Анализ производительности электродвигателей для электромобилей

Анализ производительности электродвигателей для электромобилей

Электрификация транспорта и высокий потребительский спрос на автомобили «следующего поколения», такие как Tesla Model 3, приводит к тому, что в автомобильной промышленности наблюдается сильный толчок к производству электромобилей с аккумуляторным питанием. Разработка аккумуляторной силовой установки является сложной системной проблемой. Достижение оптимизированной системы требует оценки множества различных концепций и топологий, детального понимания взаимодействия всей улов системы. Как правило, эти взаимодействия пересекают специальности или дисциплины, вовлекают разные команды и требуют междисциплинарного анализа. Инструменты проектирования и моделирования имеют решающее значение для оценки различных топологий дизайна и выявления и понимания важных взаимодействий узлов системы.

В этой статье рассматривается проектирование и разработка электродвигателя силовой установки электромобиля EV, а также сравнение и оценка различных вариантов конструкции, таких как топология двигателя, тип обмотки и система охлаждения, с учетом их общего воздействия на систему. Эта статья состоит из трех частей. В первой части статья сравнивается конструкция двигателя с инкорпорированными постоянными магнитами (IPM), асинхронного двигателя (IM) и синхронного двигателя с независимым возбуждением (WFSM) для использования в EV. Вторая часть статьи посвящена дизайну машины с постоянными магнитами и рассматривает компромисс между технологиями жестких секций и многожильных обмоток. Наконец, сравниваются три различных типа охлаждения: охлаждение с помощью водяной рубашки, охлаждение распылением масла и комбинированная водяная рубашка и воздушное охлаждение. Результаты, представленные в статье, основаны на анализе в программном обеспечении ANSYS Motor-CAD.

1. Сравнение типов электрических машин

Три типа машин, сравниваемые в этой статье, были разработаны для одной спецификации, показанной в Таблице 1. Типы двигателей IPM, IM и WFSM были выбраны так как они часто используются в современных серийных электромобилях на рынке. Машины были рассчитаны таким образом, чтобы соответствовать заданным пиковым требованиям производительности, в то время как непрерывная производительность варьируется в зависимости от конструкции. Двигатели были сконструированы с фиксированным максимальным наружным диаметром статора, и каждая конструкция имеет один и тот же метод охлаждения водяной рубашкой.

Таблица 1. Спецификация

1.1 PM дизайн

Поперечное сечение конструкции машины PM показано на рисунке 1. Это машина с инкорпорированными постоянными магнитами с 48 пазами и 8 полюсами (48s8p), а ротор представляет собой двухслойную конфигурацию, используемую для минимизации проницаемости оси d. Эта конфигурация приводит к разнице в индуктивности между осью магнита (ось d) и межполюсной осью (ось q), максимизируя тем самым потенциал для использования реактивного крутящего момента.

В роторе имеется несколько направляющих для потока. Их функция заключается в создании локального насыщения в областях ротора, который направляет поток от магнита в воздушный зазор и максимизирует использование составляющей крутящего момента от потока магнита. Магниты изготовлены из спеченных редкоземельных магнитов, типа неодим-железо-бор (NeFeB) марки N42UH. Шихтованный пакет выполнен из неориентированного, полуобработанного кремниевого железа толщиной 0,35 мм и электротехнической стали марки М250-35А.

Рисунок 1. Радиальное поперечное сечение для дизайна IPM

Чтобы минимизировать пульсации крутящего момента и гармоники напряжения, используется ряд методов. В роторе используется пошаговый сегментированный скос, при котором ротор сегментируется на три секции в осевом направлении, которые смещаются каждый срез на угол смещения, как показано на рисунке 2. Пошаговое наклонение может аннулировать определенные гармоники в пульсации крутящего момента и в форме зубцовых пульсаций крутящего момента, которые могут быть вызваны взаимодействие между полюсами и слотами в машине.

Рисунок 2. Сегментированный скос ротора

Другой метод, используемый для минимизации гармоник, заключается в профилировании формы поверхности ротора с помощью выемок, как показано на рисунке 3. Профилирование поверхности ротора может использоваться для контроля гармоник в форме кривой плотности потока в воздушном зазоре. Этот подход может минимизировать гармоники пульсаций крутящего момента и напряжения, а также гармоники радиальной силы, которые могут вызвать нежелательный шум, вибрацию и жесткость, все вместе известные как NVH.

Тип обмотки распределенный, каждый виток состоит из нескольких прядей небольших круглых проводов. Однослойная обмотка предполагает, что каждый слот занят одной катушкой и фазой.

Рисунок 3. Геометрия полюса ротора IPM

Шаг обмотки равен 5 слотов, как показано на рисунке 4, на катушку приходится 6 витков, каждый с 15 жилами на виток. Коэффициент заполнения слота, который представляет собой отношение меди к площади слота, составляет 40%. На рисунке 5 показано сечение паза. Обмотка использует две параллельные ветви на фазу, как показано на линейной схеме обмотки на рисунке 4.

