面向中央驱动的"双转子"径向磁通电机？一种低成本、高效的解决方案

- 关于2024 USA CTI，DeepDrive GmbH解决方案的解析

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导语：DeepDrive公司在刚刚过去的USA CTI研讨会上公布了他们最新开发的电动车驱动单元：CSD450和CSD700。其中，CSD450可提供230kW的输出功率和430Nm的电机扭矩，适配C级以下的前/后轮驱动的主流电动车型，以及高端版的全轮驱动的主驱单元；CSD700可提供高达350kW的输出功率和高达5400Nm的轮端扭矩，适配D级高端车型的主驱动和全驱配置。

然而，夺人眼球的并非仅限于此。与DeepDrive以往的轮毂电机驱动单元不同，这套系统主要在中央驱动中应用，并且采用了双转子径向磁通电机+SiC逆变器的组合方案，与现有的电动车动力系统相比，减少了80%的铁用量和50%的磁性材料用量，这为整车带来高效化的同时，显著降低了电驱、电池等组件的成本，吸引了众多OEMs的重视。那么：

1）CES系统究竟长什么样子？为什么要在中央驱动中使用TA？有什么好处？

2）这套系统的关键性能参数是什么？在应用领域带来了何种优势？为什么会引起OEMs的重视？

3）CES的冷却和润滑概念是如何在实现系统最佳运行的前提下，确保了寿命和性能？

带着这些问题，我们来一窥究竟！全文分以下几部分：

1. CSD驱动系统长什么样子？

• 1.1 "双转子"径向磁通电机
  

• 1.2  DeepDrive的解决办法：定子

2. 这一解决方案，有什么样的优势？

• 2.1 优势：系统性能

3. 混合式三电平逆变器的解决方案

4. 结论

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01

CSD驱动系统长什么样子？

1.1 "双转子"径向磁通电机

DeepDrive提出了一种双转子径向磁通电机。这种电机具有两个转子，并且其磁场是径向流动的，即磁力线从电机中心向外或向内辐射，有助于提高电机的效率和性能。

-> 什么是"双转子"磁通电机?

双转子电机的基本概念：用一个第二转子来代替定子背铁(轭部)，这样做可以使得空气间隙区域加倍，并为磁铁提供更多的空间，从而提高电机的性能。

图片来源：2024 USA CTI DeepDrive

-> 有什么样的优势？

1. 更高的扭矩输出：在相同的电流下，这种电机能产生更大的扭矩。

2. 定子轭部无铁损

解释下：定子轭部通常是由铁制成的，而铁损是由于电流在铁中流动时产生的热量损失，由于用第二转子代替定子轭部，进而降低了铁损，这会提升系统在高速等工况下的效率表现。

-> "双转子"面临怎样的挑战？

主要有两个挑战：

1. 从定子到机壳的扭矩传递

解释下，在双转子电机中，扭矩需要从定子有效地传递到整个机壳或外壳，这个过程中不仅要避免可能的能量损失或结构损坏，还要确保确保扭矩传递的效率和稳定性，这会对最终系统的扭矩精度、NVH、效率都会产生影响。

