宝马改善i系车电机效率 提升功率密度

2013-08-19 20:06:40来源: 互联网

    宝马i系列作为宝马子品牌,其主要代表宝马公司新能源汽车和新的移动解决方案。日前,宝马公司宣布将为其i3以及i8车型配备宝马eDrive专用同步电动机,该同步电动机充分利用永久磁铁和磁阻效应,宝马eDrive专用同步电动机推出的目的是为了在尽可能少利用稀土磁铁的情况下尽可能高的提高系统的能量密度以及效率

    宝马i3采用50千克电动机,其输出功率可达125千瓦,其功率重量比为2.5千瓦/千克。该电动机在高转速情况下也可保证其线性输出特性,其线性输出范围最高可达11400转/分钟。相比较,2011款日产LEAF车型配备58千克电动机,其输出功率为80千瓦,其功率重量比仅为1.38千瓦/千克。

    众所周知,提高电池本身是降低电动汽车成本、提高电动汽车工作效率的主要措施,但是,对电力牵引驱动器(电动机、电力电子、电力传输以及热管理等)的改进同样发挥了关键的作用。

    其中,美国能源部汽车技术办公室高级电力电子和电动汽车项目计划正在对电力牵引驱动器进行系列研究,其中主要设计研究电力电子(PE)、电动机(EM)、热管理以及牵引驱动系统技术等,该项目计划目的就是为了研究比较超前的汽车技术。其中控制电力电子系统以及电动机系统的重量、体积、效率以及成本等是整个系统的关键,整个牵引驱动系统采用新型牵引电动机设计方法,这样不仅提高了功率密度,而且还节约了成本。

    目前,市面上存在多种电动机可供选择,其中包括直流电动机、交流感应电动机、永磁电动机、开关磁阻电动机以及轴向磁通电动机等。而目前,大部分的汽车制造商推出的混合动力车型和纯电动车型均采用永磁电动机,例如雪佛兰斯帕克(Spark)、福特福克斯电动汽车(Focus Electric)、本田飞度电动汽车(Fit EV)、日产LEAF以及丰田普锐斯(Prius)等。其中最大的例外便是特斯拉汽车公司的S车型以及跑车Roadster车型,它们均采用特斯拉公司的交流感应电动机。另外,有丰田车型也采用了特斯拉研究设计的交流感应电动机。值得注意的是,宝马公司之前推出的首款电动汽车Mini-E同样采用了交流感应电动机,该交流感应电动机是由AC Propulsion公司提供的。

    交流感应电动机由定子转子组成,定子绕组通环绕交流电,因此会产生旋转磁场,旋转磁场切割转子,因此产生转矩而转动。交流感应电动机中不包含永久磁铁。交流感应电动机特点是生产应用广泛,但是,其缺点是目前交流感应电动机并不符合US DRIVE(车辆驾驶效率和能源可持续性的研究创新Driving Research and Innovation for Vehicle efficiency and Energy sustainability)对成本、重量、体积以及效率的要求。

    永磁电动机通过将永久磁铁安装在转子上,此时定子通电,电流在磁场中受到磁力作用产生扭矩,此时转子转动。永久电动机设计更加紧凑,扭矩密度高,与交流感应电动机相比,其所需电流小。但是,永久磁铁材料成本是一大问题,另外永久磁铁的热损伤也是阻碍其广泛应用的一大原因。

    开关磁阻电动机不包含永久磁铁,而且结构简单,功能强大,其成本也最低。但是,它存在转矩震动严重、噪声高、功率因数低以及效率低等严重功能问题。

    综上所述,永磁电动机的某些特性是符合要求的,但是如何选择低负载的永久磁铁材料成为了重点。又或者可以利用不同电动机的技术综合设计。在2012年的电气工程技术分析杂志中有一篇论文(论文作者Beser et al.)介绍到:

    随着科技的进步,人们对于具有不同特性的电动机的要求也在不断增长。因此,对于提高电动机性能的研究也已经得到了广泛的开展,其中包括新电动机的推出以及对已有电动机的技术改进等。

    在研究论文中,磁铁型电动机和磁阻型电动机是人们关注的重点,其中分析了电动机的各种结构以及具体实施方案。同时,因为人们对于永久磁铁材料的进一步研究而使得磁铁型电动机研究论文数量得以增加。其中磁铁性电动机可被分为永磁同步电动机(PMSM)和无刷直流电动机(BLDC)。磁铁型电动机在基本速度下性能表现完美,但是其速度范围较窄。