Рисунок 4. Линейная схема обмотки для 48s8p IPM

Рисунок 5. Поперечное сечение паза с заполнением медью 40%

При разомкнутой цепи, форма линейной противо-ЭДС при 500 об / мин (показана на рисунке 6), имеет минимальное содержание гармоник и является квазисинусоидальной из-за влияния скоса ротора.

На рисунке 7 показана плотность потока при разомкнутой цепи в шихтованном материале ротора и статора. Этот график плотности потока показывает небольшие области с высоким насыщением в мостах ротора, которые помогают направлять магнитный поток в воздушный зазор. Распределение плотности потока в условиях нагрузки (крутящий момент = 350 Нм) показано на рисунке 8. Пиковая плотность потока в зубце статора и ярме составляет около 1,8 т, что характерно для машин, которые имеют хорошее использование магнитного материала при максимизации доступной площади паза.

Рисунок 6. ЭДС машины без нагрузки 500 rpm

Рисунок 7. Плотность потока без нагрузки

Рисунок 8. Плотность потока под нагрузкой 350 Nm

Рисунок 9. Форма вращающего момента под нагрузкой

1.2 IM дизайн

На рисунке 10 показано поперечное сечение конструкции асинхронной машины в ANSYS Motor-CAD. Эта машина имеет 72 слота статора и 84 ротора. 6-полюсный ротор с литой медной короткозамкнутой клеткой. Для изготовления пакетов ротора и статора используется электротехническая сталь марки М250-35А. Стержни ротора имеют механический скос в 5⁰, чтобы минимизировать пульсации крутящего момента.

В конструкции IM используется однослойная обмотка с коэффициентом заполнения паза 40%; поперечное сечение паза показано на рисунке 11. Обмотка имеет 3 витка на катушку с 15 жилами на виток; для каждой фазы используются 2 параллельных ветви. Линейная схема обмотки для одной фазы показана на рисунке 12.

Рисунок 10. Поперечное сечение IM

Рисунок 11. Поперечное сечение паза IM

Рисунок 12. Линейная схема обмотки IM

Распределение плотности потока в пакетах статора и ротора для пикового крутящего момента показано на рисунке 13. Пиковая плотность потока в зубьях ротора, зубьев статора и ярме статора находится в диапазоне 1,8–2 Тл.

Рисунок 13. Плотность потока при 350 Nm

Крутящий момент рассчитывается с использованием нестационарного решения 2D FEA, включая вращение ротора, и, следовательно, учитывает влияние пространственных гармоник на токи стержней ротора и пульсацию крутящего момента. Усредненная по времени плотность потерь в стержнях ротора за один электрический цикл показана на рисунке 14. Эквивалентная коррекция проводимости применяется к стержням ротора в 2D-решении FEA для учета влияния короткозамкнутых колец.

Рисунок 14. Омические потери от наведенных токов ротора в стержнях

Форма кривой крутящего момента, рассчитанная с использованием решения 2D FEA, показана на рисунке 15. Пульсация крутящего момента в районе 17%, однако мы не учитываем механический скос 5⁰ в этом расчете, который, если учесть, уменьшит пульсацию крутящего момента до приемлемого уровня.

Рисунок 15. Форма кривой крутящего момента, рассчитанная с использованием решения 2D FEA

1.3 WFSM дизайн

В конструкции синхронной машины с обмоткой возбуждения используется статор с 48 пазами и явнополюсный ротор с 8 полюсами. Радиальное поперечное сечение показано на рисунке 16. Для изготовления пакетов ротора и статора используется электротехническая сталь той же марки (M250-35A), что и в машинах PM и IM. Явнополюсный ротор показан на рисунке 17. Поле от ротора создается концентрированными обмотками вокруг каждого полюса.

Рисунок 16. Радиальное поперечное сечение машины WFSM

Постоянный ток до 16А подается в обмотку возбуждения через контактные кольца, что позволяет контролировать поле ротора. Обмотка ротора имеет 132 витка. Поперечное сечение ротора показано на рисунке 18.

