Koenigsegg"地表最强"电驱动系统的揭秘 | 混合式轴\径向磁通电机的探秘(上)

文摘   汽车   2024-10-12 06:52   上海  

- 关于Koenigsegg驱动系统的解读解读
- 文字原创,Mr.H
- 本篇为知识星球节选,完整版报告与解读在知识星球发布(全文7300字)
- 1000+最新全球汽车动力系统相关的报告与解析已上传知识星球,欢迎学习交流


导语:第一期我们聊过了Koenigsegg Gerema,这款源自瑞典全球限量300台的速度艺术品。通过解读Gerema的动力系统拓扑,了解TA如何做到0~100km/h加速1.9秒、最高时速400km/h的?
在第二期,我们解密了Koenigsegg首款自主研发的驱动系统,是如何通过<850V 6相 SIC逆变器>+<混合式轴\径向磁通电机>+<2个行星减速器>实现了"地表最强"动力输出?他们究竟长什么样子?有什么技术特征?关键指标参数是什么?又有什么样的技术优势?
今天,我们聚焦<混合式轴\径向磁通电机>探讨下这一技术方案背后的奥秘,主要搞清楚下面几个问题:
  • 为什么并非所有电动汽车电机都是轴向磁通?
  • 轴向磁通、径向磁通,究竟哪个更好?(机理解释、各自优势、对比说明)
  • 混合式径向-轴向磁通电机的技术特征解密

目录
1. 为什么叫Gerema?
2. Gerema,如何做到了"给予更多"?
3. 前/后轴动力系统的技术特征和参数说明
4. Gemera的动力系统特性分析 *
5. 电驱动系统揭秘:David、Quark、Terrier
5.1 David(逆变器)
  • 5.1.1 技术方案总览
  • 5.1.2 指标参数 *
  • 5.1.3 技术优势 *
5.2 Quark(混合式轴\径向磁通电机)
  • 5.2.1 技术方案总览
  • 5.2.2 指标参数 *
  • 5.2.3 技术优势 *
5.3 Terrier(驱动系统)
  • 5.3.1 技术方案总览
  • 5.3.2 指标参数 *
  • 5.3.3 技术优势 *
6. 一文读懂轴向磁通电机的所有故事
6.1 为什么并非所有电动汽车电机都是轴向磁通?
6.2 轴向磁通电机的挑战
  • 6.2.1 设计挑战
  • 6.2.2 制造挑战
  • 6.2.3 热管理挑战
6.3 轴向磁通、径向磁通,究竟哪个更好?
  • 6.3.1 轴向磁通量与径向磁通量

  • 6.3.2 为什么轴向磁通可以大幅提升电机性能? *

    • 6.3.2.1 无定子轭部带来的优势 *
    • 6.3.2.2 绕组拓扑带来的优势 *
    • 6.3.2.3 磁路上的优势 *
7. 混合式轴\径向磁通电机揭秘 *
注:带 * 内容在知识星球发布(点击文末"阅读原文"了解)

06

一文读懂轴向磁通电机的所有故事
6.1 为什么并非所有电动汽车电机都是轴向磁通?
早在1889年,尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)就探索并获得了轴向磁通技术的专利。从电磁学角度看,轴向磁通电机拓扑结构相较于传统的径向磁通永磁电机具有显著优势。然而,尽管特斯拉的这一发现已有百余年历史,好像99%的电动汽车至今仍采用径向磁通电机,这究竟是为什么呢?
这其中的原因并非是人们忘记了轴向磁通电机,而是由于径向磁通电机在设计和构建上更为简单,且在当时的技术条件下表现良好。

图片来源:网络
近年来,随着电动汽车行业的快速发展和对更高性能、效率的追求,轴向磁通电机技术重新获得了研究机构和技术初创公司的关注。如果将径向磁通电机比作我们传统的气门发动机,那么轴向磁通电机就像加了一套带涡轮增压系统的发动机
然涡轮增压发动机(即轴向磁通电机)设计更复杂,需要更高的制造精度和现代化的生产设备,但其更高的效率和更轻的重量使得这些挑战变得"物有所值“。那么,轴向磁通电机究竟是面临哪些挑战,导致制造商们"望而却步"?

6.2 轴向磁通电机的挑战

6.2.1 设计挑战

轴向磁通电机的磁通量在三维空间中流动,因此需要3D仿真软件进行设计。这相较于径向磁通电机(通常通过2D计算完成设计)来说是一个额外的挑战。此外,在机械方面,轴向磁通电机(特别是无轭型)需要解决两个气隙的均匀性问题,而径向磁通电机只有一个气隙,因此更容易控制这种均匀性。

图片来源:Traxial


6.2.2 制造挑战
很多公司放弃轴向磁通电机的技术路线,主要原因是在大规模生产制造上的挑战。大多数生产这种电机的电机公司仅限于原型设计和手工制造,带来的结果就是:价格相当昂贵。实现自动化生产和大规模制造的道路是比较困难的,如下图所示。

图片来源:Traxial


6.2.3 热管理挑战

由于轴向磁通电机的绕组位于定子深处和两个转子盘之间,如何有效地冷却电机成为了一个挑战。直接油冷却系统是一种有效的解决方案,它直接从产生热量的地方带走热量。然而,这需要创新的专利系统来实现尽可能低的定子温度,从而提高电机的效率和连续功率。

图片来源:Traxial

6.3 轴向磁通、径向磁通,究竟哪个更好?

