铸铜转子电动机与电动汽车

铸铜转子电动机与电动汽车

近年来，由于汽车的迅速发展带来的世界范围内资源、环境问题日益突出，各国都加紧实施电动车的研发计划。混合动力汽车和电动汽车成为研发的新热点。电机驱动系统是电动汽车的核心部件，在电动汽车中，它是唯一的驱动部件; 在混合动力汽车中，它是实现各种工作模式的关键，直接影响油耗指标和排放指标。目前，电动汽车的电动机驱动系统主要有感应电机，永磁同步电机和开关磁阻电机等几种。其中感应电动机在运行稳定性，可靠性，维修性，高速运转能力，控制性等方面具有比较明显的优势。但是传统的感性电动机的效率不高，难以达到电动汽车的应用要求。由于铜所具有的优异的导电性，使用铸铜转子替代传统的铸铝转子可以明显的提高电动机的效率，从而有力的促进了铸铜转子电动机在混合动力汽车以及电动汽车方面的应用。目前铸铜转子电动机在国内外得到了许多的应用，以下就是一些应用范例：

1.铸铜转子电动机帮助打破电动汽车地面行驶速度的世界记录

俄亥俄州立大学（Ohio State University）的一个学生团队2004年10月在犹他州的Bonneville Salt Flats打破了电动汽车地面行驶速度的世界记录，他们的设计得到了一系列软件的支持。名为Buckeye Bullet的汽车最大速度达314mph。该校三年级机械工程专业的学生Isaac Harper 称：“我们的单向记录速度为321mph，比法国TGV火车的最新记录还要快。”俄亥俄州立大学的学生团队在项目周期内大概有30个人，该团队使用SolidWorks软件进行他们的CAD 工作，使用COSMOSXpress进行有限元分析，使用Fluent进行CFD分析，用HyperMesh 进行前期处理，还使用了MSC.ADAMS以及MA TLAB Simulink等软件。

设计的关键是电动机，该电机由Shoemaker Industrial Solutions公司为该项目专门设计。这个500马力的电机重300～400磅，直径15.5英尺，长18英寸。定制的铜转子使该电机的效率提高了20%。俄亥俄州立大学的团队和Shoemaker公司的工程师们一起进行了设计。Harper称，除了电机，电池的封装、变流器、减震器以及传动系统也是很重要的。在对前一设计方案进行试验后，学生团队把24英寸长的汽车的重心进行了前移，增加了高速行驶时的稳定性。他们改进了电池部分的设计，以减轻车重。Harper称，他不能泄漏很多电池部分的设计细节，但是他说团队最初使用了10,000个C-cell电池。制冷系统是设计的另一个难点，“我们尝试在两侧使用管道进行降温，但是效果不佳，因此我们采用了强制降温的方法，用空冷风扇直接从顶部向下吹空气。”

2.世界加速最快效率最高的电动车使用铜转子电动机

只有电动车才能以如此经济的成本实现0～96km 4.1秒的加速性能！tZero采用了一台200马力的交流铜转子马达，它能在0～5000rpm内输出244Nm的转矩，在6000～10000rpm内输出200马力。该车配备了一个100A的电源和IGBT的逆变器，以及一个内置的充电器，使用120V或240V交流电进行充电，充电时间约1小时。Optima公司的“Y ellow-Top”电池是tZero的能量来源，该电池容量为50Ah能进行3C放电，放电电流高达150A。tZero 共配有由28个电芯组成的电池模组，安装在底盘上。这种电池并非实验样品，而是已经工业化生产的正式商品。该电池替换成本较低，而且可以对模组中的任何一颗电池进行单独更换。电池的使用寿命是三年，或者24000至32000公里行驶里程，更新整个电池模组的费用目前是3000美元（来自Optima公司的报价）。

tZero的价格不菲，基本上与保时捷和法拉利这个档次的车平起平坐，不是一般人所能拥有的。

电动车以其环保、低噪声、动力性能好等优点，将逐渐成为未来的主流交通工具，随着科技的进步和市场需求量的增大，相信电动汽车终会走入寻常人家。

使用铸铜转子的电动机可以帮助普通感应式电动机有效降低电动机的转子损耗，从而帮助提高电动机的效率，在电动机损耗降低的同时，由于转化为热能的能量减少，从而使得转子以及定子线圈温度降低。较低的温度就意味着可以使用较小的风扇甚至不使用风扇，这将会减少附加零件的摩擦损失以及空气阻力的损失，从而进一步提高电动机的效率。同时，由于电动机的工作温度的降低，将大大延长电动机的寿命和降低维修费用。按照一般规律，电动机的温度每降低10摄氏度，绝缘材料的寿命就增加一倍。在正常维修的情况下，铸铜转子的电动机具有更久的使用寿命以及更高的使用可靠性。

由于铜的低电阻率，相同感应电压下转子中的电流要大于铸铝转子，因此可以使用较少的材料来制造相同功率和效率的电动机。正是由于所用材料的减少，使得铸铜转子电动机在功率和效率相同的情况下，比传统电动机具有更低的材料成本，较小的重量以及更小的体积。同时，由于铸铜转子电动机所具有的以上优点，为电动机的设计以及制造厂商提供了更大、更灵活的设计空间——既可以追求高效率，也可以追求低成本、小体积、低重量，或者在几者之间进行平衡, 同时也为使得铸铜转子电动机成为电动汽车领域驱动电动机的最佳选择之一。

虽然铸铜转子具有很多优点，但由于铸铜转子生产的困难性，使得目前电动机广泛使用的仍然是铸铝转子。铸铜转子生产的难点是：铜的纯度以及很高的压铸温度。铜压铸的浇注温度在1100摄氏度左右，而铝压铸的浇注温度仅为700摄氏度左右。这样高的浇注温度对于模具以及压铸机的压室都是很大的考验。这也成为了目前影响铸铜转子广泛应用的主要障碍。近年来国际铜业协会在美国能源部的支持下，进行了铜压铸工艺的研究。在中国，通过和云南铜业压铸科技有限公司以及南阳防爆集团的合作，目前已解决高温模具的材料以及相关的压铸工艺问题，从而使得经济的大批量生产铸铜转子成为了可能。

国际铜业协会目前正在积极同国内外主要整车和驱动设备生产厂商合作，开展铸铜转子电动机在电动汽车应用领域的相关研究工作，目前已经完成了部分样机的试制工作，初步测试结果表明，铸铜转子电动机的功率密度和效率非常接近永磁电动机，但是在可靠性和成本方面要大大优于永磁电动机。