2. 绕组的冷却

电机在工作时会产生热量，特别是绕组部分，这是电流通过导线时产生的。对于双转子电机来说，如何有效地冷却绕组，防止其过热并维持其正常工作温度，也是一个问题。

面对这些挑战，DeepDrive怎么做的呢？下面我们来聊聊。

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1.2  DeepDrive的解决办法：定子

下面这张图介绍了DeepDrive面对双转子电机挑战，在定子端的解决方案。

图片来源：2024 USA CTI DeepDrive

我们详细解释下：

-> "倾斜"的绕组拓扑

DeepDrive在定子部分采用反向倾斜的绕组拓扑结构，有助于优化电流分布和提高电机的性能。具体而言，涉及以下方面：

• Laser welded in both sides：绕组端部采用了激光焊接技术，确保连接牢固，提高整体结构的稳定性；

• High torsional stiffness：这种拓扑结构具有很高的扭转刚度，电机在受到扭转力时不易变形，能够保持稳定的性能；

• Distributed wave winding：采用分布式波形绕线工艺，这种设计有助于均匀分布电流，提高效率和可靠性。

-> "倾斜"的定子叠片

电机定子叠片同样采用了反向倾斜的设计，具体而言，涉及以下方面：

• Single slot per conductor：每个槽只有一个槽位，有助于电流的均布；

• Separated inner + outer ring：内圈和外圈是分开的，这种设计可能有助于散热和减少热量积聚，提高电机的耐用性。

• Made from stamped segments：定子叠片采用冲压成型，不仅可以提高生产效率，同时保证了部件的精度和一致性。
  

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02

这一解决方案，有什么样的优势？

2.1 优势：系统性能

通过仿真，主要有以下几方面的优势：

-> 扭矩和功率

• 在保持电机尺寸和磁铁质量不变的情况下，DeepDrive的CSD驱动电机的扭矩提高了30%；

• 电机在整个速度范围内都能保持较高的输出功率。

->WLTC能耗

• 由于没有定子轭部，在WLTP循环中，铁损减少了约30%；同时，在相同的扭矩输出下，也会更低。

-> NVH方面

1. 在整个工作范围内，驱动系统的扭矩波动非常小，不超过0.5%；同时也没有严重的径向力产生。这确保了系统在运行时的低噪音、低振动，以及稳定的扭矩输

DeepDrive CSD驱动系统的转矩纹波

图片来源：2024 USA CTI DeepDrive

-> AC损耗

• 由于在定转子结构上的独立性，使相邻的导线之间不会产生相互干扰，这有助于保持电流的稳定传输，从而不会导致过多的交流损失，提高电流的传输效率。

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混合式三电平逆变器的解决方案

看完了电机系统，下面我们聊聊DeepDrive在逆变器上的解决思路。如下图所示，是CSD的三电平逆变器驱动端的拓扑结构：

图片来源：2024 USA CTI DeepDrive

这里解释下：

-> 为什么要做三电平的拓扑?

一个最主要的原因是：实心的转子和磁铁表贴式的安装结构，对PWM引起的涡流很敏感，影响电机的效率。

-> 三电平拓扑

为了解决上面这个问题，DeepDrive提出了一种混合型三电平逆变器，这一点我们在对hofer的方案解读中也提到过类似的概念，详见下文：

• hofer的秘密武器：800V三电平拓扑GaN逆变器
  

这种解决方案可以使中点开关的电流额定值比较小，这有助于降低成本和提高效率。但是，与hofer解决方案不同的是，DeepDrive提到在实际工作中，逆变器可以根据电流的大小调整其工作模式：当在低电流时选择3L运行、在高电流时选择2L操作。

图片来源：2024 USA CTI DeepDrive

-> 带来的好处

• 减少超过75%的PWM引起的损失；
• 有了三电平的加入，逆变器可以在多种工作条件下高效运行；
• 三电平运行下，逆变器效率超过99.4%
• 减少电磁干扰和轴承电流，提高了系统的稳定性和可靠性

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04 结论

DeepDrive在2024 USA CTI上主要介绍了他们最新的电驱动单元的关键特征和参数，并重点对新型的双转子径向磁通拓扑结构及相关技术做了解释，主要阐述了以下观点：

• 效率仍然是电动驱动单元发展的主要驱动力；
• 双转子径向磁通拓扑结构实现了高效率与低材料的双重结合；
• 双转子轮毂电机或中央驱动电机，具备一种高效的系统解决方案，可将车辆续航里程提高多达20%以上；
• 不同类型的减速器构型能够轻松集成到紧凑的车辆设计空间中；
• 上述技术方案在台架上得以验证。

以上，为DeepDrive在2024 USA CTI上关于<Dual-Rotor, Radial-Flux ElectricMachines for Low-Cost andHighly Efficient Drive Units>的报告解析。

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