。二是全铜的铸铜转子方案,铜浇铸温度高,对转子片绝缘的损害大,同时铸铜转子的不良率比较高成本居高不下。采用插铜条方案不需要高温铸造铜,即保留了铸铜的优点,又避开了可能的缺陷。

 感应电机

GM的铜铝混合感应电机转速为13000rpm,功率密度超过了DOE2020的要求,但成本仍然较高。这主要是转子鼠笼的工艺还不成熟,问题的关键在铜和铸铝交接面的质量上。

 转子鼠笼

铜和铝两种不同材料之间的焊接非常困难,采用先插铜后铸铝的方式效果略好,但仍然需要改善接触质量。接触质量不好,端环容易在高速下失效,同时也会增加接触电阻使得效率下降。GM从三个参数去作了优化,一为铜条深入端环的长度,二为铸造温度,三为铸铝流动参数。从公布的数据看目前达到的最好成绩是在应力161Ma疲劳寿命360000万次循环。

 同步磁阻电机

总结·技术的层次结构

这三个方案的第一个共同点都是去稀土的方案,第一个方案是轻稀土,就是还是用稀土但不用Dy等重稀土,以此来降低成本。第二个方案也是用轻稀土,但用量更少了,以此来进一步降低成本。第三个方案是感应电机,是一点稀土也不用了。所以这三个方案构成了一个渐进的层次结构,体现了产品系统策略的思量。这三个方案还有另外一个共同的特点,那就是都采用扁线定子平台。且每极下槽数都为9槽,也就是说扁线的尺寸设计大致相同。

稀土永磁同步电机 

可以从两个角度来理解为什么都选用扁线方案。一个是为了弥补功率密度缺陷,三条技术路线都是去稀土的技术,不可避免会减低磁场能量密度,因此需要用额外的一味“药”来补这个缺陷.GM是最早开发扁线技术的一批公司,因此选择扁线这味药是情理之中。

从另外一个角度,经过这两年的技术发展,我们能够感受到扁线发卡的工艺在成熟,,设备的柔性度也在提升,所以工艺成本也在快速下降。因此选择扁线技术慢慢的会变得不那么昂贵。

从GM的实践过程我们能看到,他们在为DOE2025的目标持续而稳定的投入。只要目标还在,问题还在,技术就不会停止。它总是会以自己独特的路径,倔强的发展。

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