Рисунок 17. Ротор 8-полюсной машины

Рисунок 18. Поперечное сечение паза ротора

Как и в случае с машиной PM, WFSM может использовать комбинацию момента от потока ротора и реактивного сопротивления. Однако в WFSM индуктивность по оси q ниже, чем по оси d, и, следовательно, реактивный крутящий момент создается только при положительном токе по оси d. Таким образом, максимальный угол крутящего момента/тока будет иметь место, когда угол опережения фазы gamma меньше нуля (gamma <0). Здесь форма тока тока запаздывает относительно напряжения, индуцированного полем ротора. Это не похоже на машину с постоянными магнитами, где угол MTPA возникает, когда gamma больше нуля (gamma> 0) или ток опережает напряжение, индуцированное полем ротора. Однако, в области ослабления поля, стратегия управления для WFSM использует комбинацию пониженного возбуждения постоянного тока ротора и отрицательного тока Id (gamma> 0) для расширения диапазона скоростей машины. В обмотке статор используется та же схема, что и в описанной выше машине РМ - 6 витков на катушку с 15 жилами на виток. Опять же, используется 40-процентный коэффициент заполнения паза медью. Шаг обмотки для одной фазы показаны в радиальном разрезе на рисунке 19.

Рисунок 19. Радиальная схема намотки для одной фазы

Распределение плотности потока в условиях нагрузки машины WFSM при 350 Нм показано на рисунке 20. Из-за явнополюсного ротора наблюдается значительный уровень пространственных гармоник. Это приводит к 17% пульсации крутящего момента и высокому уровню общего гармонического искажения (THD) в форме напряжения под нагрузкой (Рисунок 21).

Рисунок 20. Плотность потока при 350 Nm

Рисунок 21. Линейное напряжение под нагрузкой

1.4 Система охлаждения

Одна и та же система охлаждения - спиральная водяная рубашка - используется для всех конструкций машин, сравниваемых в этой статье. Геометрия корпуса с охлаждающими каналами показана на рисунке 22, каналы проходят только через активную часть статора. Водяная рубашка имеет температуру на входе 65 ° C и охлаждающую жидкость на основе этиленгликоля (EGW). Используется расход охлаждающей жидкости 6,5 л/мин.

Рисунок 22. Спиральная водяная рубашка охлаждения

 

1.5 Кривые производительности

Три машины были рассчитаны на одинаковую максимальную производительность: 350 Нм и 150 кВт. Кривые пиковой производительности для трех машин показаны на рисунках 23 и 24. Можно видеть, что все три машины соответствуют рабочим характеристикам. Различные формы кривых мощности характерны для типа машины. ПМ имеет пиковую мощность более 160 кВт в диапазоне 4-6 krpm, которая затем постепенно уменьшается с увеличением скорости. Эта характеристика довольно типична для машины с высоким коэффициентом полезного действия. Машина IM имеет пиковую мощность 180 кВт при 6 krpm; однако кривая мощности начинает быстро падать с увеличением скорости. WFSM имеет меньший пик перед снижением до более плоской характеристики мощности 150 кВт после 6 krpm.

Рисунок 23. Пиковая производительность. Кривые момент/скорость.

Рисунок 24. Пиковая производительность. Кривые мощность/скорость.

Хотя тяговые машины в применениях EV не работают непрерывно, обычно используют непрерывные кривые производительности, чтобы учитывать тепловые ограниченные на характеристиках машины и сравнить различные варианты конструкции. Характеристики непрерывной работы рассчитываются путем установки максимальных температурных пределов для различных компонентов машины и расчета максимального крутящего момента, который может непрерывно достигаться в этих пределах во всем диапазоне скоростей. Эта задача требует совместного решения электромагнитной модели, модели потерь и теплового состояния с использованием стратегии управления максимальным крутящим моментом на ампер, которая включает режим ослабления поля. Тепловое состояние рассчитывается с использованием сложной модели с сосредоточенными параметрами, которая учитывает теплопроводность, конвекцию и излучение в радиальном и осевом направлениях. Тепловая модель с сосредоточенными параметрами основана на проверенных методах моделирования и корреляциях, которые встроены в ANSYS Motor-CAD.

Для расчета непрерывной кривой производительности для обмотки статора каждой машины была установлена максимальная температура 180°C, для магнитов в машине PM ограничение составило 160°C, для стержней ротора IM - 220°C, для обмотки ротора WFSM - 180°C. Кривые непрерывного крутящего момента/скорости и мощности/скорости для всех трех машин показаны на рисунках 25 и 26 соответственно. Машина ПМ имеет лучший непрерывный крутящий момент на более низкой скорости, при увеличении частоты вращения машина IM показывает лучший непрерывный крутящий момент выше 9000 rpm. WFSM имеет самую низкую непрерывную производительность, в основном из-за чрезмерной температуры ротора, и в идеале, WFSM требует решение для охлаждения ротора.

Рисунок 25. Продолжительная производительность. Кривые момент/скорость.

Рисунок 26. Продолжительная производительность. Кривые мощность/скорость.

