在轮毂电机上使用稳定磁液的建议

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1、 目标

本研究的重点是描述在BionX PL350和D系列轮毂电机中，稳态铁磁流体在增加散热方面的有效性。对周围环境导热系数的增加使得电机在过热前可以以更高的功率和扭矩水平运行，从而导致更快的爬坡速度和爬坡能力。

在常规使用中，增加导热系数同样可以降低平均温度。这种降低的温度可以潜在地增加内部电机控制器的电气元件的寿命和可靠性。功率mosfet和电解母线电容器都有显著的热降额因素，并可以受益于较冷的环境。

2、 背景

Grin技术一直在试验开发铁质流体配方，以限度地提高热流出电动自行车轮毂电机不增加滚动阻力。2015年7月的前期工作表明，在直驱轮毂电机中，只要5-8mL的热流往往可以使电机核心到壳体的热流增加一倍，而滚动摩擦仅发生微小的变化。当其他研究探索在电机内部使用铁磁流体来改善气隙磁通密度以获得更好的电机磁性时，本研究的重点是发现只存在于热原因下的液体，而不影响电机的磁特性。

从Statorade作为一个产品发布以来，我们已经看到Statorade在许多ebike应用程序中发挥了非常好的作用，在这些应用程序中，人们已经达到了电机的热极限。这包括用于货运自行车和送货车队的轮毂电机，在有许多陡峭山坡的地区，以及人们希望突破给定电机设置的功率限制。截至2018年，Grin为售后市场转换套件(Crystalyte、TDCM、MXUS、Nine Continent和Grin)提供了5条电机生产线，这些产品可预先配置用于注入Statorade的端口。

BionX作为电动自行车直驱轮毂电机系统的，自15年前成立以来，一直是轮毂电机领域的主要市场。BionX电机是直接驱动的超速电机，并且已经在周边用一个压合壳密封好，可以在没有泄漏的情况下进行测量。

趣的是，BionX系统还包括电机外壳内的电机控制器，将其暴露在比外部空气热得多的环境中。这为Statorade的使用增加了额外的潜在好处，因为它应该不仅增加电机在过热前产生的扭矩和功率，而且还应该降低控制器电子设备的工作温度。在较冷的环境下，当驱动到相同的功率水平时，电子器件可以使用更少的热降额和更高的可靠性。

BionX提供了他们的PL350和D系列电机的样品进行热分析。PL350电机是传统的铝外壳结构，在大量使用中容易进入热回滚，而D系列电机直径更大，扭矩更好，使用复合外壳。

3、 电机细节

BionX电机必须打开来拆卸内部电机控制器，在电机绕组上安装一个热敏电阻，钻一个固定的注射端口，并从轴上取出电机相位线，连接到我们的外场定向控制器。左边的PL350电机相对容易拆卸，而右边的“D"系列电机有一个化学粘合的塑料外壳，需要加热和刀片的组合才能将接缝分开

两种电机的基本机电性能总结如下表:

我们预计BionX PL350电机将很好地响应状态，因为它有一个直接的金属路径，能使热量从磁铁流向电机外壳。

Statorade对大型“D"系列电机的有效性就不那么确定了，因为该电机使用的是一种复合外壳，没有直接与磁铁环背面的铁产生热连接。事实上，在磁铁背衬环和电机外壳外部之间有很大的气穴，在每个紧固件位置，外壳都向外膨胀。

4、 测试方法

每个电机的热特性是在一个风洞内进行的，一个轮辋和轮胎直接放在前面，以模拟在ebike上实际使用中电机周围的空气流动。

实验共使用了5个温度传感器。A10K NTC热敏电阻连着里面的铜绕组定子感觉到汽车核心温度,另一个10 k的NTC热敏电阻位于气流风洞测量环境温度,而面向三个红外传感器的电机外壳的各个部分记录了套管温度随着电动机旋转。然后对电机外壳上的这三个红外读数进行平均，以提供用于分析的有效外壳温度。

为了使电机在运行过程中产生热量，采用磁场定向电机控制器，通过绕组注入任意的磁场衰减电流。磁场减弱电流对铜绕组产生I2R加热，其方式与机械负载增加电机电流相同。但是不像一个有机械负载的系统，我们可以假设所有进入电机的电能都变成了热能，因为电机没有产生任何输出功率。这种方法方便了热分析，因为我们不需要测量和减去电机的机械功率来计算轮毂内产生的总热量。

