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通用汽車先進電機技術的最新進展

時間:2019-11-05來源:電機產品技術前哨 作者:核動力蝸牛

導語:通用汽車電機是美國DOE- U.S.Drive聯盟的旗下的重要成員,在DOE項目資金的驅動下,近幾年一直積極的投入電機新技術和新產品的開發。

緣起

通用汽車電機是美國DOE-U.S.Drive聯盟的旗下的重要成員,在DOE項目資金的驅動下,近幾年一直積極的投入電機新技術和新產品的開發。

通用汽車電機 

DOE組織的聯盟囊括了許多組織,由前到后呈:基礎研究-技術研究-產品開發縱深排布。其中GM、GE、UQM這些企業承擔的是產品級技術研發的工作,和產品最接近,和國內大多數的電機企業生態位類似,因此其技術路線和成果值得我們研究參考。

GM最近幾年的電機研發方向瞄準的目標就是DOE制定的2020和2025目標,具體而言就是高效率、高功率密度和低成本。為了實現上述目標,GM上馬了代號為ELT093的先進電機技術項目。

電機發展路線 

三條技術路線

GM的先進電機技術項目是2016年10月啟動,到現在已經歷時3年,總共獲得了7百萬美元的項目資金,目前完成了70%的內容。項目內又細分三條技術路線,一條是輕稀土永磁同步電機,一條是非稀土助磁的永磁同步磁阻電機,最后一條是傳統的感應電機,但其轉子采用了銅鋁混合的鼠籠結構。

同步電機 

三條技術路線的大致參數已經披露出來,如下表所示,都是采用350V的電壓平臺,電機外徑在200上下。第一列輕稀土的產品轉矩和功率分別達到370Nm和150kw,同步磁阻的電機走的是高轉速的技術路線轉速達到16650rpm,相應的轉矩下降為250Nm,銅鋁混合的感應電機轉速和轉矩都居中。下面我們一一展開介紹。

1.4.png路線一:輕稀土永磁同步電機

GM的輕稀土永磁同步電機采用的是雙V的轉子結構,如下圖所示,和早期版本的GMSpark和GMBlot的結構類似。但其磁鋼的采用無Dy的釹鐵硼磁材。因為Dy是最昂貴的重稀土成分,無Dy能夠有效降低成本。但取消了Dy會帶來磁材結構的性能下降,需要在電機設計中加以彌補。

輕稀土技術路線 

我們對比GM的輕稀土結構和采用傳統稀土BLOT轉子,還是能夠發現一些端倪,輕稀土結構的磁鋼明顯要更厚實,這是為了補償輕稀土矯頑力下降的缺陷。但僅僅是加厚是不夠了,在細節設計上,還需要更多的特殊設計,以避免磁鋼退磁。從披露的資料來看,我們能判定該轉子結構有所保留,輕稀土的轉子磁極設計仍然是非常有挑戰性的工作。

輕稀土電機結構 

輕稀土的技術路線下,電機成本達到了DOE2020要求,即4.7美元每公斤,折算到人民幣成本在4800元左右,其中最貴的部件為定子,其次為轉子,磁鋼占比為14%,也就是660元左右。而普通稀土的電機磁鋼的成本占比會達到30%以上,因此從降本的角度而言,輕稀土技術是成功的。

輕稀土技術路線 

當前該項目已完成了樣機制作,目前正在進行可靠性測試,該項目最關鍵的門檻是"低成本高性能的無Dy釹鐵硼技術"。當前的瓶頸是磁鋼抗退磁性能,目前GM使用的2號材料的矯頑力矯頑力相當于普通釹鐵硼的96%(20℃),93%(150℃。但仍然有相當的退磁風險,在120%最大電流下,有9.7%的退磁損失。

輕稀土電機 

路線二:輕稀土助磁的同步磁阻電機

GM的同步磁阻電機路線和橡樹嶺非常類似,都是采用月牙型磁障結構+磁鋼助磁的技術。但明顯GM電機的設計轉速要高,達到16500rpm,這有利于彌補轉矩密度不足的劣勢。

1.9.jpg 

高速化后,該電機的功率密度達到了3.6kw/kg,超過了DOE2020的要求,也比橡樹嶺的第二代同步磁阻電機要高。這是可以理解的,首先GM的同步磁阻電機開發要晚于ORNL,其次GM的技術開發獲得了ORNL的技術協助,因此GM的同步磁阻技術成熟度要明顯高出ORNL。

