电机制造的技术改进和提升要求(「科技最前沿」先进电机的设计手段及研发历程)

有的人说公众号想要阅读量，公司产品想要传播度。必须要追热点，热点肯定是成为最好的切入点和吸引注意力的方式。上个月，前浪后浪刚刚刷屏；这个月，地摊经济又火爆全网；每个月都有不同的热点，各大媒体和品牌也会紧跟在后面，绞尽脑汁且花样繁出的"蹭热点"。蹭热点的本质可以说是借势营销，让消费者增加对产品的印象。但是竞争归根到底还是要回归到产品本身，我认为写好一个推文和做好一个产品是一样的，必须要有核心的技术或观点做根基。所以，蹭热点，追风口的事情我们不擅长，我们也不想去做。言归正传延续上期的内容，我们继续和大家一起聊聊美国DOE关于新能源汽车电驱系统的那些事。本期还是从AMR各汇报单位的项目编号开始，按照项目的关系总结下来和大家一起分享。

|先进电机的设计手段及研发历程|

1款达到DOE2025目标的100kW牵引电机的设计、优化和控制

该项目由于工作量较大，基础的研究比较多，所以参与的单位比较多。主要是伊利诺伊理工学院?EDT国家实验室?其他9所大学。项目的启动时间是在19年的4月份，由于时间比较短，主要的技术进展还是在于底层设计阶段。

项目主要的核心观点：尽管目前关于电机设计方面进行了大量的研究工作，但电机的成本仍未充分下降。主要的原因是基本材料（即钢，铜）的价格不太可能大幅下降。所以需要考虑设计，材料，冷却和控制的整体方法来降低电机的成本。现在的突破不应该从简单的一个方面来进行，通盘考虑才是破解之道。

1.通过以下方式直接解决成本和功率密度目标

?电机通过更高的速度来提升功率密度；

?提升材料利用率和新型的目标设计方法；

?增加槽填充面积；

?电机各部件冷却方式的提升。

2.四个方案的原型探索以及一个满足100kW样机模型来证明在实现USDRIVE目标方面取得的进展。

目前完成的工作：

?牵引电机的初始方案拓扑技术，用于尺寸和拓扑优化的设计（例如径向磁通V-IPMSM，横向磁通软磁复合材料等）

?电磁和结构拓扑优化组合技术结合电磁和结构拓扑优化证明，可以在高速（≥15,000RPM）同步磁阻或插入式永磁同步电机中设计定转子尺寸的最佳比例。

?分数槽集中绕组中的空间谐波减小技术具有多个子集分布的分数槽集中绕组示例，可减少空间谐波含量

?第一代100kW牵引电机的设计研究，对100kW牵引电机设计的电磁和结构有限元分析表明，材料的体积功率密度为10kW/L，绕组和磁钢温度保持在通过集总参数热模型估算的材料极限内。

1.先进的设计方法

使用几何参数驱动执行纯电磁优化设计，并实时检查估计的温度限制和结构准确性。如果设计没有通

过温度和机械结构完整性检查，则进行重新迭代。

?尺寸优化目标：使用几何模板以计算有效的方式同时解决电磁，结构和热设计。如下展示的是IPMSM的结构尺寸和磁结构拓扑组合来优化常用的长方形磁钢结构的案例。

?集成的FEA和集总等效电路求解器，几何模板引擎和优化器。通过将几何模板与优化和FEA/MEC求解器耦合，广泛地进行了磁场结构优化，创建了能够充分探索设计空间的鲁棒性几何模板，转子同时进行磁-结构拓扑优化的技术。转子设计领域中的最佳材料分配及同步磁阻电机转子磁结构拓扑优化示例如下所示。

?使用帕累托前端比较进行大规模设计研究，以设计初始原型拓扑。

2.高槽满率的绕组应用

采用此方案的目的很明显了降低电流密度A或提高效率η。常见的方式有压模绕组、集中绕组、发卡绕组。

3.考虑谐波的绕组型式优化

电机的磁动势谐波和反电势的谐波对电机的损耗、噪音、转矩等都密切相关。合理的绕组排布及转子的结构形式能够大幅度的减少或消除某些有害的空间谐波。如下图展示新型的双层的分布绕组可以优化谐波，优化后仅有槽谐波存在。另外，24槽22极4层的分数槽集中绕组能够明显的降低谐波含量。

