EV比赛用电机的开发步骤
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公众号EV技研作者1900 2019-9-29 电动汽车
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电动汽车EV节能大赛

自制 EV 的电机设计,基本步骤如图 1 所示。

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图1

图 1 为 2000 年开发太阳能车比赛专用 DD 电机时整 理的思路。当时,太阳能车使用的电机中,有一些是 DD 电机。它的价格特别贵,因此, 有很多车队用的是减速电机。链条 减速产生的损失(磨损)很大,颇受关注。在定速 行驶占主要地位的节能比赛中,DD 电机承载了很多期待。在图中,出现了“负荷”这样一个难于理解的 词汇。首先,我们来看看什么是“电负荷”和“磁负荷”。 

改变机械能输出的 3 个参数

 电机是将电能转换为力学(机械)能量①的装置。设计电机时,实现电机机械能的输出,必须要考虑的参数有以下 3 个。

 ·电负荷(Electric Loading):流过线圈的  电流 × 匝数(AT)

 ·磁负荷(Magnetic Loading):每极有效磁  通量,或气隙平均磁通量(Wb 或 T)

 ·转速(Revolutions):电机的旋转速度 通过图 1 我们不难看出,电机的设计其实都是 围绕这 3 个参数进行的。让电能和磁能发挥出作用,并将它们的作用有 效地整合起来,就形成了电机的机械能。而这些不 同种类的能量是按照什么样的比例进行整合的呢?它们转化为机械能的比例又是多少?这些都是由设 计电机的人来决定的。而且,这些能量之间有着互 偿关系,可以进行任何形式的组合。

 电负荷为“线圈匝数 × 电流”

 所谓电负荷,顾名思义,就是与电能相关的参 数(要素),也叫做电机的“电要素”。在电路中, 电流流过线圈时,线圈内的铁心产生磁力。磁力的 大小与线圈匝数及流过的电流大小有着密切的关系。“线圈匝数 × 电流”就是我们说的“安匝”值,单 位是“AT”,不能写成“A·T”。

 磁负荷为“有效磁通”

 磁负荷是电机的“磁要素”,表示流过线圈的 电流与磁通之间的相互关系,也可以理解为磁路中 的磁力(有效磁通)。永磁体励磁型无刷同步电机 的磁负荷,与磁场强度、磁路中的磁通量有关。

 电负荷与磁负荷的变化会影响电机

可能有些抽象。这句话在电机设计中意味着什 么呢?我们来看看图 2。

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图2

它展示的是外转子型无刷 电机的铁心(绕线的铁心)(模仿“CQ 无刷电机和 逆变器套件”的形式)。图 2(a)为磁负荷大、电 负荷小的电机铁心。图 2(b)为电负荷大、磁负荷 小的电机铁心。它们都可以满足我们对电机性能的 需求,如达到某种转矩和转速。但是,作为电机特 性,效率被诸多因素所左右。因此,两者构成的电 机的特性曲线是不同的。而且达到同样的性能要求,它们的规格(大小和重量)也是不同的。制作出的电机究竟是什么样子,虽然取决于电 机的设计者,但电负荷与磁负荷这两个概念也十分 重要。

 如何决定电机的转速

 转速这个指标也是与电负荷、磁负荷相互关联的。例如,有效磁通越大(磁负荷越大),转速越 低;磁通越小,转速越高。另外,如果铁心材质为 钕等稀土元素,是强力磁铁,则电机转速会变低。(是 不是很惊讶?怎么会更慢呢?) 在电负荷与转速的关系中,线圈匝数越多,转 速越低;匝数越少,转速越高。也就是说,电机线 圈的匝数变多,就会使之变成低速电机。 

 EV 比赛用电机的设计思考

 回到 EV 电机设计与制作的话题。电机的输出功率与电机的 3 个要素的乘积成正 比(实际上还包含一个常数)。说起来简单,而这 在电机设计中是需要解决的一个难点。因为电机的 3 个要素无法单独确定的,三者之间是相互关联和 影响的。例如,我们来看看电负荷与磁负荷。如图 2 所示, 铁心的外径和线圈槽的数量都是相同的。由于是外转 子电机,所以它的槽口向外。图 2(a)中铁心的凸极(绕 线的部分)较宽,而图 2(b)中的相同位置较窄。前面我们讲过,不管用哪一种铁心都可以制作出电 机,但是做出来的电机会有什么样的差别呢?图 2(a)中的铁心,磁路宽,通过的磁通(来 自永磁体的磁通和线圈电流产生的磁通)多。我们 把这叫做“磁负荷大”。但是,由于凸极较宽,用于绕线的空间就变窄了。相反,图 2(b)中的凸极 较窄,用于绕线的空间很充足,线圈可以使用更粗 的导线绕制。也就是说,与图 2(a)正好相反,图 2(b) 的“电负荷大”。像这样,以铁心这一个点来考虑,电负荷与磁 负荷为此消彼长的关系。

