引言

供应链中断和可持续性问题极大地影响了电动交通应用的技术格局。特别是广泛应用于汽车领域的永磁同步电机（PMSM）技术，它依赖于使用含有重稀土元素（HREE）的磁铁，在两个方面都存在问题。在PMSM的磁铁中使用诸如钕（Nd）、铽（Tb）和镝（Dy）等重稀土元素通常对于定义其性能是必要的。通过应用重稀土元素，可以提高机器的温度稳定性、抗退磁能力和输出功率等特性。然而，这些元素的历史价格走势显示了多年来明显的波动趋势，预计未来价格会上涨。此外，这些元素在全球政治敏感地区丰富可用，这使得它们的供应容易受到中断的影响。这对汽车供应商和原始设备制造商来说是一个不可预测的成本和供应风险。与这些材料相关的另一个重要方面是它们开采操作的可持续性问题以及整个供应链中的二氧化碳足迹。众所周知，开采重稀土元素会导致水土污染等一系列不希望出现的环境影响。此外，在一个典型的PMSM中，转子的二氧化碳足迹主要由磁铁主导。在这种情况下，提出了一种新的可持续且高效电动机，该电动机避免了使用磁铁。这项发展的主要目标是实现与等效PMSM相同的表现和安装空间。它是基于SESM技术（分开励磁同步电机）并进行了适应性调整以达到设定的目标。I²SM（内置感应激励同步电机）的特点是在转子轴内高度集成的感应激励器，既可减少损失又可优化整个电动机所需的几何安装空间。关于这一发展的愿景是使SESM系统能够作为当前和潜在客户的一种可持续且可行的替代方案，取代PMSM。

目标和关键绩效指标设定

考虑到设定的目标，即使用无磁体转子拓扑并达到与类似永磁同步电机（PMSM）相似的性能和安装空间，可以推导出开发的主要关键绩效指标（KPI）。图1显示了基准SESM按类别、采埃孚 I²SM原型以及ZF对此项技术的雄心之间的比较。

图1：SESM原型的KPI设定

内转子感应激励同步机（I²SM）

为了实现I²SM的发展，必须在不牺牲系统效率的同时达到更高的质量功率密度，以获得有竞争力的系统特性。此外，提高扭矩密度、连续功率能力和峰值功率、降低生成成本也是设定的目标。采埃孚的雄心表明了我们相信这项技术在未来几年内能够取得的成就，这些是针对I²SM技术的持续进一步发展所设定的要求。I²SM采用油冷式SESM，具有高度集成的感应励磁器。选择SESM作为拓扑结构是因为它完全无磁。此外，这种拓扑通常在高速循环中比PMSM（永磁同步电机）具有更高的效率，这增加了电动汽车的实际续航里程。与PMSM相比，在更高速度下提高效率的原因在于，在弱磁场范围内，可以通过减小转子电流来减少转子磁通量，从而降低损失，因此需要减少定子侧的负弱磁场电流。在这个电动机中使用了高度有效的油冷却技术，以达到竞争力的连续功率能力。通过感应励磁器，可以实现在无需额外密封的情况下进行油冷却。之所以能够实现这一点，是因为能量是通过无接触的方式传递到转子的，因此感应励磁器不需要安装在特殊的干燥空间内。与已知的有导电激磁的技术相比，这就是一个重要的优势，后者需要在干燥空间内安装：无接触和密封的减少使得系统的复杂性和机械损失降低。这一特点提高了整机的系统集成度，使得在比较两种解决方案时，集成空间的显著减小可达90毫米。图2展示了I²SM在安装空间方面与传统的滑环相比的优势。

图2：与传统滑环相比，I²SM的安装空间优势

图3显示了I²SM转子，可以看到SESM转子以及感应励磁器的集成。

图3：内置感应激励同步机转子（I²SM）

电机设计

表1显示了优化的SESM的设计参数。为了这个应用，选择了具有三个磁极对的凸极设计。已经进行了多目标优化设计过程，以找到电机的最佳几何参数，以便在给定的安装空间内实现性能和效率的最佳平衡。

表1：电机设计参数

图4显示了效率图作为参考PMSM与I²SM之间的差异图。正值表示I²SM的优势，负值表示PMSM的优势。正如预期的那样，I²SM显示出更高的效率。由于其固有特性，在高速和低负载下具有高效率。对于低速和高负载，永磁同步电机（PMSM）的损耗小于感应异步电机（I²SM）。在公路循环中，永磁同步电机的优势可以达到15%。

图4：永磁同步电机（PMSM）和感应激励同步电机（SESM）效率差异：正值表示SESM更好；负值表示PMSM更好

感应激励器

感应激励器已被设计成集成到上述SESM的转子中，并满足表2上的要求。

表2：感应激励器的设计参数

图5展示了感应励磁器的拓扑结构和组成部分。它通过EMI滤波器连接到直流链路，以尽量减少逆变器和励磁电路之间的不必要干扰。在励磁转换器的主侧（初级），H桥与旋转变压器的定子相连。该变压器采用铁氧体核心和铜绕组，并在给定的安装空间内优化了几何关系和匝数比，以达到所需的性能。在次级（转子）侧，使用二极管执行AC-DC功率转换并为转子绕组供电。值得一提的是，次级的铁氧体核心和二极管固定在转子上并一起旋转。因此，它们的电气和机械连接必须设计成能够承受所需的17,000转每分钟的速度。

