EV电机"冷却"技术
发布时间:2018-09-10   作者:Stuart Birch
  • 电力牵引电机的拓扑 (Equipmake)
  • 轮辐电机系统剖析图(Equipmake)
  • Equipmake APM 200型轮辐电机,最大功率达220kW(295 hp),最高转速10,000rpm (Equipmake)

在电动汽车的新大陆上,有一场争论的硝烟从未散去——到底哪种电机是最好的? 

 

对此,Equipmake的经营主管、创新型电力传动系统设计研发专家Ian Foley表示,“这就像80年代早期的计算机之争。直到IBM的PC成为业界标准,这场争论才得以平息。现在我们有各种类型的电机,不同的电机的制造理念也不一样。我们不应只着眼于电机,而是要考察包括电机、电池、逆变器、齿轮箱和控制器在内的整体系统解决方案。最后,哪个解决方案成本最低,哪个就是赢家。”

 

Foley希望,最后的胜利属于自己公司的APM200轮辐电机。他表示,APM200效率卓越,是目前扭矩和功率密度(kW/kg)最高的电动汽车永磁电机,而且它还有成本低、重量轻等优点。

 

APM200电机的重量约为49kg (108 lb),最高转速为10,000rpm,最大功率和最大扭矩分别为220kW(295 hp) and 450 N·m (332 lb·ft),采用了成本更低的钕铁硼磁铁(NdFeB),降低了电机整体造价,并搭载了5.5:1整体行星齿轮箱,齿轮箱的输出轴和轮毂直接相连。此外,Equipmake还为APM200研发了专用逆变器,采用了结合碳化硅二极管和IGBT(绝缘栅双极晶体管)的动力电子技术,使得电机能在高变频下保持大功率运转。

 

 一冷再冷

 

冷却是决定电机性能的关键。电机磁铁的温度越低,电机输出峰值功率的时间就越长。但是,光做到冷却还不够,必须要保证冷却的成本适中、质量可靠、量产效率高。

 

Foley表示,“轮辐电机的结构能够满足以上这些要求。传统的永磁电机的磁铁呈V型,被压在转子四周的压片上,压入深度很浅,而轮辐电机的磁铁则像辐条一样垂直于铝制转子的表面,使得磁铁得以非常接近冷却液(60℃水/乙二醇)。换言之,传统电机的磁铁是分布在压片上,所以无法接近冷却液;而轮辐电机磁铁的一端是在铝制中心毂上,所以我们可以让冷却液足够靠近磁铁,达到散热的目的。尽管和传统电机相比,轮辐电机的生产难度更高,但是我们设计的电机已经可以量产,对此我们很有信心。”

 

Foley表示,实现电机量产的关键在于落实设计细节,比如找到将压片安装在中心毂上的方法,“中心毂基本上是锻造件。我们的冷却非常高效,所以能获得所需的高强度。铝制中心毂的温度控制在100℃以下,因此我们可以使用成本低但性能、可靠性、寿命都毫不逊色的磁铁。热能工程是让一款电动汽车电机脱颖而出的一大关键。”

 

据Foley介绍,虽然轮辐结构在汽车行业的知名度还不高,但事实上其拓扑结构早已广为人知。Equipmake轮辐电机的结构还要追溯到公司此前参加的一个名为“HIPERCAR”(高性能减碳)的英国研究项目,一同参与的还有Delta Motorsport公司和Ariel公司,项目的目标是在2020年前推出量产超高性能减排跑车。正是这个项目催生了被Foley称为“目前扭矩密度最高”的Equipmake轮辐电机,Foley还表示,“该款电机的性能已经得到了充分验证,未来还会继续改进。”

 

APM200轮辐电机的研发耗时大约三年,Foley说,“我们成功解决了设计、冷却和制造的挑战。除了HIPERCAR项目之外,我们和一家阿根廷公司合作开展的客车应用项目也采用了APM200。我们在每辆客车上搭载了两台APM200电机、赛米控的SKA1逆变器和AESC电池。我们的目标是电机的年产量在2020年前能达到2,000台,然后再节节攀升。”

 

Equipmake的轮辐电机采用了铝制中心毂和钢铁压片,铝具有抗疲劳、经久耐用的性能优点,满足了产品使用寿命的要求。

 

至于电机定子,据介绍,APM200采用了“非常传统”的定子。目前,相关方正在对APM200进行验证,其中包括了使用寿命测试。

 

三句不离成本

 

Foley很清楚成本对汽车技术创新的重要性,“汽车行业说来说去还是成本的问题。往往工程师提出一些非常好的想法,但无奈执行成本太高,这我太了解了。所以我们想要设计出能最充分地利用磁铁的电机架构。我们用某家大型整车厂设计的EV传统电机就辐条技术进行了比较,结果发现,我们可以在减少25%磁铁数目(即降低25%成本)的情况下,输出相同的扭矩。”

 

Foley表示,如果能有效保持电机的冷却,就能降低成本,所以APM200轮辐电机采用了“烹饪级”磁铁,“我们的电机工作温度只有100℃左右,所以没有必要使用最高工作温度为200℃的稀土铷磁铁。”

 

至于Equipmake轮辐电机具体可以增加多少续航里程,Foley目前还没有透露任何参数。

 

奔驰的飞轮

 

多年来,Foley在工程和技术创新领域已经积累了非常丰富的经验。他的职业生涯开始于80年代,最早是在F1车队任职,期间研发了莲花F1主动悬挂系统,并加入了莲花GT耐力赛团队。90年代后期,他创立了Equipmake,公司早期生产过拨片式齿轮箱,许多勒芒赛的赛车都采用了该款齿轮箱。

 

2000年后,Foley开始研究一种新型高速电驱飞轮,后来这款飞轮被威廉姆斯车队的KERS(动能回收系统)采用。除了F1以外,这项技术在很多其它领域也得到了应用,并由此催生了一家新公司——WilliamsHybrid Power (威廉姆斯混合动力),Foley担任了该公司的经营主管。

 

Williams Hybrid Power公司主要是研发客车、火车等商用车的电动传动系统。后来,这家公司被GKN(吉凯恩)收购。

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