【技术】如何锻造强壮的EV驱动系统---电机篇

2020-01-30 作者:市场观察   |   浏览(148)

  “当人们都疯狂的时候我冷静,当人们都恐惧的时候我贪婪”。这是形容巴菲特的价值投资理论。

  在电动汽车驱动领域,当全力追求高功率密度、高效率的时候,莫要忘记可靠性这个一票否决项。可靠性特别强调高容错性,在正常的情况下这些特性是不起作用的,它们是一种能力储备。当遇到突发故障时,它们就发挥起作用了,能够保证设备还能够正常运转,保证人生和设备安全,这是一种非常可靠的用户体验。我们研习社的阿灿坚定的认为随着EV的普及,使用概率的提高,高容错性将是一项强指标要求。高容错性是一种对抗故障概率的技术, 使用基数越大越有意义,虽然不能立见成效,但绝对值得长期价值投资。因此我们开始关注“容错性”这个比较冷门的分支,围绕此作一系列的专题文章。

  这个系列将分为:电机本体结构;控制拓扑和策略;传感器容错技术3个方面,本周提供本体篇。永磁同步电机在本体上提高容错性可以归纳为三条技术路线:

  要提高电机的容错性,有人用相绕组间“磁隔离”、“电隔离”、“热隔离”三个关键字来高度概括总结。磁隔离就是相之间没有磁耦合,互感接近零。电隔离就是两相绕组之间电路是独立的,没有串联结构。热隔离防止一个线圈的发热直接传递到另一个线圈, 因此相邻两个线圈是不直接接触的,而是在空间上是相互隔离的。三相电机并联如何实现这三个隔离,前人总结了一系列方法。

  最常用的高容错永磁同步电机是单层集中绕组方案,因为这种方案能够很好的解决磁、电、热隔离的问题。

  是这种方法有一个问题,那就是反电动势波形正弦性不好,转矩脉动大。这是因为单层集中绕组没有了分布绕组那种对空间谐波的抑制作用。对于分布绕组即便气隙磁密不正弦,也能获得较好的反电动势波形。而单层集中绕组不行。因此需要直接优化永磁体气隙磁密的正弦性。

  优化的方法有很多,对表贴式电机一般采用面包形磁钢,这是对磁钢的外圆弧作了优化,也有人采用halbach磁钢阵列,通过大小不等、充磁方向不同的多块磁钢共同形成了一个较正弦的气隙磁密。

  在绕组的电隔离上,还有许多前辈做了精细的工作。比如这位前辈,将一相绕组的两个线圈作了进一步的隔离,虽然是SR的方案,但绕组设计和PMSM是相通的。这位前辈首先是将一相中的两路绕组独立并联(b图),避免一相损坏影响另外一相,但却发现如果简单的并联,一路损坏时,会引起电磁力不平衡,电机虽然还能工作,但噪音振动很大。因此改进的方案是c,交错的并联结构。

  实现电、磁、热的隔离仅能够保证故障发生时还有健康的绕组能够工作,但无法保证故障产生的次生灾害。比如当线圈匝间短路时,产生的过大的电流使得磁钢退磁。因此还需要抑制障的危害程度,最先想的办法是抑制匝间短路电流。

  通过增加绕组电感能够有限抑制短路电流。电感由主电感和漏电感相加而成,如果提高主电感,势必会影响反电动势,影响工作点性能。因此前人主要在漏电感上作文章,一般都采用提高槽漏感的方法来应对,而槽口的设计对槽漏感影响很大。

  有一位惊才绝艳的前辈发现还有一种改善槽漏感的设计方法,那就是优化绕组在槽内的排列方式。他发现:同在一个槽的不同位置的绕组发生短路时,其产生的短路电流是不同的,有大有小, 离绕槽口最近的绕组产生的短路电流最大,这是因为每个线圈的槽漏感是和位置相关的。因此优化的方法就是将绕组排布由水平排版该为竖直,后者的最大短路电流更小。

  【小结】:通过绕组的设计,能够很好实现绕组之间的磁、电、热隔离,保证故障绕组不危害健康绕组。并且通过抑制短路电流,来减小故障产生次生危害影响。但对于三相电机,有一相绕组损坏,即便保证其余两相依旧能够正常工作,但这种工作能力是非常有限的(这不仅仅是因为损失了三分之一的绕组,还因为两相绕组很难形成稳定旋转的磁场),因此前辈们必然会走向通过增设更多的相数来提高容错率的道路。

