BMWi3驱动电机分析

limengde2001

三、驱动电机技术参数

技术指标
额定.连续	100Nm@（0~5000rpm）& 50kW@（5000~11400rpm）
峰值.短时	250Nm@（0~5000rpm）& 125kW@（5000~11400rpm）
最高转速	11400 rpm	极限转速   （考核机械寿命）	13680 rpm
直流母线电压	353V	最大反电势   E0-rms-line[V]   @11400 r/min	——V
最大AC电流	340A/425Arms(3s)	效率	Max 97%
环境温度	——	冷却方式	水冷65℃ 10L/min
绝缘等级	H级	工作制	S9
电池容量	6.5ah/25.8ah（插电）	电池功率	27kw（20C）/
电机重量	42	电池电量	33kWh（插电）
功率密度	2.976	转矩密度	5.95

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四、成本重量分析

电机总重42kg，125kW峰值，功率密度2.976，远远超过美国能源部2020目标1.6（丰田、日产等2010年前后产品接近该指标），可见i3的确有很大的技术进步，值得分析。

有以下两点减重措施值得关注：

1.     多极（12p）空心化：定子轭部减重，绕组端部减重，尤其转子冲片内部减重很多；

2.     创新外壳结构：有没有发现这个电机外壳装配拆分好怪异，好坏先不论，这种创新让人耳目一新，外壳包括轴承仅11.5kg。

主材分析
项目	重量	单价	成本
Cu	6.35	55.00	349.27
Fe	25.21	25.00	630.24
Mag	2.01	350.00	703.20
合计	33.57		1682.71
主材峰值功率密度	3.72
主材峰值转矩密度	7.45
单位功率			13.46
单位转矩			6.73

粗算，该电机成本不超过3500元。

注：价格按去年较为稳定的材料价格，今年材料价格大涨，应该是不可持续的。

看到该冲片，相信首先会担心2点：漏磁过大、强度不足，稍后会进行分析


补充内容 (2017-9-30 13:17):
看图像是人字形斜极，对吗？

补充内容 (2017-9-30 13:23):
外壳的加强筋和骨架结构也值得学习，对减重、增强、抗震都大有好处，有时候比从电磁考虑效果更明显

补充内容 (2017-10-11 20:38):
宝马电机高功率密度的诀窍欢迎探讨

补充内容 (2017-10-11 20:42):
宝马这种创新外壳形式有做过的吗？大家怎么看？

limengde2001

五、电机结构尺寸及其材料
转子冲片略有误差，见附件dwg文件 bmw-i3-rotor-punching.DWG (114.7 KB, 下载次数: 193)

2017-9-29 14:59 上传

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参数已经备齐，见下表；
1.1 主要结构及其尺寸

电机主要结构及其尺寸
电机基座最大外径	——	气隙长度	0.7
定子铁芯外径	242	定子铁芯内径	180
定子铁芯轴向长度	132
转子铁芯外径	178.6	转子铁芯内径	52(估计值)
转子铁芯轴向长度	132

1.2 定子结构 （72 槽 12 极 单层分布绕组，槽形自己推测的）

定子冲片及槽形结构
Number of Stator  Slots:      72    Outer Diameter of  Stator (mm):       242    Inner Diameter of  Stator (mm):       180       Type of Stator  Slot:      3    Stator Slot                     hs0 (mm):   0.8                hs1 (mm):   0.8                hs2 (mm):   21.3176                bs0 (mm):   1.9                bs1 (mm):   4.03258                bs2 (mm):   5.89407                rs (mm):      0.2       Top Tooth Width  (mm):    3.9619    Bottom Tooth Width  (mm):     3.9619    Skew Width (Number  of Slots):  1       Length of Stator  Core (mm):    132    Stacking Factor of  Stator Core:   0.97    Type of Steel: 30DH
Designed Wedge  Thickness (mm):         0.800004    Slot Insulation  Thickness (mm):      0.3    Layer Insulation  Thickness (mm):   0    End Length  Adjustment (mm):       10    Number of Parallel  Branches:     6    Number of  Conductors per Slot: 9    Type of Coils:       11    Average Coil Pitch:      5    Number of Wires per  Conductor:       12    Wire Diameter  (mm):        0.724    Wire Wrap Thickness  (mm):     0.08    Slot Area (mm^2): 110.861    Net Slot Area  (mm^2): 89.9087    Limited Slot Fill  Factor (%):      80    Stator Slot Fill  Factor (%):  77.6487    Coil Half-Turn  Length (mm):   222.886

1.3 转子结构（12P-双U型）

转子冲片及槽形结构
详见附件CAD文件    PERMANENT MAGNET DATA       Residual Flux Density (Tesla):    1.24    Coercive Force (kA/m):       939.772    Maximum Energy Density  (kJ/m^3):       291.329    Relative Recoil Permeability:      1.05003    Demagnetized Flux Density  (Tesla):  0    Recoil Residual Flux Density  (Tesla): 1.24    Recoil Coercive Force (kA/m):    939.772