 GM

除了高速化GM技術的優勢在于:

轉子磁障數目更多,達到了4層半,那個半層指的是轉子外表面那個表面月牙缺口;

加入的永磁助磁量和質都要高于橡樹嶺,橡樹嶺采用的鐵氧體助磁,而GM采用了輕稀土助磁;

采用了扁線繞組,使得功率密度進一步提高;

在多管齊下,取得了更好的電磁性能。姑且可以稱為第三代同步磁阻電機,下圖簡要介紹了磁鋼在同步磁障電機中的作用。磁鋼助磁使得磁橋預飽和,從而提高凸極比和轉矩。

 輕稀土助磁的同步磁阻電機

目前GM團隊面臨的關鍵問題是這種結構在高速下的強度問題,其實單強度容易解決,難的是強度和電磁性能平衡問題。若要提高強度,不可避免的會增加磁橋厚度,但這會使得轉矩下降,功率因數惡化,因此需要通過算法優化設計使得兩者之間達到最佳的平衡。

 助磁磁阻電機

路線三:銅鋁混合結構感應電機

所謂的銅鋁混合,其實就是在原有的感應電機轉子下了文章。主要是兩點:

鼠籠導條工藝由鑄鋁切換成插銅條的工藝,如此使得轉子電阻下降,轉子電流損耗也隨之下降;

鼠籠的端環仍然保留鑄鋁的工藝,因為端環的電阻占轉子電阻的比例很小,因此鑄鋁結構對損耗影響不大。

銅鋁混合結構感應電機 

之所以采用這種復合結構,為什么不采用全鋁或者全銅的結構,一是因為一是要抑制轉子損耗,所以傳統的鑄鋁轉子必須要更換掉。二是全銅的鑄銅轉子方案,銅澆鑄溫度高,對轉子片絕緣的損害大,同時鑄銅轉子的不良率比較高成本居高不下。采用插銅條方案不需要高溫鑄造銅,即保留了鑄銅的優點,又避開了可能的缺陷。

 感應電機

GM的銅鋁混合感應電機轉速為13000rpm,功率密度超過了DOE2020的要求,但成本仍然較高。這主要是轉子鼠籠的工藝還不成熟,問題的關鍵在銅和鑄鋁交接面的質量上。

 轉子鼠籠

銅和鋁兩種不同材料之間的焊接非常困難,采用先插銅后鑄鋁的方式效果略好,但仍然需要改善接觸質量。接觸質量不好,端環容易在高速下失效,同時也會增加接觸電阻使得效率下降。GM從三個參數去作了優化,一為銅條深入端環的長度,二為鑄造溫度,三為鑄鋁流動參數。從公布的數據看目前達到的最好成績是在應力161Ma疲勞壽命360000萬次循環。

 同步磁阻電機

總結·技術的層次結構

這三個方案的第一個共同點都是去稀土的方案,第一個方案是輕稀土,就是還是用稀土但不用Dy等重稀土,以此來降低成本。第二個方案也是用輕稀土,但用量更少了,以此來進一步降低成本。第三個方案是感應電機,是一點稀土也不用了。所以這三個方案構成了一個漸進的層次結構,體現了產品系統策略的思量。這三個方案還有另外一個共同的特點,那就是都采用扁線定子平臺。且每極下槽數都為9槽,也就是說扁線的尺寸設計大致相同。

稀土永磁同步電機 

可以從兩個角度來理解為什么都選用扁線方案。一個是為了彌補功率密度缺陷,三條技術路線都是去稀土的技術,不可避免會減低磁場能量密度,因此需要用額外的一味“藥”來補這個缺陷.GM是最早開發扁線技術的一批公司,因此選擇扁線這味藥是情理之中。

從另外一個角度,經過這兩年的技術發展,我們能夠感受到扁線發卡的工藝在成熟,,設備的柔性度也在提升,所以工藝成本也在快速下降。因此選擇扁線技術慢慢的會變得不那么昂貴。

從GM的實踐過程我們能看到,他們在為DOE2025的目標持續而穩定的投入。只要目標還在,問題還在,技術就不會停止。它總是會以自己獨特的路徑,倔強的發展。

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