21 июня на конференции «Электроприводные системы» и форуме «Индустрия двигателей привода — форум по электроприводным системам автомобилей» SMM (4-я) 2025 года, совместно организованных компанией SMM Information & Technology Co., Ltd., Hunan Hongwang New Material Technology Co., Ltd., народным правительством района Лусин и национальной экономико-технологической зоной развития Лоуди, заместитель декана исследовательского института Инновационного центра электропривода Чжэцзян Цзя Юйци поделился своими мыслями на тему «Особенности конструкции двигателей привода в условиях высокого напряжения и высокой частоты».
Контекст и проблемы
1.1 Контекст — политика/отрасль
Двигатели привода электромобилей (ЭМ) имеют широкий диапазон скоростей и требуют частого ускорения и замедления во время движения, что делает условия работы намного сложнее, чем в обычных системах регулирования скорости. Электроприводная система играет решающую роль в определении динамических характеристик ЭМ.
• План развития электромобилей на 2025 год Министерства энергетики США (DOE);
• Растущий спрос потребителей на запас хода и производительность;
• Передовой опыт местных автомобильных брендов в «обгоне на поворотах» в мировой автомобильной промышленности;
• Важный подход к достижению «низкоуглеродной охраны окружающей среды, пика выбросов углерода, углеродной нейтральности, энергосбережения и сокращения выбросов»;
Это требует, чтобы электроприводные системы были легче, компактнее, эффективнее и надежнее, с растущими требованиями к удельной мощности.
1.1 Контекст — решения/компоненты и обмотки электроприводных систем
SiC-инверторы обеспечивают высокие частоты переключения, низкие потери и высокие рабочие напряжения, способствуя повышению скорости и удельной мощности двигателя привода;
Плоские проволочные обмотки имеют высокий коэффициент заполнения паза, низкое постоянное сопротивление и хорошую теплопроводность, повышая эффективность и удельную мощность двигателя в условиях работы на средних и низких скоростях;
1.1 Контекст — решения электроприводных систем
Основные решения для электроприводных систем в новых энергетических транспортных средствах: SiC-инвертор + плоскопроволочная постоянномагнитная синхронная машина;
1.2 Технические трудности и проблемы — высокое напряжение, высокая частота
Высокое напряжение приводит к увеличению диэлектрических потерь в изоляционных материалах и повышению риска частичного разряда;
Высокая частота приводит к увеличению потерь переменного тока в плоских проволочных обмотках и неравномерному распределению потерь внутри паза, что может легко привести к локальным перегревам;
В условиях высокого напряжения и высокой частоты неравномерное распределение напряжения между витками в обмотках усугубляется высокочастотными паразитными параметрами, вызывая повреждение и отказ изоляции;
1.2 Технические трудности и проблемы — меры противодействия
Тщательно учитывать неравномерное распределение потерь, тепла и напряженности напряжения на ранней стадии проектирования;
Использовать высокотемпературную, высококоронастойкую изоляционную лаку, изоляционные материалы и эмалированную проволоку;
Комплексные меры противодействия должны быть приняты по нескольким аспектам, включая новые топологии двигателей, новые структуры обмоток, новые материалы, новые технологии и эффективные системы теплообмена;
Ключевые соображения при проектировании двигателя привода в условиях высокого напряжения
2 Ключевые соображения при проектировании двигателя привода в условиях высокого напряжения
2.1 Проектирование изоляционной системы — материалы
При возбуждении с высокой частотой и высоким dv/dt изоляция обмотки будет подвергаться двойному воздействию значительных электрических и тепловых напряжений. С учетом требований к высокой плотности мощности и высокой надежности запас прочности изоляции двигателя постепенно приближается к допустимым пределам параметров материала. Поэтому необходимо проводить анализ и оценку безопасности межвитковой изоляции двигателя на начальном этапе проектирования. Для обеспечения запаса прочности изоляции и предотвращения повреждений и преждевременного выхода из строя можно принять такие меры, как увеличение толщины изоляции, использование изоляционных материалов с более высокими температурными показателями и изоляционных материалов, устойчивых к короне, чтобы обеспечить безопасность изоляции. Например, короностойкий провод из ПЭЭК, разработанный японской компанией Furukawa Electric и используемый в приводном двигателе iMMD от Honda, может достигать более высокого напряжения возникновения частичного разряда (PDIV) и обладать лучшей теплопроводностью.