6.3.1 轴向磁通量与径向磁通量

无磁轭轴向磁通和径向磁通永磁电机在电磁层面极为相似,它们基于相同的电磁原理运行,且都包含铜绕组、铁芯及永磁体这些基本元件。尽管两者有着诸多共同点,但拓扑结构中一些微妙的差异却能对电机的扭矩密度和效率产生显著的复合影响,这显得尤为神奇。

如上面所述,当前无论是移动环境还是其他场合,广泛应用的电机几乎均采用径向磁通拓扑结构。这种结构特征在于一个圆柱形转子在圆柱形定子内部旋转,如下图(左)所示,被称为径向磁通电机。在此系统中,电磁通量构成扭矩的主要来源,其磁通路径:从转子径向向外延伸至定子,随后沿定子圆周从一个齿传递到下一个齿,再从定子径向向内回流至转子,并最终在转子内部通过切向路径完成磁通环的闭合

径向和轴向磁通电机拓扑

图片来源:Traxial

除此之外,还存在另一种布局方式,即在两个横向定子之间配置一个转子盘如上图(中)所示或者在一个中央定子的两侧各安置一个转子盘,如上图(右)所示。前者被称为单转子双定子拓扑结构,即轴有轭轴磁通型电机;后者则称为双转子单定子拓扑结构,即无轭轴磁通型电机
对比:径向磁通电机相比较,无轭轴向磁通电机的诸多优势主要源自其对铜、电工钢以及磁铁材料的高利用率。尽管轭式轴向磁通电机也具备某些类似优势,但这些并非最为显著或最具影响力的因素。鉴于此,我们下面重点将聚焦于无轭轴向磁通电机

6.3.2 为什么轴向磁通可以大幅提升电机性能?

6.3.2.1 无定子轭部带来的优势

如6.3.1所述,轴向磁通量与径向磁通量电机相比,无轭轴向磁通电机的磁通路径显著更短。在径向磁通电机中,磁通量需在定子和转子中弯曲,而轴向磁通电机则不同,其电磁磁通量沿直线穿过定子,因此无需定子轭(SysPro备注:这里是关键!)
图片来源:Traxial
这一设计带来的另一优势是:垂直的定子磁通路径使得能够使用晶粒取向电工钢,这种电工钢相比非晶粒取向型(径向磁通电机的唯一选择)具有更低的损耗。
| SysPro备注:"晶粒取向电工钢",因其内部的晶粒结构具有特定的取向性,即晶粒沿特定方向排列,可以显著提高材料的磁导率,并降低涡流损耗,由于其优异的磁性能,因此可以有效降低变压器的铁损和温升,提高变压器的效率和可靠性。
此外,无轭机器虽仍保留转子轭,但转子轭与旋转磁场同步旋转,导致交变磁场远小于定子轭,从而使铁损减少一个数量级(SysPro备注:转子轭损耗可以忽略)。而省略定子轭后,定子中的钢材大幅减少,使机器更加轻便这是提升机器功率密度的首个因素1
同时,钢材减少也意味着由铁损产生的热量减少,允许定子中磁通密度更高而不增加整体铁损,这是提高机器扭矩密度的第二个因素2。此外,减少钢材使用还能降低机器的制造成本和CO2排放量。

左:径向磁通电机中的分布式绕组,右:无轭轴向磁通电机的集中绕组

图片来源:网络


6.3.2.2 绕组拓扑带来的优势(知识星球发布)
无轭轴向磁通机采用分数槽集中型绕组,而多数径向磁通机则使用通常是“发卡”型的分布式绕组
集中绕组的设计为每个定子齿配备一个分立线圈,具有多重优势,我们从下面三点分别做下说明:...

6.3.2.3 磁路上的优势(知识星球发布)
在电磁性能方面,分数槽集中绕组的设计能够提升机器的D轴电感,从而有效抵消了表面贴装磁转子可能带来的磁场削弱效应。具体解释下:...
综上所述,轴向磁通电机相比径向磁通电机更具优势,但要真正发挥其潜力,仍面临着众多挑战那么,是否有一种方式,可以结合轴向磁通和径向磁通各自的优势,真正做到“超级发动机”的期望呢? 

07

混合式轴\径磁通电机的技术揭秘
 (知识星球发布,未完待续)

包括以下几点内容:

  • 7.1 混合式轴\径磁通电机"混"在哪里?
  • 7.2 混合式轴\径磁通电机的本质
  • 7.3 混合式轴\径磁通电机示例与说明
  • 7.4 仿真分析,探索Raxial电机的优势与劣势
    • 转矩
    • 磁通密度与反电动势
    • 齿槽转矩
    • 温升特性
  • 7.5 热力学和动力学耦合分析
  • 7.6 结论


以上是关于Koenigsegg驱动系统(David, Quark, Terrier)的技术特征和相关参数的解读(节选)完整版解读在知识星球 [SysPro|国际峰会报告解读] 专栏发布,欢迎查阅。知识星球上传了一些关于"混合式轴\径向磁通电机"的技术视频、论文和方案报告,感兴趣的小伙伴可自行查阅,欢迎在星球中讨论!

图片来源:SysPro系统工程智库


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2024年10月11日 晚

"混合式轴\径向磁通电机"的技术视频、论文和方案报告

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