负荷分配对电机的影响


 前面我们提到,电机的输出功率是由“电负荷 × 磁负荷 × 转速”决定的。通常电机的体格(电机的 大小或体积)是受其安装位置限制的。因此,在电 机设计中,如何找到这些要素之间的平衡点非常重 要。我们把寻找平衡点叫做电机“负荷分配”。而 如何进行分配,就要看电机设计者的技巧了。此外,电负荷大的电机(发电机也一样)叫做“铜 机”,磁负荷大的电机叫做“铁机”。在电机设计中, 如何将相互关联和影响的设计参数进行组合是非常 重要的。要根据使用目的,来改变参数之间的平衡。例如,汽车发动机启动时使用的启动机,其电机设 计偏重磁负荷;像万宝至马达生产的用于模型的小 型电机,它们的设计偏重电负荷。这是因为,只有在高速旋转的状态下,汽车发 动机才能启动。而对于发动机来说,低速旋转是很 困难的(无法延缓汽缸内爆燃的发生速度)。启动 机的作用,就是在很短的时间内让发动机高速旋转 起来,这就要求电机瞬间提供给发动机大转矩和高 转速。为此,汽车启动机上的线圈只有寥寥数圈而 已(时间十分地短暂,电机是不会烧坏的)。而模 型用电机,考虑到儿童使用时的安全性,即使是在 通电状态下堵转也不会起火。因为它的电负荷很高。也就是说,线圈匝数越多,内部阻抗越大,大电流 无法通过,从而使电机不会被烧坏。模型用电机采 用的是这样的一种设计(当然,其代价就是电机转 速受限)。

 EV 比赛用电机的负荷分配 

接下来,看看 EV 节能比赛用的电机,它的负 荷该如何分配?这里关注的,既不像汽车启动机那样重视的是 磁负荷,也不像模型用电机那样重视的是电负荷。那么,如何来进行电机的负荷分配呢?节能比 赛用电机,应该考虑电负荷(特别是线圈匝数)与 转速之间的相互影响,然后根据其结果来决定电机 的负荷分配。



 电机的容量与体格

 

 “电机容量”与“输出功率”相同 ?

 在表示电机规格的术语中,我们会使用到“电 机容量”这个词。一般情况下,电机容量被认为是 电机的输出功率。但是,输出功率的单位是 W(瓦 特),而电机容量的单位是 kV·A(千伏安)。严 格意义上讲,这两个术语所包含的意义是不同的。改变施加给电机的电压 和线圈导线规格,会导致电机的输出功率发生很大 的变化。例如,“CQ 无刷电机和逆变器套件”中的 电机,其输出功率的可调节范围是 50W ~ 3kW。这 个范围虽然也是电机的一个指标,但我们需要另一 个指标来表示电机本身所具备的潜力。这个指标就 是电机容量。


 电机比容量 = 电机容量 ÷ 转速

 有的文献中使用了“(电机)比容量”一词(《电 气工程学手册》,欧姆社)。电机容量除以电机转 速就得到电机比容量[kV·A/( r/min)]。我们用电 机比容量来表示刚才提到的电机本来具备的潜力, 理解起来会更容易一些。综上所述,即使是同样的电机,通过调整参数, 它的输出功率就会发生很大的变化。而且,无一例 外都提高了转速。这里顺便提一下,电机的体格(大小)也决定 了电机的转矩。因为提高电机功率就是要提高电机 转速。也就是说,无论怎么调整,使得电机的输出 功率增加或减少,但平均到每转上的容量,如果用“比 容量”来考虑,电机的潜能几乎是不变的。举例来说,就像发动机的排气量。即使是排气量 相同的发动机,也可以通过调整改变其输出功率。从 大的方面来理解,就是排气量与发动机特性的关系。 

改变电机的体格(大小),电机容量会发生  什么样的变化?