1.6 Осевые размеры и масса

Машины с постоянными магнитами обычно имеют более высокую улучшенную плотность крутящего момента по сравнению с другими типами машин из-за высокого значения магнитной нагрузки которая может быть достигнута с помощью редкоземельных постоянных магнитов. В этом примере внешний диаметр статора для всех трех типов машин одинаков, а осевая длина варьируется для достижения пиковой производительности. Сравнение осевых размеров и массы конструкций машин показано в таблице 2. Машина PM имеет активную длину 100 мм по сравнению со 120 мм для машин IM и WFSM. Общая длина машины IM самая большая, так как она имеет самые массивные лобовые части обмотки (из-за шага обмотки из схемы обмоток). IM также имеет наибольшую массу среди машин. Магниты же будут самым дорогим компонентом в машине PM. Таким образом, машина PM будет иметь самую высокую стоимость.

Таблица 2. Сравнение размеров и массы

1.7 Эффективность

Оптимизация эффективности электрических машин имеет решающее значение в тяговом приводе с применением аккумуляторов. Аккумулятор является самым дорогим компонентом в автомобиле. Использование энергии от батареи наиболее эффективным способом максимизирует дальность движения транспортного средства и/или позволяет использовать меньшую и менее дорогую батарею для достижения заданного целевого диапазона. Эффективность двигателя влияет на номинальную мощность автомобиля в милях/кВт-ч за счет энергии, подаваемой во время работы двигателю, и энергии, извлекаемой во время рекуперативного торможения.

1.7.1 Карты эффективности

Карты эффективности для PM, IM и WFSM показаны на рисунках 27, 28 и 29. Машина PM имеет наивысшую эффективность благодаря низким потерям от возбуждения ротора с постоянными магнитами. Пиковая эффективность для машины PM составляет 96,8%, с большим 96% -ным контуром эффективности от 2 до 9 krpm. Область с высокой эффективностью удачно размещена при низком и среднем уровнях крутящего момента и хорошо соответствует типичному графику рабочего цикла.

Индукционная машина имеет чуть более низкую пиковую эффективность - 95,5%. Область максимальной эффективности наблюдается при более высоких скоростях от 7 до 12 krpm. На более низких скоростях, например, при 50 Нм и 2 krpm, машина PM имеет на 4% более высокую эффективность, чем машина IM. Однако при более высокой скорости и более низких крутящих моментах происходит обратное: IM обладает более высокой эффективностью, чем машина PM. Это связано с потерями в железе, генерируемыми в машине с постоянными магнитами, даже при отсутствии нагрузки, а также с током ослабления поля (Id), который требуется в машине с постоянными магнитами при более высоких скоростях, чтобы подавить индуцированную ЭДС от возбуждения ротора и остаться в пределах максимального напряжения звена постоянного тока.

WFSM имеет максимальную эффективность, аналогичную IM-машине. Область максимальной эффективности составляет от 5 до 10 krpm и при более высоких уровнях крутящего момента, чем у машины PM или IM.

Рисунок 27. Карта эффективности машины PM

Рисунок 28. Карта эффективности машины IM

Рисунок 29. Карта эффективности машины WFSM

1.7.2 Вычисление потерь

Основными компонентами потерь, которые существуют в электрических машинах и рассчитываются на картах эффективности, приведенных выше, являются потери в обмотке постоянного тока, потери в обмотке переменного тока, потери в железе, потери в магнитах (только для машины с постоянными магнитами), потери в стержнях ротора (только для машины IM), потери в подшипниках и на трение о воздух. Подробное объяснение всех вычислительных методов, использованных для получения результатов, выходит за рамки данной статьи. Однако полезно понять, как были рассчитаны некоторые из наиболее сложных компонентов потерь, связанных с частотой, которые используются в расчете эффективности.

Каждая из проанализированных машин имеет частотнозависимые потери близости в обмотках. Эти потери являются результатом наведенных вихревых токов в проводниках, вызванных переменными токами в соседних проводниках. Эти вихревые токи вызывают неравномерное распределение плотности тока в проводниках, что приводит к эффективному увеличению сопротивления и, следовательно, увеличению потерь. Расчет потерь близости для каждой машины был достигнут путем вычисления плотности потока рассеяния в слотах во время работы с использованием FEA. Плотность потока рассеяния вдоль высоты паза в электрическом цикле используется для расчета величины потерь и распределения потерь в пазах.

Это вычисление выполняется в диапазоне рабочих точек, чтобы оценить, например, как AC потери изменяются в зависимости от величины тока и угла опережения фазы. Поскольку все три машины имеют многожильную обмотку, точное знание положения каждого проводника недоступно из-за случайного характера расположения элементарных проводников обмотки. Таким образом, высота витка (связки) неизвестна, и на основании опыта используется предположение о соотношении сторон связки (отношение высоты к ширине).