4.基于所需气隙磁通密度的多层IPM转子综合分析工具

采用多自由度和可视化的参数驱动转子模型来优化转子的结构型式。这样正弦的转子磁场可最大程度地减少不必要的谐波损耗并且能够降低电机的转矩脉动，使得电机转矩输出更平滑，气隙磁通密度更高，电机抗退磁性能会更好。

基于上述原理模型的研发了12槽10极电机原型，定子采用集中绕组和转子采用3层IPM结构。转子采用3层的结构型式设计，有利于高功率/转矩输出。同时改进的电机结构型式更易于冷却并实现较低转矩波动。同时定子采用集中绕组的型式能够减少了绕组的铜损，降低了电流密度，并提高了效率。

5.IPMSM设计被选择用于BP1100kW参考设计研究

在采用新的转折速度和最大速度目标进行设计研究，使用各种拓扑和材料进行的大规模参数化优化。同时确定了使用V型IPM的最终优化研究（48槽8极带分布和发夹式绕组以及12槽10极集中绕组），选取不含重稀土的材料如：HitachiNeomaxNMXS49F，M250-35a和POSCO35PNT650Y。

目前完成了电机电磁和机械结构的应力分析，接下来将会选取12槽10极的电机进行全面的优化及分析工作，同时如下图给出了此方案的部分性能，可以看出转子部分的损耗还是很大的，而且有很大的提升空间，需要进一步的优化以及采用辅助冷却方式。另外，具体的样机制造以及方案的验证工作还没有展开。

整车的热管理是一个系统整合的概念，如果分解到细枝末节，将会是一个非常庞大的课题。这里包括了整车各子部件发热功率的研究，各子部件材料特性的分析，冷却系统的仿真模拟等诸多的因素。可以说热管理系统对于整车的开发是相对困难且又至关重要的环节。因此，2025整体路线图中有很多的工作都是对整车热管理系统的一个研究。

ELT214：ElectricMotorThermalManagement

本项目的主要目标还是围绕2025的路线图关于电机的三个关键词成本，寿命，功率密度。研究实现紧凑，可靠和高效的电机为目标：

?电动机的功率密度提高了10倍（2025年，相对于2015年的目标）

?电动机的寿命提高了2倍。

?电动机成本降低了53％（2025年，相比2015年的目标）

相关的分工是由国家可再生能源实验室（NREL）负责热和可靠性研究，橡树岭国家实验室（ORNL）负责电机开发，建模和材料研究，艾姆斯实验室负责电机材料研究，桑迪亚国家实验室（SNL）负责电机和材料研究，乔治亚理工学院负责电机热管理技术。由于项目的启动时间比较晚，目前只是完成了30%的工作。本次汇报也只是浅尝辄止的做了一些目前技术上的方向和现状，大家有兴趣也可以查询负责单位的相关论文深度学习。

主要的技术路线还是根据2025规划技术路线图分为三个方向：

1)高导磁及高热传导系数新型材料的研发及应用；

2)新型材料的应用及测试鉴定；

3)新技术降低电机各部件间的热阻，提升热传导效率。

如上图所示；一方面是新型的测试设备的研发展示用于测量用高导热率材料传导效率（例如电机绕组材料和绝缘材料）的应用与测试。目前的主要进展就是基于下图所示的可以对不同的位置的温度进行准确的测量。高导热绝缘材料的研究ABB公司在80年代就已经做过相应的研究，在粉云母绝缘中加入适量的高导热填料可以使其导热系数明显的提高，同时不对其绝缘性能产生不良影响。

另一方面是电机冷却系统仿真手段的提升。先进的仿真技术是创新的基础，尤其现在复杂的机电耦合系统的开发。在设计之初能够预见产品的效果能够大量的缩短项目的周期和减少不必要的损失。如下图展示的就是一个标准的流程，首先是电机的电磁场有限元分析（性能和损耗等的计算），然后是电机机械特性的计算（模态、应力等），最后是热分析及冷却系统的设计。