 电机所具有的潜能究竟是什么?如果这个潜能 真的存在,它与电机的体格又是怎样的关系?接下 来,我们来研究电机容量与电机体格之间的关系。关于电机体格与电机容量的关系,可以在很多 文献或书籍中找到相应的讲解(如:《电机设计学》, 竹内寿太郎,欧姆社)。在这里,笔者以上述书籍中多达两三页的内容 进行整理,并在此基础上加入前面反复提到的“电 负荷”“磁负荷”,以期能让读者更清楚明了地理 解相关的内容。

改变电机的体格:

将各部分的尺寸变为 原来的 2 倍 我们来看看改变电机体格的具体实例。首先, 我们将电机各个组成部分的尺寸(长、宽、高)变 为原来的 2 倍(图 3)。

 

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图3

(1)电负荷 铁心尺寸变为原来的 2 倍,也就是说铁心面积 为原来的 4 倍,可以用于绕线的空间也变成了原来 的 4 倍。假设线圈匝数保持不变,线圈截面积变成 原来的 4 倍,在电流密度不变的情况下,流过线圈 的电流是原来的 4 倍。也就是说,电机的电负荷为 原来的 4 倍。 

(2)磁负荷 电机尺寸变为原来的 2 倍,铁心的截面积变为 原来的 4 倍。如果电流密度和通过铁心的磁通密度 不变,则铁心通过磁通的能力为原来的 4 倍。电机 的磁负荷也为原来的 4 倍。由以上可知,与原来相比,尺寸变为 2 倍的电机, 它的输出功率(准确来说应为电机具备的输出功率 的潜力,即容量)为 4×4=16 倍。也就是说,10kW 的电机,如果尺寸变为原来的 2 倍,输出功率就会 变成 160kW。当然,电机各部分的尺寸变为原来的 2 倍的话, 它的体积为原来的 2×2×2=8 倍。电机的体积变为 原来的 8 倍,在各个部分材料不变的情况下,电机 的质量、材料成本应该也是原来的 8 倍。也就是说,我们用 8 倍的材料,获得了 16 倍的 电机容量。这很划算吧?

为什么电机的体格越大,效率越高?电机的体格变为原来的 8 倍,那么它的损耗会 发生什么样的变化?  假设它的铜损和铁损不变(因为电流密度、磁 通密度没变),则电机的损耗与质量也是原来的 8 倍。到这里,我们知道:电机容量(功率)增加到 16 倍,电机损耗增加了 8 倍。因此,电机的体格越大, 效率就越高。这也是工业电机大部分又大又重的原因。同时 也可以解释为,电机越大、越重,就越容易获得高 效率。 

 EV 用电机并不具备体格优势 ?

 电机的体格越大,效率越高。那么,EV 上使用 尺寸更大的电机不就可以了吗?这里,汽车用电机 与 EV 用电机的区别就出现了。前面我们就提到过, 搭载在汽车上的电机,它本身的质量会消耗能量。因此,就算电机的效率再高,质量增加导致能量消 耗增加,大体格的电机并不适合搭载在汽车上。电机的种类有很多,在某种意义上也可以说, 汽车用电机都是经过特别设计的。也可以说,正是 因为汽车用电机存在体格、形状、质量等诸多限制, 才在这诸多限制中获得了进化。 

大体格电机的发热问题

电机体格越大,效率越高。同时,也存在发热 的问题。各部分尺寸为原来 2 倍的电机,其表面积为原 来的 2×2=4 倍,散热面积也是原来的 4 倍。这是一个严峻的问题。想一想看,电机容量为 原来的 16 倍,损耗(发热)为原来的 8 倍,而散热面积只有原来的 4 倍。很明显,电机的冷却是不充 分的,电机温度会升得更高。因此,为了应对电机的发热,就需要增加散热 风机或者水冷设备等。尽管如此,电机的散热问题 依然是一个课题。