Для расчета потерь в электротехнической стали, обычно называемой потерями в железе, используется модель Штеймеца (Steinmetz). Это эмпирический метод, который получает информацию о плотности потоков, рассчитанных с использованием FEA для расчета потерь. Технический паспорт материала для шихтованной электротехнической стали, как правило, содержит значения плотности потерь в диапазоне плотностей магнитного потока и частот. Эти данные о потерях используются для нахождения набора коэффициентов для модели Штейнметца. Затем выполняется FEA расчет в электрическом периоде, а плотности потока для каждого элемента сетки FEA используются для расчета величины потерь. Одна из проблем при расчете потерь в железе заключается в том, что на свойства материала существенно влияют производственные процессы, такие как штамповка и термоусадка. Для учета производственных факторов при определении потерь к расчету должен применяться добавочный коэффициент. Этот фактор построения обычно выбирается из опыта; в этой статье мы использовали значение 1,6.

Многие компоненты потерь вызваны индуцированными вихревыми токами: потери в стали, потери магнитах, потери в стержнях ротора и добавочные потери в обмотках. В расчетах, приведенных в этой статье, мы предположили, что машины приводятся в движение идеальным синусоидальным током, обеспечиваемым инвертором. В действительности, будут некоторые высшие гармонические составляющие тока, вызванные переключением ключей инвертора. Это может привести к увеличению потерь, особенно в проводящих компонентах ротора, таких как стержни ротора или магниты. Потери связанные с коммутацией и гармониками во времени не учитываются, поскольку они требуют детального совместного моделирования инвертора с двигателем, включая поведение переключения силовой электроники, стратегию модуляции и контуры управления током. Эта информация обычно не известна на этапе проектирования. Детальное совместное моделирование также требует значительных вычислительных ресурсов из-за небольшой временной константы, необходимой для моделирования инвертора, особенно если он связан с решением FEA. Таким образом, эти эффекты обычно оцениваются на более поздней стадии жизненного цикла разработки.

Однако очевидно, что эти системные взаимодействия могут быть важными, и вполне возможно, что они могут повлиять на некоторые важные решения, такие как выбор технологии электродвигателя для силовой установки EV. Использование ANSYS Motor-CAD наряду с другими специализированными инструментами моделирования позволяет инженерам точно и вычислительно эффективно моделировать подробные взаимодействия системы на ранней стадии процесса разработки, когда варианты проектирования еще открыты и стоимость изменений невелика.

1.7.3 Моделирование рабочего цикла

Чтобы понять влияние различных типов двигателей на энергопотребление, необходимо смоделировать производительность для каждой конструкции в рабочем цикле езды.

Простая кинематическая модель транспортного средства используется для преобразования стандартных профилей WLTP и US06 времени/скорости транспортного средства в профили времени/крутящего момента/скорости для двигателя. Параметры модели транспортного средства приведены в таблице 3. Модель предполагает, что транспортное средство приводится в движение одним электродвигателем и 100% торможения является рекуперативным. Точки цикла привода WLTP, рассчитанные по модели транспортного средства, нанесены на карту эффективности машины PM на рисунке 30; каждая точка представляет 1 с на цикле. Можно видеть, что как рабочие точки двигателя, так и рабочие точки находятся в пределах возможностей машины, и что большая часть работы выполняется при низком крутящем моменте в диапазоне средней скорости.

Таблица 3. Параметры модели транспортного средства

Расчетное потребление энергии показано в Таблице 4. Машина PM имеет меньшие потери и улучшенную эффективность в течение обоих циклов тестирования WLTP и US06, в то время как IM и WFSM показывают одинаковое потребление энергии в обоих циклах. Следовательно, машина с постоянными магнитами будет либо расширять радиус действия транспортного средства, либо включать уменьшенную емкость / массу аккумулятора для данного фиксированного диапазона.

Таблица 4. Потребление энергии и усредненная эффективность за цикл тестирования

Рисунок 30. Точки цикла тестирования WLTP нанесенные на карту эффективности машины с постоянными магнитами.

1.7.4 Конфигурация с двумя двигателями

Последний тренд в премиальных электромобилях - использование конфигурации с двумя электрическими машинами на каждой оси. Это обеспечивает полный привод и возможности быстрого ускорения. Эту конфигурацию можно увидеть в Jaguar I-PACE, Audi e-tron, Mercedes EQ, Tesla Model 3, Tesla Model S и Tesla Model X.

В то время как конфигурации с двумя двигателями будут использоваться для более агрессивных циклов движения, большому проценту транспортных средств требуется значительно более низкие значения крутящего момента чем пиковая мощность двигателей, например, цикл WLTP, показанный на рисунке 30. Эти точки с низким крутящим моментом могут быть успешно реализованы одним двигателем.

В этом случае оптимальное использование энергии, вероятно, будет достигнуто при использовании комбинации машины с постоянными магнитами и индукционной машины с различными характеристиками эффективности. Поскольку асинхронная машина имеет практически нулевые магнитные потери, когда она не находится под нагрузкой, то есть в условиях разомкнутой цепи, она может использоваться исключительно в случаях, когда пиковый крутящий момент от одного двигателя недостаточен или если требуется возможность полного привода. Модель Tesla Model 3 Performance является примером такой конфигурации с машиной IPM на задней оси и индукционной машиной на передней оси.