  多相高容错电机,是在实现三个隔离的基础上,增加绕组的相数,以此提高健康绕组的工作能力,一般有4相、5相、6相、9相等设计。下图是一些多相电机的产品:

  值的特别说一下的是一位高手设计的六相双Y高容错电机。这个电机由六个独立模组沿圆周拼接而成。它有内转子和外转子两种结构:

  第一:六相绕组在物理上是彻底隔离的,一相损坏不影响其它相,符合高容错电机特点。

  这第三个优点才是真正厉害的关键,体现在这种大小不同的齿设计上。在文献中这种主齿大,辅助齿小是逐步迭代设计而来。它不仅仅能够将相邻相间绕组隔离,还能够降低电枢磁动势谐波含量。

  在他早期设计的版本中,为了实现模块化和高容错率,采用了下面这种均匀齿的绕组设计,但是它带来的危害就是电枢谐波含量很高,产生了较大的转矩脉动,并加剧了转子损耗。

  可以简单的理解成小齿几乎不起作用,如此24极10极的电机,等价为一个12极10极的电机。但其实小齿还起到另外一个关键作用,那就是在一个线圈在匝间短路时。短路电流产生的磁场可以形成大齿 --附近的小齿的短回路,不影响其它相绕组,实现了电磁隔离。

  这款不仅容错性极高,性能也很优异,最高效率达到95%,功率密度达到1.4kw/kg。

  【小结】:通过多相设计,确实能够提高电机的冗余度达到更高的容错率,如果设计得当还能取得较好的综合性能。但永磁同步电机始终无法回避一个关键问题,那就是永磁体本身的可靠性,这就得从电机结构拓扑方面来解决。

  为了提高电机的容错性,前人进行了大量的尝试, 结构拓扑设计是指在永磁同步电机的结构组成进行创新的设计,有些成果让人眼前一亮。下面介绍一种双励磁的永磁同步电机。在这之前,首先讲一下车用驱动永磁电机的一个痛点:

  车用驱动电机,即强调低速高转矩,又强调高速高功率,因此存在一对跷跷板矛盾。从低速爬坡的角度出发,需要较大的永磁磁链,获得大转矩系数和转矩密度。从高速的性能出发,希望较小的永磁磁链,提升高速输出能力。现在解决的办法是采用深度弱磁技术,通过电枢绕组产生去磁磁场分量,去抵消掉永磁体产生的磁链。但这会带来永磁体退磁的风险。

  有人设计开发了一种双励磁电机,在定子绕组上设计了一套辅助励磁绕组,当低速时,这套绕组提供的磁链是增强永磁磁链,在高速时,提供的是弱磁磁链。如此解决了高低速翘翘板的矛盾,同时降低了 弱磁深度,提高了永磁体的可靠性。

  这种结构的的电机的绕组间互感很小,三相电机并联不但具备优秀的磁隔离能力。更进一步辅助励磁绕组能够提供一半的反电势,保证即便磁钢完全退磁故障下,电机还有一半的输出能力。

  在结构拓扑上创新远不止增设辅助励磁绕组,有的前辈走向另外一条道路,就是在电机轴向上将一台电机裂变成两台或若干台电机,以获得高冗余度。

  该电机每个单元电机都采用高容错技术设计,但两个单元电机之间有较大的绕组端部空间损失,轴向尺寸不紧凑。针对这个问题,另外一些人走的是沿周向并联排布单元电机,也实现了很好的冗余效果,一个典型的例子就是模块轮毂电机。

  一个完整电机由8个小电机沿圆周方向排布而成,每个电机都有单独的驱动。如此系统的冗余性大大提高,即便有一两个模块故障,对整体性能影响不大,特别适合独立驱动轮毂的应用。三相电机并联其实这种提高容错性的设计思想,在内转子电机上也有应用:

  我们对汽车等用电设备安全和可靠性要肯定是会不段提高的,高容错性电机技术虽然现在冷门,但绝对是看涨的潜力股。 要提高电机的容错性,可以从绕组的微观设计、多相绕组的冗余度设计,以及多单元电机串并联等多个维度出发。条条道路通罗马,我们也无法穷尽其所有方法。给你准备了参考文献目录和上一期相关文章, 方便你阅读。

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关键词: 三相电机并联