归纳与永磁电机效率|汽车电气化

发布的Fran Hanejko.- 2020年4月23日

随着汽车电气化的持续加速,许多人想知道什么样的电机是最好的现代电力传动系统。

它可以是三相感应电机还是永磁电机?两款电机目前正在电动车中使用。两者都提供高效率和良好的性能。但哪个更好?

永久磁铁电机的强大论点到感应电机。粉末冶金的固有优势——提高电机性能和降低总体成本的潜力——可以成为生产这些驱动系统的有效工具。

让我们做一些比较的感应和永磁电机的效率,看看他们的优点和潜在的缺点。电机设计的细节比下面描述的复杂,但这是一个很好的开始,为那些权衡他们的选择。

永磁电机效率

顾名思义,电动汽车的永磁电机在转子上使用永磁体(见下图)。施加在定子上的交流电使转子转动。由于磁铁是永久磁化的,转子可以同步运行的开关交流电流。异步电机所需的滑移被消除了,提高您的热效率。

永磁电动机的固有效率高于感应电动机。两个电机通过完全优化的性能使用三相设计。然而,感应电机的设计主要用于60 Hz。随着频率的增加,感应电动机中的涡流损耗远远大于使用粉末金属技术的永磁电机。

无论您如何弯曲或塑造感应电机,设计精心设计的同步永磁电机都会提供增加的范围,更好的性能等。

永磁电机材料使用

在永磁体中,例如,转子现在可以是由压制和烧结粉末冶金磁性材料制成的固体件。您可以以这样的方式设计转子,以使磁铁粘合到外径或在转子内包裹,如下所示:

感应Vs-永磁电机效率汽车电气化-元件比较-1

交流感应电动机与永磁电动机的比较)

它不必用电动钢叠片制成!一个粉末金属转子可以有槽,你可以在上面的图像通过粉末金属净形状的本质设计,消除任何需要昂贵的加工。永磁电机动力金属转子采用烧结软磁材料,可以获得类似于竞争过程的强度。

然而,感应转子仍然需要冲压和层压过程。冲压过程导致了更多的废料废物比粉末冶金。

永磁电机的用途

通常为50 kW(约70 hp)永久电机重量小于30磅。(注意您仍然需要DC到AC变频器以产生足够的电压和频率。)

永磁电机在汽车行业的应用包括Chevy Volt(现已停产),Chevy Bolt和特斯拉Model 3。

  • 雪佛兰螺栓是200 HP设计,转子内部有磁铁。它采用7.05至1,单速齿轮减速器来驱动车轮。没有公开提供重量的估计值。

  • 特斯拉Model 3也使用了永磁电机。细节不详,但有传言说这些磁铁被安排在HALBACK阵列。该阵列聚焦磁通线以完全优化性能。

永磁电机的速度与其感应对应物的速度相同:

  • ns = 120 *频率/极限计数

(n是同步速度。极点数是每个阶段的总极点数,包括北极和南极。)

记住,相对于定子的工作频率,转子不会发生滑移。

成本与表现

永磁电机的一个主要考虑因素是磁铁的成本。如果你使用过高能磁铁(如铁钕硼),你就会在预算上感到痛苦(或者你的老板)。冲压层压材料的潜在浪费只会加剧这个问题。

粉末冶金的机会在这些类型的电机中丰富。无论您是采用内部或外部设计路线,都可以通过烧结粉末金属制成永磁电机的转子。定子也可以通过软磁复合材料制造。在预期的高开关频率下,SMC的损耗低于层压3%硅铁,进一步提高了这种设计的效率。简单地说,软磁复合材料是为高频率定制的。