    磁阻型电动机不包含永久磁铁,因此不存在消磁风险,因此可以在高温下工作。磁阻型电动机工作遵循磁阻原理,根据其工作原理的不同分为开关磁阻电动机(SRM)和同步磁阻电动机(SynRM)。

    磁阻辅助型磁铁电动机(PMa-SynRM)设计结合了磁铁型电动机和磁阻型电动机的优点。磁阻辅助型磁铁电动机因具有功率密度高、功率因数高、工作效率高、调速范围宽等优点而广受关注。因为该电动机转矩包含磁铁转矩和磁阻转矩,因此也可称其为混合型电动机。其中,该发动机转子可设计成不同结构,即可以提供磁铁转矩又可以提供磁阻转矩。

   宝马公司表示,由于车内安置电动机的空间及其有限,所以就要求车载电动机在体积重量小的前提下具有高输出功率高扭矩。同时车辆驾驶效率与车辆电力系统续航能力直接相关。但是高电压电池价格昂贵,因此,优秀的车辆驾驶系统应该在电池电量范围内使用效率尽可能的高,并且可以获得最大限度的续航里程。

    永久磁铁电动机可以提供磁阻转矩和磁铁转矩。在2012年的专利申请中,宝马公司技术人员发现,同步永磁电动机在通电某一程度下,其在磁铁方向(磁极方向)和垂直于磁铁方向产生的电磁感应存在不同,因此而产生了磁阻转矩。由此产生的磁阻转矩与磁通转矩叠加在了一起共同作用电动机。

    宝马i3采用的电动机是同步永磁电动机,但是其配备了特定的部件,该部件作用类似于磁阻电动机中自感部件产生自感的作用。这种独特的设计使得电动机机电部件即便是在高速运转情况下也能保持稳定。此次,宝马i3采用的电动机最高稳定转速为11,400转/分钟。

    从现有技术来分析,电流流经驱动马达定子时会经过弱磁区域,那么此时会出现d分量。此时,该电流产生的磁场会与永久磁铁产生的磁场相互作用。而由磁通定律可知,通过某一磁铁的磁通密度是不变的,但是此时磁通量发生了变化。此时通过定子的磁通量被排挤到了定子与转子之间的间隙,磁通量被排挤的现象称之为磁力包络,这会使得定子电流方向与磁感线方向在定子与转子间来回切换。因此,导致了整个系统的磁通密度来回变换,而且磁通密度变化频率要远高于电动机的固有电学频率。这种情况下会产生很大的铁损耗,并且会大幅降低电动机效率。这种情况主要发生在弱磁区域,因此电动机应该根据自身工作特性相应进行优化设计。

    为了抑制定子转子间磁通密度波动,可以使得磁通路径更为均匀。为实现磁通路径更为均匀可以增加磁性材料层数,但是这种设计方案对于生产制造来说时不切实际的,因为增加磁性材料层数必须保证磁性材料每层都很薄。很薄的磁性材料自身是易碎的,在插入凹槽时更增加了破碎的可能性,而且由此而产生的生产成本将急剧增加。

    宝马此次的设计发明主要目的是为电动汽车提供一种电驱动马达解决方案,作为动力牵引系统,电驱马达必须满足弱磁区域内工作效率高的条件。该电动机定子与转子至少有一个极对。每一个极对的每一个极都必须包含一个深埋磁性层的磁性装置。每一个极都包含大量磁通量影响群,每个磁通量影响群均由大量的凹陷空气槽组成。这些凹槽的作用并不是为了增加磁性材料层的磁导量。

    通过磁通量影响群,沿定子转子空隙方向的磁阻可以均匀分布。通过引入磁通量影响群,可以有效降低定子转子间隙中磁通密度的波动。通过这种方法,弱磁区域的铁损耗明显降低。其结果就是有效抑制了定子转子磁通量的切换。

    宝马公司技术人员发现,该方法可以应用到各种车载电动机上,而且电动机凹槽可以利用冲孔来实现,所以电动机的成本不会增加。宝马公司还表示,通过这种方法可以确保电动机在高转速情况下也能保证高效率工作,而且可以在固有电池容量下增加续航里程。另外,续航历程一定情况下所需电池容量降低。电池作为目前电动汽车生产成本的最大因素,降低电池容量也可以有效节约成本。

关键字:电机  效率

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/2013/0819/article_7715.html
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