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高速電機開發(fā)的關鍵要素

芯長征科技 ? 來源:RIO電驅(qū)動 ? 2024-10-15 15:37 ? 次閱讀
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以下文章來源于RIO電驅(qū)動 ,作者小凌

隨著全球新能源汽車市場的蓬勃發(fā)展,驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速也呈現(xiàn)出了驚人的增長態(tài)勢。從數(shù)年前的18000rpm,到如今的輕松超越20000rpm,這不僅僅是數(shù)字上的突破,更是對電機設計和制造技術的一次次嚴峻考驗。本文就高速電機開發(fā)的幾個點與大家探討下。

01#轉(zhuǎn)子極對數(shù)的選擇

在高速電機中,鐵損成為了一個不可忽視的關鍵因素,尤其是在高轉(zhuǎn)速區(qū)間。電機的極數(shù)與鐵損之間存在著密切的關聯(lián),這是因為隨著電機轉(zhuǎn)速的提升,鐵芯中的磁通變化頻率也會相應增大,進而引發(fā)鐵損的顯著增加。以下是鐵損的計算公式:

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以20000rpm的電機為例,6極電機的工作頻率達到1000Hz,而8極電機的工作頻率則提升至1333Hz。根據(jù)上述鐵損的計算公式,工作頻率的升高直接導致鐵損的增大。

在高速電機的設計趨勢中,我們可以看到8/48的極槽配合正在逐漸減少,而6/54的極槽配合則逐漸增多。

這一轉(zhuǎn)變的原因正是基于上述的鐵損考量。為了降低高速運轉(zhuǎn)時的鐵損,設計師們傾向于選擇6/54的極槽配合,以實現(xiàn)更優(yōu)的電磁性能和更高的效率。

02#冷卻系統(tǒng)的選擇

對于高速永磁電機,溫度對其性能的影響至關重要。由于永磁體的工作點會隨溫度而漂移,過高的溫度甚至可能引發(fā)永磁體失磁的風險。加之新能源汽車驅(qū)動電機的高功率密度,使得散熱面積受限,因此,散熱設計成為確保電機性能穩(wěn)定的關鍵。

首先在考慮散熱方式時,我建議對于轉(zhuǎn)速超過18000rpm的電機,采用油冷方式。這是因為,當轉(zhuǎn)速超過16000rpm時,轉(zhuǎn)子的發(fā)熱問題變得尤為突出。水冷電機,其主要冷卻對象是定子,而在高轉(zhuǎn)速下,轉(zhuǎn)子的熱量難以通過水冷方式有效散發(fā)。

wKgZomcOHB6AfPcSAAHCJRKLbJg881.png

其次對于溫度監(jiān)控,目前電機設計中通常在定子內(nèi)部嵌入溫度傳感器。對于水冷電機,由于流道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,定子繞組的溫度分布相對均勻,定子溫度能得到很好的控制。然而,對于油冷電機,流道的設計自由度較大,導致繞組間的溫度差異較水冷電機更為明顯。因此,在選擇溫度傳感器的位置時,需要特別考慮繞組溫升較高的地方,以確保所監(jiān)控的溫度與繞組最高點的溫度差異盡量小,從而準確反映電機的實際熱狀態(tài)。

03#高速軸承的技術挑戰(zhàn)

轉(zhuǎn)子支承系統(tǒng)是高速電機研制的核心組件,其中軸承技術的選擇尤為關鍵,目前電機軸承用的為深溝球軸承,這里我就不講什么保持架設計,滾到設計,就聊一聊應用的一些問題。

在高轉(zhuǎn)速環(huán)境下,球軸承面臨著嚴重的發(fā)熱和跑圈風險。這是因為隨著轉(zhuǎn)速的提升,軸承內(nèi)部的摩擦和熱量產(chǎn)生也會急劇增加,從而導致軸承性能下降甚至失效,因此高速軸承的潤滑十分關鍵。

上文提到驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速超過18000rpm后建議選擇油冷的另一個重要原因便是軸承潤滑。對于水冷電機,其軸承通常采用自潤滑球軸承,然而,在高速運轉(zhuǎn)時,這種軸承面臨著漏脂問題以及內(nèi)外圈溫差過大的挑戰(zhàn)。

相比之下,油冷系統(tǒng)中使用的開式球軸承能夠有效地冷卻軸承的內(nèi)外圈,避免了漏脂問題,并且具有較低的滾動摩擦系數(shù)。但是要注意軸承潤滑油道的設計,避免軸承冷卻不充分,下圖為特斯拉早先油冷示意圖(后續(xù)取消內(nèi)置突出結(jié)構(gòu),應該是發(fā)現(xiàn)內(nèi)置突出結(jié)構(gòu)比較雞肋又比較花錢),在軸肩開孔,內(nèi)置突出結(jié)構(gòu)保證冷卻油流速比較均勻的進入前后軸肩(后來取消應該是發(fā)現(xiàn)均不均勻?qū)鋮s影響不大,國內(nèi)大多數(shù)油冷電機也沒有內(nèi)部突出結(jié)構(gòu)。)

wKgaomcOHCaAJi6qAAIDvW31WLA637.png

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原文標題:高速電機開發(fā)的關鍵要素有哪些?

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