1.8 Выводы о сравнении различных типов электрических машин

Мы провели сравнение использование в аккумуляторном электромобиле электрических машин различного типа: IPM с постоянными магнитами, IM асинхронного двигателя, WFSM синхронной машины с независимым возбуждением. Каждый из этих типов машин можно встретить в электромобилях массового производства, а машина типа IPM - наиболее распространенная конфигурация. Три типа двигателей были сравнены с точки зрения массы, стоимости, непрерывной работы, эффективности и энергопотребления в течение типичных циклов тестирования. Было обнаружено, что машина PM предлагает улучшенную эффективность и уменьшенную массу/объем при более высокой стоимости. Из-за более высокой эффективности машина с ПМ будет либо расширять радиус действия автомобиля, либо уменьшать емкость и массу аккумулятора для данного фиксированного диапазона. Это может привести к снижению общей стоимости системы для PM. Машины PM и IM демонстрируют повышенную эффективность в разных областях карты, и если используется конфигурация с двумя двигателями, то совместная работа будет выгодна. WFSM имеет аналогичную производительность с IM. Однако тепловые характеристики сильно ограничены температурой ротора, и в идеале для этого примера требуется система охлаждения ротора.

2. Сравнение различных типов обмоток

В предыдущем разделе для каждого типа двигателя использовался один и тот же тип обмотки: многожильная распределенная обмотка. Однако растущей тенденцией в электрических машинах является использование обмоток с жесткими секциями (шпилечные обмотки). Это предварительно сформированные прямоугольные стержни, которые вставляются в пазы и соединяются на одном конце. Такие шпилечные обмотки имеют существенно отличный процесс изготовления и сборки по сравнению с традиционными многожильными обмотками.

Этот тип обмоток имеет преимущество в стоимости изготовления, повторяемость этих обмоток намного лучше, потому что положение и расположение каждого проводника хорошо известны и есть возможность его контроля. Кроме того, лобовые части в обмотках с жесткими секциями обычно более компактны; пример можно увидеть на рисунке 31. Однако прямоугольные проводники имеют некоторые недостатки, такие как значительные добавочные потери в обмотке из-за индукционных эффектов. В этом разделе мы рассмотрим производительность двух типов обмоток. Для этого мы сравним конструкцию машины PM из предыдущего раздела как с многожильной, так и с шпилечной обмоткой.

Рисунок 31. Лобовые части обмотки с жесткими секциями в тяговом двигателе PHEV

2.1 Сравнение дизайнов

Используется конструкция машины с постоянными магнитами IPM из предыдущего раздела: 48-пазовая 8-полюсная с 6 витками на катушку. Вариант с изготовлением обмотки жесткими секциями использует геометрию параллельного паза. Сравнение двух поперечных сечений паза показано на рисунке 32. В таблице 5 показано сравнение некоторых параметров конструкций с многожильными и шпилечными обмотками. Активная длина пакетов одинакова для обоих вариантов, но общая длина у машине с жесткими обмотками на 10 мм меньше из-за меньшей длины лобовых частей.

Обычно утверждается, что шпилечные обмотки обеспечивают более высокий коэффициент заполнения паза по сравнению с многожильными обмотками. Это, безусловно, имеет место, однако следует отметить, что поперечное сечение паза также обычно меньше в машинах с жесткой обмоткой. Тем не менее, в этом примере видно, что шпилечная обмотка имеет более низкое сопротивление фазы из-за увеличенной площади поперечного сечения проводника. Таким образом, потери в обмотке постоянного тока ниже.

Рисунок 32. Сравнение поперечных сечений паза

Потери для одной произвольной рабочей точки при 100 Нм и 8000 rpm показаны в Таблице 5. Эффектом от транспозиции и циркулирующими токами между параллельными проводниками пренебрегают. Можно видеть, что потери постоянного тока в жесткой обмотке ниже, но добавочные потери намного выше, а общие потери в обмотке этого типа фактически выше чем в многожильной обмотке. Потери переменного тока сильно связаны с высотой витка в радиальном направлении, и поэтому желательно максимально уменьшить высоту проводника, чтобы минимизировать добавочные потери.

Таблица 5. Сравнение двух типов обмоток электрических машин. Обмотка с жесткими секциями и многожильная обмотка.

Обычно можно столкнуться с производственным ограничением соотношения длин сторон проводника. Распределение потерь в проводнике за один электрический цикл показано на рисунке 33. Видно, что потери распределены по пазу неравномерно и сосредоточены в области открытия паза.

Эту характеристику важно учитывать, особенно при проведении теплового анализа, поскольку она может существенно влиять на температуру самой горячей точки обмотки.

