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通過(guò)采用新的材料解決方案降低電動(dòng)汽車(chē)的電機(jī)成本
【塑料機(jī)械網(wǎng) 技術(shù)學(xué)堂】隨著電動(dòng)汽車(chē)(EV)銷(xiāo)量的增長(zhǎng)，電機(jī)制造商不斷面臨壓力，他們必須以開(kāi)發(fā)更經(jīng)濟(jì)、體積更小、更的大功率密度電機(jī)。在此過(guò)程中，大多數(shù)電機(jī)制造商選擇采用永磁同步電機(jī)(PMSM)，因?yàn)榕c其他類(lèi)型的電機(jī)相比，這種類(lèi)型的電機(jī)具有更高的效率和更小的體積。簡(jiǎn)而言之，永磁同步電機(jī)更小、更節(jié)能。此外，如果以單位體積功率定義功率密度，那么與替代方案相比，PMSM具有相對(duì)較高的功率密度。
但PMSM也有一定局限性。電功率可能會(huì)因軸承、繞組和磁芯的機(jī)械損耗而受到限制，因?yàn)樵谶@些部件中會(huì)發(fā)生渦流、磁滯和焦耳熱效應(yīng)。PMSM還被設(shè)計(jì)成當(dāng)溫度達(dá)到可能破壞其內(nèi)部絕緣時(shí)切斷電源，因此熱管理是電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵性能因素——絕緣系統(tǒng)設(shè)計(jì)顯然是有益的。
PMSM還對(duì)成本造成限制，主要是因其使用了稀土(RE)磁鐵，稀土磁鐵通常占據(jù)原材料成本的50-55%。減少RE用量可顯著降低PMSM成本，并有助于節(jié)省寶貴的資源。
其中一種方法就是通過(guò)采用絕緣樹(shù)脂和絕緣紙，來(lái)改善PMSM的內(nèi)部絕緣。對(duì)于分布式繞組電機(jī)，槽絕緣和絕緣樹(shù)脂可在很大程度上改善熱管理，從而提高電機(jī)效率。槽絕緣使用的絕緣材料通常是層壓形式的間位芳綸紙，中間是一層聚合物薄膜。根據(jù)性能和成本要求，可在各類(lèi)聚合物薄膜中選擇使用。
理想的槽絕緣材料是什么樣子？
理想的槽絕緣材料在峰值載荷條件下是可靠的，并且具有改善的機(jī)械性能，可降低繞組缺陷風(fēng)險(xiǎn)，并提高抗穿刺能力，從而提高銅的用量和槽滿率。設(shè)計(jì)工程師希望在相同擊穿電壓條件下槽絕緣越薄越好，通過(guò)采用比間位芳綸紙導(dǎo)熱系數(shù)更高的絕緣材料，來(lái)降低繞組溫度。絕緣體在惡劣環(huán)境下也應(yīng)該是可靠的，并且具有能夠耐水解和耐腐蝕的化學(xué)特性。
為尋找“理想”的槽絕緣緣體，威格斯工程師進(jìn)行了一次模擬試驗(yàn)，用150微米APTIV? 薄膜替代250微米間位芳綸PET層壓槽襯材料。他們與電機(jī)設(shè)計(jì)有限公司(Motor Design Ltd.)合作，在2012款日產(chǎn)聆風(fēng)車(chē)型上采用80kW PMSM進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。電機(jī)設(shè)計(jì)有限公司專(zhuān)注于仿真軟件，可幫助提高電機(jī)性能并優(yōu)化冷卻系統(tǒng)。
APTIV™ 薄膜解決方案模擬試驗(yàn)帶來(lái)希望
采用薄40%、導(dǎo)熱性更好的熱塑性槽襯，可改善來(lái)自線圈、定子鐵芯和外水套冷卻系統(tǒng)的熱流。
與傳統(tǒng)復(fù)合材料相比，APTIV™ 薄膜優(yōu)異的導(dǎo)熱性可改善熱管理，并將繞組溫度峰值降低2-3°C，同時(shí)幫助電機(jī)保持冷卻。
隨著熱管理得到改善和槽襯變薄，銅密度(即，槽填充系數(shù))隨之增加2%。
轉(zhuǎn)矩輸出增加5%——對(duì)于同樣大小的電機(jī)而言，這意味著功率輸出更高。
目標(biāo)：通過(guò)采用新的槽襯解決方案以節(jié)約成本
誠(chéng)然，APTIV™ 薄膜作為絕緣體比通常的間位芳綸紙更為昂貴。但當(dāng)從更小的電機(jī)上獲得相同性能時(shí)，就存在成本降低空間，因?yàn)樵诓挥绊戇B續(xù)轉(zhuǎn)矩輸出或可靠性的情況下，可以縮短軸向長(zhǎng)度。這可降低電機(jī)的材料成本，因?yàn)殍F芯和稀土磁鐵的體積也會(huì)減小，從而減輕電機(jī)重量，并終降低車(chē)輛自身重量，進(jìn)而降低燃料成本。
此外，根據(jù)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)和捷豹路虎(JLR)聯(lián)合研究的成本模型，電機(jī)設(shè)計(jì)有限公司的模擬試驗(yàn)得出的結(jié)論是，每臺(tái)電機(jī)可節(jié)省6.0美元成本。*換句話說(shuō)：采用具有更高價(jià)值的熱塑性絕緣材料(本案例采用了威格斯的APTIV™ 薄膜)，可提高電機(jī)性能，并通過(guò)電機(jī)節(jié)約了材料總成本節(jié)，同時(shí)確定了理想的槽襯材料。
有關(guān)電機(jī)中APTIV™ 薄膜絕緣系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)的更多詳情，歡迎與威格斯專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員聯(lián)系。
*稀土磁鐵價(jià)格在很大程度上取決于鏑和鋱的含量，這兩種元素的用量都很小，可提高磁性材料的耐溫性，也可使磁性材料獲得想要的形狀——由于制造成本高，彎曲磁鐵的價(jià)格要貴得多。這個(gè)可降低成本“6.0美元”的型號(hào)所使采用的2017年價(jià)格，默認(rèn)使用的是基本直形NeFeB磁鐵，如N35EH級(jí)磁鐵。
電工鋼價(jià)格處于單位成本范圍(2.35-2.50美元)的低端，并且默認(rèn)采用“沖壓”工藝，而不是成本較高的激光切割工藝。
銅的成本保持不變，因?yàn)檩S向長(zhǎng)度越短，銅的用量越少，而當(dāng)槽襯越薄時(shí)，銅密度(槽填充系數(shù))就越高。
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