与感应电机相比,粉末金属有机会为永磁电机提供额外的效率。粉末冶金的3D形状能力允许您形成定子以完全包围软磁复合材料中的所有电线,以消除端部转弯损耗。。

这些是粉末金属的许多优点 - 都是烧结软磁材料和SMCS - 优惠。

归纳与永磁电机效率自动电气化 - 图1

(永磁电机效率曲线与感应电机。此性能图表在大约60 Hz线频率上进行了开发。随着频率更高,预计表现会变得更好。图表提供施用泵和设备

以上讨论专注于使用与AC感应电动机类似的定子设计来看待永磁电机。但是,有新电机类型设计的主要发展这也使用永磁体以改善电动机效率。

线性实验室已开发出一种新的电机蓝图,将高效率与稳健设计相结合。它消除了你多年来一直使用的一些昂贵的稀土磁铁。

我们认为永磁电机是未来的潮流。为了完整起见,现在让我们看看90%的工程师正在进行的感应电机设计。

三相交流感应电动机的效率

Nikola Tesla于1883年构思了感应电机。它基本上与永久电机的基本相同的基本定子设计,但没有永久磁铁。

其基本操作原理是定子中产生的磁场在转子杆中产生相对的电流。然后,感应转子电流在转子叠片中产生磁场。相反的领域使转子转动 - 随着定子电流切换,转子总是滞后并使转子旋转。

这种感应磁场的好处是,刷和绕组转子都是不必要的。这类电动机有:

  • 可信
  • 崎岖

感应与永磁电机效率及自动电气化-图解

以上是感应电动机的典型配置。注意转子在转子槽中具有芯片和导电材料(铜或铝)中的叠片,即所谓的转子杆。

对于大多数工业应用(大于1 HP)和汽车传动系统,三相感应电机就像它一样常见。在这种设计中,三个阶段以这样的方式缠绕在定子周围,这使得具有更平滑的操作和高效率。一旦电压施加到定子绕组,三相交流电动机是自动启动的。在许多情况下,所谓的转子杆成角度以提供更高的扭矩。

交流感应电动机效率在实践中

工业应用中的三相使用相对容易,因为输入电压已经是三相。但是,在汽车应用中,您必须将电池的直流电源转换为三相交流电源。这发生通过DC到AC变频器。

对于交流感应电动机,你必须考虑转子的速度相对于交流电源的输入频率。这最初定义为所谓的同步速度。对于交流感应电机,同步速度是这样计算的:

  • ns = 120 *频率/极限计数

(记住,NS是同步速度。极值是每相的总极数,包括北极和南极。)

对于在60 Hz工作的双极交流感应电机,电机的同步速度为3,600 rpm。但是,如果转子在该配置中以3,600 rpm旋转,则您可以从电动机处具有零扭矩。理想情况下,转子相对于频率有一些滑动;通常,这约为5%。因此,这些电动机被认为是异步电动机。

三相感应电动机的效率可以从85%到96%不等。看下面的图表扭矩与滑移。

归纳与永磁电机效率自动电气化 - 扭矩图表

(交流感应电机的典型扭矩和滑动-礼貌所有关于电路

工业应用50-100 HP的感应电动机的重量变化从700到近1000磅。对于汽车应用来说太重了,对吧?

某些特斯拉感应电动机模型要求重量仅为70磅。并且可以以18,000 rpm产生360惠力。电机和逆变器的总重量约为350磅。- 仍然比平均内燃机轻微轻。

这是一个三相设计与八个极点每短语,意味着交流频率用来产生这个功率是大约1200赫兹。在这些工作频率,涡流加热的层合材料将是相当高的。特斯拉汽车马达需要相当大的冷却以防止过热。在90年代中期,通用电机在90年代中间推出了IS EV1车辆,这也是一个讽刺意味的是,它的感应电动机受到其使用铅酸代替锂离子电池的影响。

感应电动机的成本

交流电动汽车的AC感应电动机的主要优点是成本。他们相对便宜建立。

AC诱导设计在定子和转子中使用钢叠层;这些可以从同一片材料上同时加盖。换句话说,废料速率远低于平均冲压作业。

然而,特斯拉汽车发动机的独特设计有点贵。很难在网上找到确切的价格,但为特斯拉配备四轮驱动的选项,将使这辆车的总成本增加约4000美元。你还必须考虑在这些高交流频率下增加的冷却要求。

归纳与永磁电机效率:获胜者是......

尽管在永磁电动机中使用软磁材料的优点,但SMC在感应设计中是一种非物质的 - 挑选电动机型,难以实现动力传动系统。每个都有优缺点。

尽管交流感应电机是超过100年前发达的,但由于20日和21世纪的效率和性能改进,它仍然可行。永磁电机是一个相对的新人,但承诺更高的性能和可能更低的重量。

PM电机的主要粘性点是磁铁的潜在高成本。幸运的是,在地平线上有希望消除这种缺点的发展。欧洲杯手机投注

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