目前公布的第一个版本的设计由橡树岭国家实验室（ORNL）领导设计的外转子电机最高转速20,000rpm，连续功率运行功率为55kW，峰值功率为100kW。

材料的组成如下图：

经过第一轮的仿真发现电机的温升需要进一步的改善，主要的瓶颈在于20,000rpm导致所有组件的温度超标，需要做进一步的优化。整体的考虑需要被动和主动热管理方法相结合。

1)绕组热点需要有效的被动热设计或直接冷却；

2)转子需要直接冷却；

3)定子靴需要新颖的热管理解决方案。

经过联合体的初步沟通与研究采取了一定的策略：

1)绕组灌封材料，使用可购得的高性能（k=3W/m·K）绕组灌封料。

2)冲片材料，ORNL对替代类型进行电磁分析以获得损耗。同时，NREL进行了热分析—较薄的硅钢材料减少了定子铁芯损耗，与基准材料相比，发现Arnon7可以将铁芯损耗降低50％（HF-10）。

3)复合的冷却系统应用通过转子的油冷却及定子的内部冷却（绕组和定子齿的槽内冷却）。

相对于改进前的方案：各部件温度有了明显的改进。

ELT217：IntegratedTractionDriveThermalManagement

本项目为提供实现高性能，紧凑且可靠的集成电驱系统的途径来帮助实现DOE2025的目标，即电牵引驱动器的系统功率密度达到33kW/L。研究和评估与电动机集成的电力电子封装技术和热管理方法。对于如何选择冷却流体，测量对流体冷却的传热导特性和电气性能提供方案。项目涉及到许多基础研究的工作，相对来说进展比较慢，目前完成了整个项目30%的工作。

关键实施方案：

1)新型关键部件的几何原理模型的建立。

内.外转子的电动机模型以及新型宽禁带功率器件

同时，关键的部件的损耗模型的建立对于项目的成功起到关键的作用。橡树岭国家实验室为FEA热模拟提供了输入数据以宝马i3电机的热负荷/损耗为例。同时也包括SiC电力电子模块的热负荷/损耗。

2)电机+PE集成方法(CAD/FEA)模型

电动机和PE外壳分开/PE径向分布安装在电机外壳上/PE轴向集成在电机前/后端板。

3)实验性传热特性

当前在汽车变速器中使用的ATF及选择适用于直接电动机和PE冷却器的介电传动系统冷却液研究。

2019年的实验工作：表征目标中心和边缘的ATF射流冲击冷却。

2020的实验工作（计划于第四季度进行）：通过研究射流入射角的影响以及喷嘴与目标表面之间的距离，扩展ATF射流冲击冷却的特性。

4)通过数值模型评估冷却解决方案

比较热管理方法（径向，轴向）及建模射流冲击冷却方案（孔口射流，扇形射流）

PE–电力电子设备：用于控制电力牵引驱动器

将扇型喷嘴和圆型喷嘴与相同的喷嘴到目标距离10mm，相同的流量和温度进行了比较，在所有情况下，圆形喷嘴比风扇喷嘴具有更高的传热系数和受冲击表面上更均匀的温度分布。可能的原因是，当圆形射流撞击到目标的中心时，扇形射流会散布到目标表面之外，有大量的流体会漏掉目标。在冷却电机绕组的情况下，扇形射流会提供更大的表面覆盖范围并且可能具有更好的整体冷却效果与圆形射流相比效果。

这里关于错流或多重射流效应对冷却性能的扩展是这项研究的逻辑延续。从有限元分析（FEA）和计算流体力学（CFD）建模开始探索与多次射流撞击相关的热管理含义。将来也可能在此方向上扩展实验能力。如果通过试验成功过，基于ATF的冷却技术对于需要简化车辆结构的应用行业可能非常有用。另外，ATF射流冲击冷却表征的主要目标之一是向电驱动设计人员提供HTC数据，从而实现未来的单流体电动汽车冷却系统的应用。

未完待续......