丨外部激励同步机介绍丨
外部励磁同步电机在纯电动汽车中越来越受欢迎。这些机器没有稀土永磁铁，而且还有其他好处。与永磁同步电机相比，外部励磁同步电机的优势包括：
在高速和低负载下具有高效率 低材料成本 高功率因数 材料和制造过程中低二氧化碳排放 材料在终身循环中经济回收再利用
然而，即使是最先进的外部励磁同步电机也存在一些挑战，包括：
需要转子激励 驱动循环效率 功率密度 持续功率 与同轴齿轮箱的兼容性
为了解决这些挑战，博格华纳开发了改进的定子和转子冷却方法，以及一个无刷谐振感应励磁系统来提供转子电流——这两种方法都与紧凑的齿轮箱解决方案兼容。该解决方案结构紧凑，效率高，并在连续性能方面提供了显著的改进。本文将解释博格华纳的外部励磁同步电机设计方法和由此产生的好处。
由于外部励磁同步电机的发展受到变速箱选择的影响，首先回顾电动汽车动力系统的单轴结构是有帮助的。图1中最常见的。
图1.单速变速箱体系结构
虽然后两种选择给出了最小的封装尺寸，但它们对外励磁电机来说是最具挑战性的，因为同轴输出轴会导致空心电机轴和滑动环的直径增加，从而增加了电刷的阻力扭矩和磨损率。同轴输出轴也可能与某些油冷却方法以及旋转变压器配置（为无刷EESMs配置）所需的空间发生冲突。这些问题在博格华纳的设计方法中得到了解决。
博格华纳的外部励磁同步电机开发始于图2所示的基础转子和定子设计。这些是为电刷版本（一代）和无刷版本（二代）开发的，以使两种机器类型可以进行比较。转子和定子的设计与多物理优化工具，并以生产意图的制造过程为原型。
图2. HVH220 外部励磁同步电机转子和定子
博格华纳的设计要求始于同轴变速箱假设，目的是冷却和无刷概念开发可以很容易地适应其他架构。
丨定子和转子冷却系统的改进丨
开发了一种新的定子冷却概念，利用高表面积的背铁冷却，然后将油送至喷淋冷却定子端部。通过使用周向油流，相比典型的轴向流概念，实现了更高的对流冷却表面积。
图3说明了这种设计中的油流路径。油的进口位于定子底部，油分为两股向上流动，供给角度喷孔，这些喷孔位于叶片堆端部。这种冷却概念既适用于有刷式和无刷电机，也可以用于IPM和感应电机。
图3.定子冷却的概念
转子冷却概念发展为有刷和无刷解决方案互换使用。这些概念是建立在博格华纳经验冷却永磁同步机（PMSM）上，包括冷却通道和淹没定子端转弯等方法。
图4显示了基准线转子冷却概念。油流向转子是从同心式电机和齿轮箱输出轴之间的环形空间输送的。冷却油从中心轴向流动到层叠堆的两端，在每个转子极下通过冷却通道。离开层叠堆的油然后直接冷却所有绕组端部，并通过平衡环中的孔流出转子。由此产生的高速径向喷射然后冷却定子绕组端部。
图4.基准线转子冷却
下一个发展出的转子冷却概念建立在基准设计的基础上，但利用了更多的源头冷却。直接油冷却被扩展到了极间线圈侧面，提供了“极间冷却”，如图5所示。与在极间采用冷却管道方法相比，直接冷却避免了油和绕组之间的接触和传导阻力。极间冷却增加了从转子传热，并消除了可能会影响连续性能的中间叠热点。
图5.极间冷却
热仿真已用于分析两种新的冷却方法。图6显示了基于基准转子冷却的一代原型机的仿真和测试结果的比较。在各种连续动态测试点上，定子和绕组温度与仿真结果显示出良好的一致性。
图6.热仿真和试验数据比较
采用热仿真方法比较了基线和极间转子冷却。添加极间冷却可以使连续性能提高12%，如图7所示。
图7.基线和两极间转子冷却比较
丨无刷励磁模块的开发丨
对于第二代无刷方法，必须考虑多个组件，并为每个组件设计不同的概念。选择了具有谐振补偿的感应激励系统，以实现高效率，如图8所示。为了最小化总体尺寸，最重要的是减少旋转变压器和整流器的复杂性，并将这些组件紧密集成到电动机中。虽然场效应逆变器被原型化为显示的独立电子包装，但设计意图是将其集成到主逆变器中。
图8.无刷励磁系统
博格华纳与橡树岭国家实验室（美国能源部）合作开发了无刷励磁系统。橡树岭国家实验室是电力电子研究领域的领先机构，拥有丰富的无线电力传输经验。这些优势与博格华纳在电动机、汽车动力电子和电动推进系统的设计和制造专业知识相辅相成。这种合作产生了几项关键创新，如图9所示。
图9.无刷励磁系统的关键创新（专利申请中）
丨设计集成结果丨
将无刷励磁集成到电动机后，出现了两个节省空间的优势：(1) 旋转变压器和整流器所需的空间比刷子和滑环少，(2) 无刷组件可以与主动转子组件集成，因为这些组件不必与油雾区隔离。这也减少了所需的轴密封和相关的阻力损失。总体而言，高度集成的第二代无刷设计比第一代刷子设计节省了15%的空间，如图10所示。
图10. EESM尺寸缩小
丨总结丨
博格华纳的新型无刷外部励磁同步电机开发提供了以下优点：• 改善了定子和转子冷却，提高了持续性能• 高度集成的感应励磁系统，具有低成本和占用空间小的特点• 与各种齿轮箱架构兼容，提供更紧凑的解决方案
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