图5：感应激励器及其组件的拓扑结构

铁心和励磁机的铜绕组通过多准则优化程序进行优化，该程序依赖于有限元模拟和进化优化算法的使用。在连续的迭代中，修改并优化励磁机的主要几何和电气参数，分析不同系统要求和输入参数之间的权衡。图6显示了前两个优化迭代的部分结果。对于第一次迭代，可以看出，感应励磁机的活性体积与效率之间存在一个权衡（因此有一个潜在的帕累托前沿）。可达到的体积和效率高度依赖于可用的转子半径。可以清楚地看到，较小的半径对提高功率密度至一定效率要求有非常积极的影响。对于第二次迭代，可以看出，归一化（材料）成本与效率之间也存在一个权衡，随着初级电子电路H桥的开关频率变化，帕累托前沿也在变化。值得注意的是，一般来说，增加开关频率可能是降低材料成本的合适策略。然而，这种策略还必须考虑效率要求，因为在固定成本和根据成本目标的情况下，增加开关频率可能导致系统效率降低。

图 6：感应激励器的多目标优化。第一次迭代中活动体积与效率的关系（左侧）和第二次迭代中标准化成本与效率的关系（右侧）

在每次迭代步骤中选择的参数集作为变量，以显著减少问题复杂性和优化时间的方式进行选择。这种框架允许迅速响应需求变化和客户请求。感应激励器的冷却是必须仔细考虑的另一个方面，以便达到为目标系统设定的操作要求。油被用作电动机的冷却介质，并通过一个穿过励磁器的喷枪泵入转子。励磁器的高温点是其绕组和次级电路上的二极管。电动机转子的绕组也是励磁器的一个主要热源。多领域仿真和分析用于优化励磁器和转子的冷却。图7显示了一个三维热仿真的结果。通过这种方式，可以确保励磁器及其组件在任何指定的要求内的操作点都不会受到热损伤。已经找到了保证冷却性能和最小化阻力损失之间的最佳平衡点。

图7：感应激励器的三维热仿真

结果

I²SM已在测试台上构建并测试。励磁组件也已作为单独部件和与电动机一起作为一个系统进行了测试。该电动机的性能要求已经达到。我们将详细讨论效率和可持续性方面的问题。图8显示了在WLTC（世界轻型汽车测试循环工况）中对于导电和感应励磁器两种不同场景（A 1.8吨轿车和一辆2.2吨SUV）的额外励磁损失进行的比较。在这种情况下，所有与各自激励系统相关的损失都已考虑在内：对于导电的机械、电阻和密封损失；对于电感的初级和次级损失。可以看出，在这两种情况下，感应解决方案都呈现出约15%的优势。这主要是因为由于没有滑环及其相应的密封件，从而最小化了机械损失。

图8：在WLTC中测量的两种不同情况下的额外励磁损失

图9显示了关于所提出的I²SM和参考PMSM的上游二氧化碳（CO2）足迹的比较。它清楚地表明，转子负责PMSM等效排放的最大部分，其中仅磁铁就占到了89%。对于I²SM来说，尽管由于需要激励电路而产生了额外的影响，但它仍然比等效PMSM减少了约51%的上游CO2足迹。

图9：I²SM与等效PMSM的CO2排放量的比较

结论

本文介绍了一种新的电动机拓扑结构。I²SM具有一个带有电感励磁器的独立励磁同步电机。这种拓扑可以在相同的安装空间内达到与相似的永磁同步电机（PMSM）相同性能要求，并且可以比传统滑环系统减少90毫米的长度。讨论了电感励磁器的优化过程，并展示了关于效率、成本和安装空间的主要权衡。为了减少为新需求设计系统的时间，开发了一个利用进化算法和有限元模拟的设计框架来进行系统优化。还进行了一项多物理场仿真程序，以确保整个系统的热稳定性。研究表明，电感励磁器可以提高效率。在WLTC中，由于机械损耗的最小化，因此I²SM具有优势，因为初级侧和转子之间没有接触，并且根本不需要密封。结果还表明，由于缺乏磁铁，I²SM的等效上游二氧化碳足迹比等效的PMSM小51%。因此，I²SM被证明是一个可持续的，紧凑的和高效的电子驱动系统，它可以作为最先进的PMSM的一个真正替代品。

作者：Dr.-Ing. Joao Bonifacio, ZF Friedrichshafen AG, Germany

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       原文标题 : 采埃孚内置感应激励同步电机（I?SM ）- 一种可持续、紧凑且高效的电驱动系统