具有30k RPM电机和高度集成环形逆变器的高功率密度电驱动单元（EDU）

AAM 是全球领先的传动系统供应商，专注于设计、工程和制造汽车动力系统及技术，支持纯电动、混合动力和内燃机车辆。报告重点介绍了 AAM 的高速电机技术及其在电驱动系统中的应用。

电动驱动趋势

• 电机转速不断提高，系统集成度增强。
• 高速电机带来的优势：
  • 功率密度提升：在相同功率下，高速电机可实现更低的扭矩，从而减小电机体积和重量，降低成本。
  • AAM 的高速电机显著减小了 EDU（电动驱动单元）的尺寸、质量和成本。

高速电机面临的挑战

• 主要障碍：重型稀土（HRE）材料的使用。
• AAM 的解决方案：无稀土感应电机项目，部分由美国能源部（DOE）合作资助。

AAM 30kRPM 高速 EDU

• 电机规格：
  • 224kW 感应电机，铜转子，最高转速 30kRPM。
  • 双轴结构，23:1 减速齿轮，SiC 绝缘环逆变器（650Vdc）。
  • 电机和逆变器体积：9.07 升，功率密度：24.7 kW/L。
• 电机设计：
  • 基于 Tesla Model 3 进行仿真，根据车辆性能（前后轴）设计高速电机规格。
  • 优化电机设计，选定最佳方案。
• 电机结构：
  • 封装式定子设计：集成散热鳍片，封装相端子和密封表面，提高冷却效率。
  • 烧结式 MOSFET 散热器组件，TO-247 封装。
• 齿轮箱设计：
  • 复合螺旋齿轮，总减速比 23:1，180° 齿轮位置抵消转子轴轴向载荷。
  • 低成本高速轴承设计。

测试结果

• 电机单独测试：
  • 在高速测功机上进行测试，最高转速 30kRPM（无负载），15kRPM（负载）。
  • 峰值扭矩：200.6 Nm，峰值功率：223.4 kW，峰值效率：95.35%。
• 完整 EDU 测试：
  • DOE EDU 峰值测试结果：最高转速 0-30kRPM，峰值轴扭矩 4265 Nm，峰值功率 194 kW，系统效率 91.4%。
  • 提供了轴扭矩输出和功率输出图。

项目总结

• 主要成果：
  • 开发了高功率密度 EDU，获得 DOE 资助。
  • 高效感应电机，支持 30kRPM 运行。
  • 封装式定子设计，烧结式 MOSFET 散热器组件。
  • 高集成度环形逆变器，低电感母线。
  • 双轴齿轮箱，抵消转子轴载荷。
  • 测试结果与电机仿真预期一致，具备可量产计划。
• 下一步计划：
  • 新 40kRPM 感应电机设计。
  • 新 39.6:1 双轴齿轮箱。
  • 新 800A、800V 环形逆变器。
  • 预计功率密度达到 60 kW/L。