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颠覆传统电机

作者: 行业新闻  发布:2020-02-05

  生产工艺、汽车、卡车、摩托车、飞机正像爱迪生一个多世纪前预言的那样朝电气化迈进。

  电气化有着更安静的操作、更低的维护需求、更高的性能和效率以及更灵活的能源使用优势。

  在这一伟大的电气化进程中,电机处于核心地位,它既可作为发电机,将机械能转化为电能,也可作为发动机,将电能转化为机械能。

  我们位于比利时的初创公司Magnax则采取了另一种设计方式,理论上可以从给定的质量中获取更大的能量和扭矩,并实现商业化应用。

  我们相信,在许多应用领域(尤其是电动汽车领域),这种全新设计可以取代旧设计。

  目前的发动机(如宝马i3纯电动发动机)的峰值功率密度(3千瓦/千克)只有其1/5。

  如果是这样,我们就有充分的理由相信,这种设计将会超越传统设计,有助于提高性能、节约能源、降低整体运营成本并减少碳排放,创造一个更美好的世界。

  首先有一个外壳,即静止的定子,然后加上一个旋转的转子,转子通常位于定子内部,有时也在定子外部,我们稍后会讨论这点。

  围绕转子和定子按一定策略放置的磁铁会按顺序相互排斥或吸引,以维持转子的旋转并产生扭矩。

  目前,这种旋转电机因其转子多使用永磁体(而非电磁铁)而被称为永磁同步电机(PMSM)。

  当作为发动机运行时,它会将交流电输送到定子的齿部结构,因此,定子内的旋转磁场会作用于转子的永磁体,使转子旋转。

  因此,在给定的重量和体积下,这种设计比在转子中使用电磁铁的电机更有效、更强大。

  永磁同步电机从20世纪80年代开始占据主导地位,这其中的原因很多,其中最重要的是一种更强大的钕基永磁材料的发展。

  要进一步减轻电机的重量、缩小尺寸并压缩成本,必须从根本上重新考虑电磁相互作用。

  首先要了解的是,人们已经知道轴向磁通拓扑具有内在的优势,只不过似乎无法从商业上利用这些优势,主要是因为基于这些优势的设计很难借助自动化程序大规模生产。

  不过,比利时根特大学的彼得•塞尔让(Peter Sergeant)和昂德里克•万松佩尔(Hendrik Vansompel)从2008年就开始研究这个问题。

  他们的研究加上Magnax公司多年的研发和原型设计,催生了我们的设计和制造方法。

  当转子转动时,其磁极每次扫过定子的齿部时都会传输通量,而定子则将通量带到其他地方,关闭了所谓的通量环。

  通量从转子的永磁体穿过气隙和定子齿部,通过磁轭形成转换180度,再回到另一个磁体。

  要获得最高的效率,设计应将转子和定子齿部之间的气隙缩至最小,因为空气影响通量传输。

  无轭电机与老式磁轭轴向发动机相比,功率密度增加了1倍,是传统发动机(如宝马i3发动机)的4倍。cnc电机

  首先,在定子中,交流电对铁芯反复磁化和消磁会消耗能量,这一过程称为磁滞损耗;

  在本设计中,磁通量从第一个转子轮盘上的永磁体通过定子铁芯,到达第二个转子轮盘上的永磁体,这是一条相对短而直的路径。

  借助这种单向性,Magnax使用仅适于单向通量的晶粒取向钢,可以进一步将铁芯通量损耗降低85%。

  这种钢不能用于传统的径向通量发动机或发电机,因为在传统机器中,通量从转子通过定子,再回到转子——这是一个多向路线。

  Magnax公司与蒂森克虏伯钢铁公司紧密合作,设计了层状晶粒取向芯部。

  在我们的无轭轴向磁通设计中,定子需要的铜大约是同等功率和扭矩径向通量发动机的60%,转子需要的磁性材料大约是同等功率和扭矩径向通量发动机的80%。

  理论上说,所有这些优点都会降低电机的成本、减轻电机的重量并提供更高的扭矩,但实际上制造这样的机器要面对多项严峻的工程挑战。

  在传统的发动机中,磁轭会固定定子齿部,并提供将线圈中的热量输送到发动机外壳的热通道。

  由于没有磁轭来连接单个定子齿,因而必须找到另一种解决方案来制造具有足够强度和刚度的定子,使之即便在强大电磁力的作用下也能牢牢固定住定子齿。

  Magnax的设计中没有磁轭,因此我们需要找到另一种方法来直接冷却线圈。

  这些挑战提高了成本,限制了应用范围,目前大多数商用轴向磁通设计中都存在这些问题。

  这种方法提高了机器的散热能力,能够产生更大的公称扭矩和更高的功率,而且能使定子结构非常结实稳固。

  这样,汽车制造商就可以把发动机、变速器和电子设备整合到电动汽车的车桥上,这个总成叫做电驱动桥。

  这些发动机也可用于混合动力汽车,在混合动力汽车中,引擎和电力驱动系统的组合往往只能给发动机留下狭小的空间。

  这种配置有很多优势,例如,可以通过改变每个车轮的扭矩来驾车,这种技术被称为扭矩矢量控制技术。

  不过,把发动机置于车轮内会增加非簧载质量(汽车悬架和路面之间的部分),这可能会使旅途更颠簸。

  发动机的旋转部分位于外部(而不是在内部或轴上),因此非常适合集成在车轮总成极其紧凑的空间内。

  虽然大多数汽车都没有将发动机安装在车轮内,但不少汽车确实配备了不止一台发动机。

  我们已经计算出,在没有磁轭及其相关铁损耗的情况下,只有一台发动机的汽车行驶里程可以增加7%,有两台发动机的汽车行驶里程可以增加20%。

  这一能力加上用料节省,使我们的设计概念在价格上具有竞争力,这是我们从小众市场转向原始设备制造商的关键。

  过去的两年里,我们收到了数百家公司的询价,他们有意购买用于电动摩托车、cnc电机卡车和其他电动汽车的不同直径的发动机。

  这些特定的市场并不是我们的优先市场,但广泛的需求表明,我们在紧凑、功率和效率方面的技术优势能满足许多公司的需求。

  在大批量生产中,例如在中国生产数百万台功率在1到10千瓦之间的电动机,我们的设计可以大幅削减成本。

  根特大学对第一个样机进行的测试表明,我们的无轭轴向磁通电机的效率达到了91%到96%。

  我们预计,将全球所有发动机的效率提高1%,发动机的电力消耗就能减少94.5太瓦时,二氧化碳排放量就会减少6000万吨。

  无轭轴向磁通机器即便只取代一部分老式机器,也可以为客户节省成本,让地球更宜居。

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