2.1 Проектирование изоляционной системы — охлаждение
По мере увеличения плотности мощности двигателя неизбежно возрастает и плотность потерь. В сочетании с эффектами близости и скин-эффекта при высоких частотах это может легко привести к неравномерному распределению источников тепла в пазах двигателя, что приводит к локальному перегреву.
Срок службы изоляционных материалов двигателя тесно связан с температурой. Поэтому следует уделять внимание плану теплового управления двигателем и укреплять разработку эффективных охлаждающих конструкций, таких как охлаждение обмоток в пазах и прямое охлаждение обмоток.
2.2 Импульсное перенапряжение — причины и модели расчета
Из-за несоответствия характеристического импеданса между преобразователем, передающими кабелями и двигателем, в соответствии с принципом отражения волн, PWM-импульсные волны будут многократно отражаться между обмотками преобразователя и двигателя. Суммирование отраженных и падающих напряжений приведет к возникновению импульсных колебательных напряжений на концах обмоток двигателя, которые выше или ниже напряжения шины, тем самым генерируя импульсные напряжения. Пиковое напряжение является наиболее опасным фактором, вызывающим частичный разряд в изоляции двигателя.
2.2 Импульсное перенапряжение — методы подавления
Когда частота коммутации ниже этого значения, явление суперпозиции двойного импульса не возникает. Поэтому требуется проектирование согласования импеданса для обеспечения того, чтобы частота коммутации была ниже этой частоты.
2.3 Карта эффективности электродвигателей при разных уровнях напряжения
Было проведено сравнение распределения КПД электродвигателей при шинных напряжениях 400 В, 600 В и 800 В. По мере увеличения шинного напряжения область высокоэффективного режима работы электродвигателя значительно расширяется. Кроме того, с увеличением угловой скорости область высокой эффективности демонстрирует четкую тенденцию к смещению в сторону высокоскоростного режима, что соответствует требованиям к конструкции высокоскоростных электродвигателей. Таким образом, разработка высоковольтных электроприводных систем для новых энергетических транспортных средств не только отвечает требованиям к быстрой зарядке аккумуляторов, но и открывает новые возможности для высокоэффективной и высокоплотной конструкции электродвигателей.
Ключевые аспекты конструирования электродвигателей в условиях высоких частот
3.1 Потери от токовых гармоник — причины и опасности
Электродвигатели для новых энергетических транспортных средств обычно приводятся в действие инверторами с источником напряжения, использующими технологию пространственно-векторной широтно-импульсной модуляции (SVPWM). В процессе непрерывного включения и выключения каждого устройства в коммутационном цикле возникают высокочастотные токовые гармоники. В то же время мертвое время и времена включения/выключения устройств могут вызывать искажение выходных напряжений и токовых сигналов инвертора, тем самым вводя высокочастотные гармоники. Эти гармоники напряжения и тока обычно расположены вблизи несущей частоты и ее кратных, увеличивая потери и снижая КПД.
3.1 Потери от токовых гармоник — методы подавления
По мере увеличения частоты коммутации улучшается синусоидальность формы токового сигнала и возрастает частота основных подгармоник, однако значительно снижается амплитуда токовых гармоник.
Таким образом, метод подавления потерь от токовых гармоник заключается в повышении синусоидальности формы токового сигнала, снижении гармонического состава каждого порядка и, следовательно, уменьшении потерь от токовых гармоник. Основные меры включают увеличение частоты коммутации инвертора, сдвиг шлицев/полюсов, оптимизацию конструкции магнитных полюсов, выбор формы обмотки и выбор комбинации шлицев/полюсов и т. д.
3.2 Высокочастотные переменные потери в обмотках — причины и опасности
При протекании переменного тока через проводник или при его помещении в переменное магнитное поле возникают вихревые токи, а именно эффект скин-действия и эффект близости. Эффект скольжения приводит к тому, что ток при прохождении переменного тока стремится к поверхности проводника, в то время как эффект близости приводит к тому, что ток в двух соседних проводниках стремится к сторонам из-за влияния магнитных полей друг друга. Оба эффекта уменьшают фактическую проводящую площадь проводника и увеличивают потери.
Чем выше рабочая частота приводного двигателя, тем сильнее потери переменного тока в обмотках из плоского провода. Кроме того, приводные двигатели для новых энергетических транспортных средств работают в различных условиях, и при определенных рабочих точках доля потерь переменного тока в обмотках из плоского провода очень высока. Негативные последствия проявляются в основном в трех аспектах: снижение КПД двигателя, что не способствует повышению удельной мощности электроприводной системы; повышение требований к теплоотводу, что предъявляет более высокие требования к конструкции охлаждения двигателя и тепловому управлению; и неравномерное распределение потерь внутри паза, что приводит к образованию локальных горячих точек и угрожает изоляционной безопасности двигателя.