 电机的外径、轴长、容量

  外径与轴长以及D2L 说与D3L

 说 电机是一个拥有悠久历史的装置,但直到现在 仍然有很多谜题未解。与天文学中的“三体问题” 一样,电机涉及电、磁、力学三大与能量相关的问 题,它们之间的关系错综复杂。在这里,我们来探 讨一下与电机体格 / 容量相关的话题。说到电机体格, 重要的并不是体积容量。因为,即使体积容量相同, 也还存在外径与轴长两个影响要素。在电机领域,存在着 D2L 说:电机的容量与直 径(准确地说,应该是电机的转子与定子之间存在 的气隙的直径)平方成正比,与轴长(准确地说, 应该是铁心的长度)成正比。实际上,还存在着 D3L 说。笔者认同的是后者。但是,这又与电机的种类 和容量有关,并不能断言哪种说法正确,哪种说法 不正确。从笔者使用过的电机来看,更接近 D3L 说。这是一个很有趣的话题,下面结合电机的体格问题 (直径、轴长)进行简单说明。


 改变电机的体格:改变直径与轴长

 直径为原来的 2 倍,轴长不变时

 图 4(a)与(b)显示了电机体格的差别。

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图4

首先, 我们从电负荷与磁负荷的角度来推理。直径为原来的 2 倍时,电负荷为原来的 4 倍。再来看磁负荷,直径变为原来的 2 倍,铁心的截面 积(磁路的截面积)在径向上变为原来的 2 倍,在 轴向上面积不变。也就是说,磁负荷变成了原来的 2 倍。电机容量变为 4×2=8 倍。

直径不变,轴长为原来的 2 倍时

 接下来,我们让直径保持不变,将轴长变为原 来的 2 倍[图 4(c)]。这就是笔者制作电机时经 常使用的“积厚向上”方法。这种情况下,电机容 量会发生怎样的变化?首先,电负荷因直径不变而不会发生改变(因 为绕线空间不变)。磁负荷因轴长变为原来的 2 倍(磁路截面积为原来的 2 倍)增至原来的 2 倍。因此,电机容量为原来的 1×2=2 倍。综上所述,电机容量与 D3L 成正比。当然,我 们也同样要考虑电机的散热措施。


对D2L 说的考察:对象电机不一样?

 

前面提到,电机容量与 D3L 成正比。而一般情 况下,D2L 说更占主流。推测其原因,就在于电负 荷的计算方法不同。在以往的有刷电机及感应电机 上,绕线空间在某种意义上是被限定的。例如,在有刷电机上,即使直径变成了原来的 2 倍,绕线空间也不会简单地就变成原来的 4 倍。因 为在有刷电机上,铁心圆周方向上的尺寸虽然可以 变成原来的 2 倍,但是径向尺寸几乎是改变不了的。另外,感应电机也一样。在分布式线圈中,嵌 线深度过大导致连接线增加。这除了会引起的弊害 (质量、体积增加,效率降低),还会引起线圈感 应出现差异(距离铁心中心越近的线圈比距离表面 越近的线圈的感应更强)等问题。还有,工业领域中使用的大型电机也是一样的。即使加大了转子的直径,线圈还是安装在靠近其表 面的位置为好。这就使得电机在圆周方向上变大, 而在径向上几乎不变。这样一来,电负荷就不是与 D2 成正比,而是与 D 成正比了。同时,磁负荷也与 D 成正比。因此, 变成了容量 N 与 D2L 成正比. 就电机的规模(体格)而言,如果以笔者使用 过的无刷电机(同心绕线)为考察对象,则 D3L 说 更有说服力。 

电机容量与电机体格的关系有着诸多学说

 《电气工程学手册》(日本电气学会编)记载的名为输出功率方程的公式中,也有关于电机容量 的内容。详情如下:

N=KD2Ln (1) 

N=K'D3Ln (2) 

N=K"DxLyn (3)  

(2.0 <x< 3.0,1.0 <y< 1.5) 

式中,N 表示输出功率(kW)或容量(kVA);D、 L 分别表示电枢铁心直径、长度(m);K、K'、K" 表示各种学说的输出系数。关于输出系数,其变化 趋势如图 5 所示。

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图5

 式(1)为 D2L 说,式(2)为 D3L 说。通过对 图 5 中两种学说的比较可知,比容量小的区域内(小 型电机)D3L 的系数基本不变,D2L 的系数变化幅度 大;相反,在比容量大的区域(大型电机)内,D2L 的系数变化幅度反而变小了。式(3)是对两种学说 进行改良后得到的,它能套用在不同的电机上,可 以认为在某一区域内具有通用性。这段描述也是笔者推荐 D3L 说的根据所在。


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END

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