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高效驱动电机的讲解分析实例,从材料到参数的图文介绍

2022-10-22 21:42:42来源:

1.壳体评估

宝马i3的电机作为单独的总成,并未与减速箱集成。电机总重量约为42公斤,官方公布的数据显示电机功率可达125kw,扭矩可达250Nm。电机定子是热压进铝水套的,水套外圆为螺旋槽和外壳以形成冷却回路。非常轻松的将定子水套从电机外壳中拉出后,可以看到定子内套两端各装有一个大号的O型圈,这两个O型圈可以保证冷却电机的乙二醇冷却剂不会泄露出来。电机的重量大约为6.9kg,带有法兰盘的水套的重量大约为4.6kg,余下的定子铁芯、铜线、绝缘材料等总共有20.8kg。

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2.定子绕组及硅钢片细节


下左图更详细的展示了定子绕组及硅钢片的细节,电机为12极72槽配合,同心绕组,6个并联支路,每槽9匝,每匝12根AWG21圆铜线。电机装有两个温度传感器,一个安装在绕组端部,另外一个安装在转子轴承附近。下右图定子硅钢片并不是完整的圆环型,它是由6块铁芯以拼接的方式组成一个完整的定子铁芯。定子铁芯长度是132.3毫米,外径242.1毫米。

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下图是电机转子,它由转子轴、硅钢片、磁铁、转子端板组成,总重量为14.2kg。转子外径为178.6mm,转子硅钢片的形状有点类似于同步磁阻电机的设计,但它在每极上装有一大一小两个钕铁硼磁钢。为了减少运行期间的齿槽转矩和扭矩脉动,转子钢片轴向上一共分成了6层斜极。
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I3电机转子的磁钢布局和槽形都非常的复杂和特殊,目的是减小电机磁链的条件下,增加电感凸极率。电机反电动势很小,但输出扭矩却很大;电机需要弱磁的车速很高(工况很少),而扭矩电流比却做得很大。

3.电机参数

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4.宝马i3逆变器和电机性能评价


为了对电机做更详细的性能测试,如下图,制作了工装夹具,将电机安装在了测试台上作更详细的性能测试。

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下图显示了在不同角度及电流的情况下,电机堵转测试的情况 。图表显示产生250Nm的峰值扭矩需要530A的峰值电流。随着角度的变化,扭矩变化非常平顺,输入最大电流,当角度为135度时,电机输出峰值扭矩。
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下图所示,随着电流的增加,扭矩变化非常线性,这可以表明:就当电机产生250Nm的峰值扭矩时,磁饱和的程度也不高。
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基于360V的电压平台,在不同的转矩和转速下,对宝马i3的电机做了性能和效率测试。在这些测试中,为了发挥系统的最佳状态,电控及电机是被50%的水和50%的乙二醇混合液冷却,冷却液的流量是10L/min,冷却液的温度保持在65度。


下图是电机的效率等高图,从中我们可以看出,电机在2500~9000rpm之间,输出扭矩达到125Nm时的效率可以到94%。

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下图是电控的效率等高图,随着速度的增加,电控效率从88%增加至99%。
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下图是电机和电控的综合效率图,当电机转速高于5000rpm,输出扭矩大于50Nm时,电机和电控的综合效率可以达到90%以上。通过这些测试可以确认,0~4000rpm电机都可以输出250Nm;5000~11400rpm电机可以输出峰值功率125kw。


在可操作的前提下,对电机在25、50、75kw的功率等级下做连续测试,测试转速为5000rpm、7000rpm及9000rpm。下图显示了电机转速为7000rpm,持续功率分别为25kw、50kw及75kw时的绕组温度变化。持续输出25kw,半小时后电机温度达到85度;持续输出50kw,半小时后电机温度达到95度;持续输出75kw,半小时后电机温度达到110度。

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下图所示,电机转速为5000rpm,输出功率为50kw,持续这样的工况半个小时,电机温度达到100度。20221022/faad0ee6109874a0d159e8f14c96d9e7.png
另外,宝马i3的逆变器采用英凌650V/800A的FS800系列IGBT。针对它120KW的功率而言,逆变器搭载的电容仅仅为450V/475μF,也有可能是在电池端还有额外的电容并联。

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