Поэтому на этапе разработки двигателя необходимо уделить достаточное внимание.
3.2 Высокочастотные потери переменного тока в обмотках — методы подавления
Методы подавления потерь переменного тока в обмотках из плоского провода на высоких частотах в основном включают:
увеличение размера отверстия паза статора (для уменьшения потерь проводника, вызванных магнитным полем якоря);
увеличение расстояния между проводником и отверстием паза статора (для уменьшения потерь проводника, вызванных магнитным полем утечки в пазе под действием магнитного поля постоянного магнита);
уменьшение размера проводника (для ослабления эффекта скольжения и эффекта близости);
соответствующее увеличение размера магнитного изолирующего моста;
перемещение проводников между пазами и слоями (для уменьшения потерь циркулирующего тока, когда количество параллельных ветвей больше одной);
использование лицевой проволоки для обмоток (перемещение между жилами).
3.3 КПД двигателя при различных частотах коммутации
Было проведено сравнение потерь в приводных двигателях при частотах коммутации 10 кГц, 20 кГц и 50 кГц. По мере увеличения частоты коммутации потери в каждой части двигателя демонстрируют тенденцию к снижению. Однако при увеличении частоты коммутации до определенного значения потери двигателя больше не будут значительно изменяться. Поэтому в определенном диапазоне более высокая частота коммутации способствует снижению общих потерь двигателя, что также облегчает проектирование высокоскоростных двигателей.
Однако с увеличением частоты коммутации потери инвертора будут соответственно возрастать. Следовательно, при выборе частоты коммутации необходимо учитывать потери двигателя и инвертора, чтобы достичь наименьших общих потерь во всей электроприводной системе.
Итог
4.1 Требования
Основные требования к проектированию двигателей при высоком напряжении и высокой частоте:
Ø Надежная изоляция: высокочастотные импульсы ШИМ многократно отражаются между инвертором и обмотками двигателя, вызывая наложение напряжений на концах обмоток и создавая угрозу безопасности изоляции обмоток;
Ø Электромагнитная эффективность: высокочастотная работа усиливает эффект скин-эффекта и потери гармоник, что требует точного электромагнитного моделирования для оптимизации топологии обмотки из плоской медной проволоки, конструкции паза и конструкции магнитного барьера, используя различные методы для всестороннего повышения электромагнитной КПД;
Ø Эффективное охлаждение: высокая плотность мощности приводит к концентрации потерь и повышению плотности тепловой энергии. Технологии, такие как 3D-печатные охлаждающие каналы и водяное охлаждение внутри паза, могут быть объединены для создания многоканальной системы охлаждения с использованием моделирования тепло- и гидродинамических полей для оптимизации охлаждающих путей и поддержания температуры компонентов двигателя в разумных пределах.
4.2 Противоречия
• Увеличение напряжения питания значительно расширяет область высокой эффективности двигателя привода, но высокое выходное напряжение импульсов с высоким значением dv/dt, генерируемое SiC, одновременно увеличивает напряжение изоляции обмоток двигателя, угрожая безопасности изоляции обмоток;
• Более высокие рабочие частоты способствуют повышению частоты вращения и количества полюсов, а также повышению плотности мощности двигателя привода, что отвечает требованиям системы к миниатюризации и легкому весу. Однако это также приводит к увеличению потерь в переменном токе обмоток и механических потерь, причем первые усиливают неравномерное тепловое распределение внутри паза.
4.3 Баланс
• Поскольку система двигателя является многопеременной, сильно связанной и нелинейной, решение одной технической проблемы в проектировании двигателя неизбежно приводит к появлению другой. Проектирование электродвигателя — это процесс поиска баланса среди противоречий, требующий компромиссов между повышением производительности, снижением потерь, конструкцией системы охлаждения, тепловым управлением и безопасностью изоляции;
• Выйти за рамки инерции мышления, ограниченного одним продуктом, и рассматривать проблемы более макроскопически — от улучшения всей системы электропривода до повышения общей эффективности и плотности мощности транспортного средства.
Кроме того, были представлены обзор, позиционирование, цели строительства, стратегические планы, гуманоидный робот и низковысотная экономика Инновационного центра электропривода Чжэцзян.
》Нажмите, чтобы просмотреть специальный доклад о конференции SMM (4-я) по системам электропривода и форуме по промышленности двигателей привода 2025 года