Рисунок 33. Обмотка с жесткими секциями. Распределение потерь при 100 Nm и 8000 rpm

2.2 Кривые производительности

Пиковая производительность двух вариантов дизайна очень похожа, так как активная длина и количество витков не изменяются; характеристики можно увидеть на рисунке 34. Небольшие различия возникают из-за изменения формы зуба, в случае обмотки с жесткими секциями, и увеличения сопротивления обмотки на более высоких частотах.

Характеристики непрерывного крутящего момента и мощности показаны на рисунке 35 и рисунке 36. Можно видеть, что при более низкой скорости обмотка с жесткими секциями обеспечивает улучшенный непрерывный крутящий момент благодаря уменьшенным DC потерям в обмотке и улучшенной теплопроводности через паз в тангенциальном направлении. Однако на более высоких скоростях этим преимуществам противодействует более высокий уровень добавочных потерь, а многожильная же обмотка демонстрирует улучшенный непрерывный крутящий момент и мощность выше 7000 rpm.

Рисунок 34. Пиковая характеристика момента

Рисунок 35. Продолжительная характеристика момента

Рисунок 36. Характеристика мощности в в продолжительном режиме

2.3 Эффективность

Карты эффективности для электрической машины с многожильной и шпилечной обмотоками показаны на рисунке 37 и рисунке 38. Как обсуждалось в предыдущем разделе, максимальная эффективность для машины с многожильной обмоткой составляет 96,8% при большом 96% -ном контуре эффективности от 2 до 9 krpm. Обмотка с жесткими секциями имеет немного более высокую пиковую эффективность - 97,10% с контуром эффективности 97% от 3-7 krpm. Обмотка с жесткими секциями имеет улучшенную эффективность на более низких частотах, однако, когда скорость превышает 8000 rpm, эффективность многожильной обмотки обычно выше.

Рисунок 37. Карта эффективность IPM мотора с многожильной обмоткой

Рисунок 38. Карта эффективность IPM мотора с обмотками из жестких секций

Потребление энергии в течение тестового цикла WLTP и US06 оценивается с использованием тех же параметров автомобиля, что и в предыдущем разделе, показанном в таблице 3. Результаты анализа цикла движения показаны в таблице 6. Для обоих циклов обмотка с жесткими секциями показывает чуть более высокое эффективность и снижение потребления энергии.

Таблица 6. Использование энергии в циклах тестирования WLTP и US06

2.4 Выводы о сравнении типов обмоток

В этом разделе мы рассмотрели различия в производительности электрической машины для тяговой установки типа IPM с многожильной обмоткой и обмоткой с жесткими секциями. Мы обсудили, как жесткая обмотка предлагает преимущества с точки зрения более низкого активного сопротивления, уменьшенных осевых размеров и улучшенной повторяемости изготовления. С точки зрения производительности эта обмотка показывает высокий непрерывный крутящий момент и эффективность по сравнению с многожильной обмоткой. Однако добавочные потери в обмотке с жесткими секциями могут быть значительными, и их влияние на продолжительные тепловые характеристики при более высоких скоростях необходимо учитывать на ранней стадии процесса проектирования.

3. Сравнение систем охлаждения

В этом последнем разделе статьи рассматриваются и сравниваются различные системы охлаждения для тяговых двигателей EV. Для этого сравнения из предыдущей секции взята машина типа IPM с обмотками их жестких секций. Сравниваются три варианта, каждый с различными системами охлаждения: охлаждение водяной рубашкой, водяная рубашка с внутренней циркуляцией воздуха и охлаждение распылением масла. Все три из этих систем охлаждения можно увидеть в двигателях массового производства для тяговых электромобилей.

3.1 Охлаждение водяной рубашкой

Охлаждение водяной рубашкой является типичным подходом для охлаждения электрических машин в тяговых системах. Это можно увидеть в таких автомобилях, как Nissan Leaf и BMW i3. Осевое сечение для машины IPM со спиральной водяной рубашкой показано на рисунке 39. Охлаждающая жидкость - EGW 50/50 с температурой на входе 65°C и скоростью потока 6,5 л/мин.

Рисунок 39. Охлаждение водяной рубашкой, осевое сечение.

3.2 Водяная рубашка с внутренней циркуляцией воздуха

Здесь охлаждение водяной рубашки модифицируется и включает в себя воздух с внутренней циркуляцией, приводимый в действие вентилятором на валу. Как показано на рисунке 40, воздух циркулирует между охлаждающими каналами в роторе и в корпусе. Воздух охлаждается при прохождении через корпус, который действует как теплообменник между воздухом и водяной рубашкой. Преимущество этой системы состоит в том, что она снижает температуру воздуха внутри машины и, следовательно, обеспечивает воздушное охлаждение ротора и магнитов, в то время как двигатель все еще является герметично-закрытым устройством. Это потенциально позволяет использовать более дешевые магниты с меньшим количеством диспрозия, поскольку максимальная рабочая температура магнита снижается. Осевое поперечное сечение конструкции показано на рисунке 40, на котором нанесен путь воздушного охлаждения. Эта настройка охлаждения используется в BMW 225xe.

