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宝马i3|美国新能源汽车2025路线规划新进展新突破（续一）


作者 |研习社小娜
【宝马i3|美国新能源汽车2025路线规划新进展新突破（续一）】来源 |电机研习社
延续上期的内容 ， 我们继续和大家一起聊聊美国DOE关于新能源汽车电驱系统的那些事 。 本期还是从AMR各汇报单位的项目编号开始 ， 按照项目的关系总结下来和大家一起分享 。
先进电机的设计手段及研发历程
宝马i3|美国新能源汽车2025路线规划新进展新突破（续一）
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一款达到DOE 2025目标的100kW牵引电机的设计、优化和控制
该项目由于工作量较大 ， 基础的研究比较多 ， 所以参与的单位比较多 。 主要是伊利诺伊理工学院?EDT国家实验室?其他9所大学 。 项目的启动时间是在19年的4月份 ， 由于时间比较短 ， 主要的技术进展还是在于底层设计阶段 。
项目主要的核心观点：尽管目前关于电机设计方面进行了大量的研究工作 ， 但电机的成本仍未充分下降 。 主要的原因是基本材料（即钢 ， 铜）的价格不太可能大幅下降 。 所以需要考虑设计 ， 材料 ， 冷却和控制的整体方法来降低电机的成本 。 现在的突破不应该从简单的一个方面来进行 ， 通盘考虑才是破解之道 。
1.通过以下方式直接解决成本和功率密度目标
? 电机通过更高的速度来提升功率密度；
? 提升材料利用率和新型的目标设计方法；
? 增加槽填充面积；
? 电机各部件冷却方式的提升 。
2.四个方案的原型探索以及一个满足100kW样机模型来证明在实现USDRIVE目标方面取得的进展 。
目前完成的工作：
? 牵引电机的初始方案拓扑技术 ， 用于尺寸和拓扑优化的设计（例如径向磁通V-IPMSM ， 横向磁通软磁复合材料等）
? 电磁和结构拓扑优化组合技术结合电磁和结构拓扑优化证明 ， 可以在高速（≥15,000 RPM）同步磁阻或插入式永磁同步电机中设计定转子尺寸的最佳比例 。
? 分数槽集中绕组中的空间谐波减小技术
具有多个子集分布的分数槽集中绕组示例 ， 可减少空间谐波含量
? 第一代100 kW牵引电机的设计研究
对100 kW牵引电机设计的电磁和结构有限元分析表明 ， 材料的体积功率密度为10 kW / L ， 绕组和磁钢温度保持在通过集总参数热模型估算的材料极限内 。
1. 先进的设计方法
使用几何参数驱动执行纯电磁优化设计 ， 并实时检查估计的温度限制和结构准确性 。 如果设计没有通过温度和机械结构完整性检查 ， 则进行重新迭代 。
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? 尺寸优化目标：使用几何模板以计算有效的方式同时解决电磁 ， 结构和热设计 。 如下展示的是IPMSM的结构尺寸和磁结构拓扑组合来优化常用的长方形磁钢结构的案例 。
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? 集成的FEA和集总等效电路求解器 ， 几何模板引擎和优化器 。 通过将几何模板与优化和FEA / MEC求解器耦合 ， 广泛地进行了磁场结构优化 ， 创建了能够充分探索设计空间的鲁棒性几何模板 ， 转子同时进行磁-结构拓扑优化的技术 。 转子设计领域中的最佳材料分配及同步磁阻电机转子磁结构拓扑优化示例如下所示 。
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? 使用帕累托前端比较进行大规模设计研究 ， 以设计初始原型拓扑 。
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2. 高槽满率的绕组应用
采用此方案的目的很明显了降低电流密度A或提高效率η 。 常见的方式有压模绕组、集中绕组、发卡绕组 。


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