如何从技术角度评价Lucid扁线电机

汽车   2024-11-05 08:02   重庆  



下图所示,电机的转速和转矩受到功率和物理条件的限制,所以其最大转矩曲线是一个信封形(envelope)。中间的红圈是等效率曲线,里面的红圈代表效率高,越往外效率越低。通过提高最大功率,我们可以提高最大转矩和转速,如图中箭头所示。

电机转矩-转速曲线

通过齿轮箱,我们可以改变电机的特性曲线。最佳的设计是在增大最大转速、最大转矩同时,获得大范围的高效率区。

通过齿轮箱变速的电机转矩-转速曲线

Lucid Air动力单元拆解图

Lucid电机定子

电机极数

Lucid电机被设计为6极,以此产生旋转磁场。电机转速与极数有关,np极对数,f单位为Hz,n单位是rpm。对于Lucid的6极电机,极对数为3。

Lucid电机有6极(三对NS极)

定子填槽方式

传统电机采用诸多圆线填满定子槽体,以削弱集肤效应(skin effect)带来的电阻增加。集肤效应是指电流在高频情况下倾向于从导体表面流过。

扁线、圆线填槽示意图

集肤效应(skin effect)示意图

Lucid采用多层扁线填槽提高槽满率(slot fill),减小集肤效应(skin effect),以上二者共同降低了在高频下的电阻,降低损耗。与其他扁线电机不同的是,Lucid连接同一槽内扁线端部的方法不是焊接(welding),而是连续波浪导线continuous wave wire)。焊接会导致诸多焊点,降低产品一致性和可靠性,并且焊点电阻也会增加热损耗,而Lucid的连续绕组用一整个连续的绕组消除了焊点。这是一项革命性的技术,能做到这项技术的唯一机器就在Lucid的亚利桑那中,完全CNC(Computer Numerical Control)、完全自动化控制。

传统的扁线电机通过焊接来连接线材

Lucid连续绕组实拍

绕组先单独进行编制,完成后被嵌入定子磁芯中,从而得到完整的定子。每个定子槽中有8根扁线,Lucid是世界上首个对8扁线进行量产的厂家。

最终,Lucid的定子只有24个与逆变器连接的焊点。

Lucid定子绕组焊点

定子导流槽

Lucid电机的冷却液导流槽(jet slot)距离绕组这个发热源非常接近,能够快速带走热量

冷却液从导流槽中喷射而出

冷却液在定子上的流动

定子导流槽特写

并且通过巧妙的磁路设计,导流槽的存在不会影响磁路。

导流槽两旁的齿部宽度与齿部末端宽度相等

定子叠片

定子由多层叠片(lamination)构成,以此减少涡流(eddy current)损耗

叠片减少涡流损耗

定子对比

下面是Lucid定子与友商定子的对比。

Lucid定子整体

ucid定子绕组切面

与逆变器连接的汇流线

美国品牌定子绕组切面

美国品牌定子导流槽


绕组端子大小对比,这个友商的端子其实已经算比较短的,很多其他友商端子长度是这个的数倍

转子

气隙

定转子之间的气隙距离为0.4-0.8mm。


转子磁链走向如蓝线所示,可见磁链不从中空部分经过。中空可以减少重量。


转子磁链走向示意

内置差速器

Lucid转子内置差速器(Differential),能够节省空间。

转子磁芯和磁铁

V型(chevron)磁铁,能够减小齿槽转矩 (cogging torque),有利于NVH(Noise, vibration, and harshness)。两组V型磁铁,提高磁阻转矩(reluctance torque),有利于提高电机最大转矩输出能力。

叠片边缘需要有足够的强度,以保证转子不在离心力(centrifugal)作用下解体

旋转变压器

旋转变压器(Resolver) 用于检测转子相对于定子的位置及其旋转速度,Lucid旋变的旋转部分轴(shaft)合为一体。

旋变旋转部分被集成在轴体上,3瓣式(three lobes)设计

旋变本体定子

旋变本体全貌

转子对比

美国品牌的转子被一层碳纤维包裹,主要是为了增强机械强度,用来对抗离心力,使磁铁稳定在定子中。碳纤维包裹的存在虽然通过删除连接处(steel bridge)的方式(增强隔磁桥flux barrier)增强了磁场,但也增加了气隙,最终减小了转矩。实际上,碳纤包裹是赛车设计中借鉴而来,已存在多年。而Lucid通过巧妙的设计,做到了很好的工程权衡(engineering trade-off)——为了产生较大转矩,磁铁应该离定子尽可能近;而为了保证机械强度的同时不使用碳纤维,连接处应该尽可能厚。

综合对比

无论是功率还是功率密度,Lucid的电机都优势明显。

驱动单元总体

电机、逆变器、齿轮箱三合一。Lucid的驱动单元全部自研,并且其生产由Lucid在亚利桑那的工厂完成。



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