Рисунок 40. Водяная рубашка + воздушное охлаждение. Осевое сечение.

3.3 Охлаждение распылением масла

Прямое охлаждение проводников масляным распылением является растущей тенденцией, при которой трансмиссионная жидкость (ATF) наносится непосредственно на лобовые части обмотки машины для отвода тепла. Масло удаляется из машины через поддон и рециркулирует через систему охлаждения автомобиля. По сравнению с водяным охлаждением использование масляного охлаждения имеет потенциальную экономическую выгоду, поскольку система масляного охлаждения может использоваться совместно с коробкой передач, и охлаждение является достаточно эффективным благодаря высокой скорости теплообмена между лобовыми частями обмотки и маслом.

Как правило, существует два способа нанесения масла на концевые обмотки: (1) пропуская масло через полый вал и используя центробежные силы во время вращения, чтобы подать масло на лобовые части обмотки, или (2) подавать масло непосредственно на лобовые части обмоток статора через сопла, часто через распределительный стержень для масла над верхней поверхностью обмотки. Оба эти метода могут иметь недостатки. Слив масла из ротора означает, что при нулевой или низкой скорости концевые обмотки подвергаются асимметричному охлаждению масла из-за силы тяжести. Это приводит к относительно более высокой температуре в верхней части обмоток торца статора, так как потери в меди являются значительными при остановке и работе на низкой скорости. Кроме того, нанесение масла на концевые обмотки непосредственно из распределительного стержня масла может дать очень неравномерное распределение охлаждения по радиальной периферии. Кроме того, оба метода охлаждения распылением масла могут привести к дополнительным потерям из-за попадания масла в зазор между ротором и статором, если не принять меры для предотвращения этого.

Рисунок 41. Охлаждение разбрызгиванием масла. Осевое сечение.

3.4 Кривые производительности

Сравнение характеристик непрерывного крутящего момента и мощности для трех типов охлаждения показано на рис. 42 и рис. 43. При низкой скорости возможность непрерывного крутящего момента является самой высокой с системой охлаждения распылением масла, в то время как воздушное охлаждение не дает большого улучшения над стандартной водяной рубашкой. Однако, когда скорость увеличивается, эффективность системы воздушного охлаждения повышается, поскольку внутренняя скорость потока связана со скоростью вала.

Рисунок 42. Продолжительная характеристика момента

Рисунок 43. Продолжительная характеристика мощности

3.5 Выводы по сравнению систем охлаждения

Мы рассмотрели три различных механизма охлаждения электрических машин для применения в тяговых электромобилях. Водяная рубашка является наименее сложным подходом и обеспечивает достаточно хорошее охлаждение. Добавление внутреннего циркулирующего воздуха добавляет дополнительные компоненты, такие как вентилятор; однако, это может позволить использовать магниты более низкого качества из-за пониженной температуры ротора и привести к общей экономии затрат. По сравнению с электрическими потерями потери в вентиляторе, вызванные вентилятором, относительно невелики из-за низкой плотности воздуха. Это обычно оказывает минимальное влияние на эффективность машины. Масляное охлаждение значительно усложняет конструкцию; однако этот тип также достаточно эффективен и потенциально упрощает систему охлаждения транспортного средства. В целом, выбор системы охлаждения зависит от требуемых тепловых характеристик, компромисса стоимости компонентов и конструкции системы охлаждения автомобиля.

4. Заключение

В этой статье мы рассмотрели ряд проектных решений для электрических машин в электромобиле с аккумулятором. Мы сравнили различные типы двигателей, технологии обмоток и системы охлаждения с точки зрения производительности электрических машин. Мы также рассмотрели, как эти различные варианты дизайна и характеристики производительности влияют на общую стоимость привода и производительность.

В ходе этого исследования были продемонстрированы преимущества определенных технологий. Однако делать обобщенные выводы для анализа не обязательно полезно. Небольшие изменения в начальной спецификации и ограничениях могут привести к разным выводам и, следовательно, к разным конструктивным решениям. Проектирование системы, особенно при рассмотрении новых концепций силовой установки и транспортного средства, может быть очень итеративным, и при оптимизации системы необходимо учитывать множество различных топологий и вариантов конструкции. Таким образом, использование самого современного программного обеспечения, такого как ANSYS Motor-CAD, позволяет быстро и легко изучать эти варианты, позволяя принимать правильные проектные решения, касающиеся электрической машины, в процессе разработки трансмиссии электромобиля.