补充内容 (2017-10-11 20:40):
备注：采用的是描绘的模型，有坛友方便共享下测绘数据吗？

limengde2001

说明：
好像在哪儿看到说采用的是0.2mm的片，暂时先用0.3的片粗略算下

limengde2001

六、主要电磁性能分析计算
6.1 空载反电势、空载磁密、齿槽转矩、气隙磁密波形（冷态）

BMWI3反线反电势有效值375V，幅值524.4V，约1. 5倍母线电压（353Vmax）。

齿部、轭部磁密为1.23，气隙磁密0.73T。

齿槽转矩极小，仅±0.03Nm（若不斜极也不大，为±3Nm）。

值得注意：

• 磁钢两侧宽槽设计一举两得，对隔磁和减重有很好的作用
• 空间占位优化了气隙磁密
• 但是从冲片的结构分析磁桥局部结构有待优化
• 转子轭部局部已经饱和了，可以大幅减重且不会导致单位电流转矩饱和
  

相信不少前辈拆解见过实物的，请教大家：

1.      转子铁芯分六段斜极，是不是要开3套模具？

2.      看图好像不是单边斜，是不是用了V型斜抵消轴向力？

limengde2001

6.2连续运行及转矩脉动

根据报告推测，该电机可以在5000rpm-75kW连续运行，温升约115-65=50℃。但最高转速时，75kW恐怕难以长期连续运行。

所以不妨以最高车速功率计算50kw不同转速性能（取5000rpm、9000rpm、11400rpm，便于与实验数据对比）。

低速连续工况50kw-5000rpm-95.49Nm运行（约65km/h）

值得注意：

1.      效率不错，不像橡树岭报告中给出的测试值那么低，应该是测试报告有问题；

2.      铁耗应该更小一些，因为冲片材料我按30厚算的。

3.   脉动±2.5Nm

补充内容 (2017-10-11 20:51):
仿真显示该电机不像橡树岭测试报告中效率低，认为是测试有问题，大家怎么看？

BY_CH1

前辈，冲片材料厚度怎么考虑的？

BY_CH1

前辈，算出的反电势小了30V，感觉可能是硅钢片材料不一样，可以帮忙看一下么！

补充内容 (2017-10-3 18:55):
已经找到原因，，，，，

BY_CH1

前辈，冲片材料厚度用叠压系数考虑的么？

zdyulu

期待的杰作!可以学习

limengde2001

BY_CH1 发表于 2017-10-1 10:35
前辈，冲片材料厚度怎么考虑的？

暂时用30DH粗略的算的《》《》《》《》《》《》《》《》《》《》《》《》《》《》

limengde2001

BY_CH1 发表于 2017-10-1 11:08
前辈，算出的反电势小了30V，感觉可能是硅钢片材料不一样，可以帮忙看一下么！

补充内容 (2017-10-3 18:55 ...

是不是导磁性能设置大了导致反电势小？？？？

dayu952080

limengde2001 发表于 2017-9-29 11:08
四、成本重量分析
电机总重42kg，125kW峰值，功率密度2.976，远远超过美国能源部2020目标1.6（丰田、日产 ...

图像显示是人字型斜极。

BY_CH1

limengde2001 发表于 2017-10-9 13:57
暂时用30DH粗略的算的《》《》《》《》《》《》《》《》《》《》《》《》《》《》

找到设置芯片厚度的地方了，谢谢。

BY_CH1

limengde2001 发表于 2017-10-9 13:59
是不是导磁性能设置大了导致反电势小？？？？

是BH curve后面磁密大的部分没有，用外推法拟合了一下，差不多相等了

limengde2001

6.3连续高速运行（ 50kw11400rpm-41.88Nm）仿真结果如下：

一些相关图表如下

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6.4峰值转矩运行
值得注意：
峰值转矩足够，转矩脉动小，达0.79%。（说明：计算值比测试转矩大，可能是由于冲片不是精确模型）
此外，与报告一致，峰值电流时转矩没有饱和，转矩电流曲线是一条直线。

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6.5矢量控制MTPA策略变频运行
转矩转速包络线与报告一致，效率map图的高效区分布也与报告一致，但效率值比报告要高3个点。

母线电压	353	极限相电流	375Arms
峰值转矩	262	峰值功率	135
峰值转速功率	152	转折速度	5130
最高效率	97.5%	80%高效区占比	98.92%eff-area＞80%    98.00%eff-area＞85%

有以下几个特点值得注意：

1.        高速功率基本无衰减；
2.        高效区在高速大功率范围,与报告一致；
3.        最高效率97，不像报告显示的那么低
4.      高效区范围广，达98%以上。

效率map图如下
橡树岭实验室实测效率map图如下

电流超前角扫描如下

limengde2001

七、电感参数计算
电感map图如下

提取出低速时MTPA运行时i3电机的电感，如下：

值得注意：
直到峰值电流，凸极率一致维持在2以上，电流转矩曲线呈现出很完美的线性。

BY_CH1

limengde2001 发表于 2017-9-30 12:06
六、主要电磁性能分析计算
6.1 空载反电势、空载磁密、齿槽转矩、气隙磁密波形（冷态）BMWI3反线反电势有 ...

前辈 back EMF 两张图的那个正弦线代表什么？