High-speed oil-cooled PMSM with novel permanent magnet shape and carbon fiber sleeved rotor for high-performance powertrain

Abstract

For high-performance vehicles with a single-speed gearbox, maximizing the gravimetric peak power and peak torque density combined with a high maximum speed is the decisive design goal of the electric machine. A low vehicle mass leads to a high vehicle acceleration, while a high maximum rotational speed leads to a high top speed. Therefore, this work presents the design and optimization of a high-speed, oil-cooled permanent magnet synchronous machine with a novel circular sector-like permanent magnet shape and a carbon fiber sleeved rotor in combination with cobalt iron laminations. The result is a gravimetric peak power density of 50.9 kW/kg, a gravimetric peak torque density of 30.8 Nm/kg, and a maximum rotational speed of 30000 rpm. The use of two of these electric machines on one drive axle leads to a gravimetric peak axle power density of 12.1 kW/kg and a gravimetric peak axle torque density of 72.1 Nm/kg at system level, including electric machines, gearboxes and inverters.

Für Hochleistungsfahrzeuge mit einem einstufigen Getriebe ist die Maximierung der gravimetrischen Spitzenleistungs- und Spitzendrehmomentdichte kombiniert mit einer hohen maximalen Drehzahl ein entscheidendes Auslegungsziel der elektrischen Maschine. Eine niedrige Fahrzeugmasse führt hierbei zu einer hohen Fahrzeugbeschleunigung, während eine hohe maximale Drehzahl zu einer hohen Fahrzeugendgeschwindigkeit führt. Daher wird in dieser Arbeit die Auslegung und Optimierung einer hochdrehenden, ölgekühlten Permanentmagnet-Synchronmaschine mit einer neuartigen sektorförmigen Permanentmagnetform und einem kohlefaserummantelten Rotor in Kombination mit Kobalt-Eisen-Materialien vorgestellt. Als Ergebnis wird eine gravimetrische Spitzenleistungsdichte von 50,9 kW/kg, eine gravimetrische Spitzendrehmomentdichte von 30,8 Nm/kg sowie eine maximale Drehzahl von 30.000 U/min erreicht. Der Einsatz von zwei dieser elektrischen Maschinen an einer Antriebsachse führt auf Systemebene, einschließlich elektrischer Maschinen, Getrieben und Umrichtern, zu einer gravimetrischen Achsleistungsdichte von 12,1 kW/kg sowie einer gravimetrischen Achsdrehmomentdichte von 72,1 Nm/kg.