在我们的实验设置中，一台计算机能够控制风洞速度、测试电机转速、电机磁场衰减电流，同时监控进入控制器的功率以及电机核心、外壳和周围通过空气的温度。

然后使用脚本以给定的RPM和风速运行电机，并注入磁场减弱电流，直到电机核心达到目标设定值温度(在这些测试中为60℃)。当温度达到设定值时，一个反馈回路减少并调节电机的功率以保持这个温度。一旦内核和外壳的温度都没有变化，并且保持稳定12分钟，那么程序就假定已经达到了稳态温度，并将这个数据点保存到一个文件中。这些数据包括电机转速、风速、输入功率、相电流、绕组温度、壳体温度和环境温度。在那个阶段，实验继续在下一个电机转速和风速。

下图显示了一个典型运行的数据收集图，从7公里每小时到40公里每小时需要10步。电机功率用红色标出，各种测量温度用绿色标出，风速和电机转速用蓝色标出。稳态数据收集发生在每一步转速和风速之前。

对于数据分析，我们假设电机可以被描述为两个不同的热质量，电机核心和电机外壳。热是产生在电机核心，并必须首先发散到电机外壳。当外壳升温时，它就能将热量散发给周围经过的气流。

这提供了两个导热系数项。个Kcore，从电机核心到电机外壳，我们预计会随着电机转速的变化而变化，而第二个Kshell，我们预计主要会随着风速的变化而变化。一般来说，电机转速和风速与车轮直径有关，虽然在风洞中我们可以单独改变这些。

所得的一阶电导率项很容易从收集到的稳态数据点计算出来:

Kcore = (Pinput – Pcontroller losses)/ (Tcore - Tshell)

Kshell = (Pinput – Pcontroller losses)/ (Tshell - Tambient)

输入功率直接由进入测试电机控制器的电压和电流读数测量，而控制器损耗由已知的基于控制器相电流和接线+ 场效应管电阻的欧姆定律估算。

5、 结论

无添加Statorade的分析：

首先对原装BionX PL350和D型电机进行无磁液测试，以确定电机的基本热特性。

为了进行热特性测试，我们将发动机从70转/分钟运行到450转/分钟，分10步进行，同时将风速从7公里/小时改变到45公里/小时。这10:1的转速比大致上与一个电机系在一个20"的车轮是一致的。

在整个测试过程中，调节电源保持核心温度正好为60摄氏度。在这里，你可以看到测量到的核心与外壳电导率(Kcore)在左边，外壳与环境(Kshell)在右边。

注意，在PL350和D系列马达上，外壳对周围环境的电导率都比核心对外壳的电导率高很多倍。这意味着阻止热量流出电机的主要障碍是将其从电机定子传递到外壳。一旦热量在电机外壳上，它就很容易被转移到周围的空气中。

从核心到周围环境的总电导率将最终决定稳态绕组温度，如图所示

BionX D电机的导热系数大约是PL350轮毂电机的两倍。事实上，以10kph运行的BionX 'D'电机与以45kph运行的PL350电机具有相同的散热能力。这可能是由于电机和转子的表面积要大得多，用于电机外壳内外的对流换热，这大大弥补了复合材料与金属外壳之间导电性的降低。

添加Statorade的PL350分析

同样的试验在BionX PL350上重复，加入10mL Statorade。在这种情况下，我们可以看到核心到外壳的电导率(左图)是超过70到250 rpm跨度的两倍。在300rpm以上，电导率开始有所下降。这可能是一个向心力克服磁力吸引，迫使平衡体向四周移动的点，阻止它在气隙中形成有效的热桥。

从电机外壳到周围空气的导热系数(右图)当然不受Statorade的影响。然而，从核心到周围环境的净导电性仍然显著提高，从低速到300 rpm的传热平均增加80%。Statorade使小型PL350电机与更大的“D"系列轮毂具有几乎相同的散热能力。

PL350的填充量

加到轮毂电机上的Statorade量应足以改善工作速度范围内的导热，但不能过多，以免引起电机阻力明显增加。电机转速越高，需要的Statorade就越多，才能实现足够的热桥。

在接下来的一系列测试中，Statorade以1mL的增量添加到电机中，对于每个填充级别，电机分别以100、200和300 rpm运行，直到达到稳态温度平衡。此外，还测量了电机的空载电流图，以估计由此产生的车轮阻力。

电机以每分钟100转的速度旋转。仅添加3mL Statorade，将核与壳的电导率从 W/K提高到 W/K，而添加超过4mL的Statorade只会逐渐增加电导率曲线，在12mL时达到 W/K。电机的阻力转矩在 Nm左右保持平稳，直到8mL左右，然后在12ml及以上增加到8 Nm。

在较高的200转/分的电机转速下，直到加入7mL液体后才观察到状态的改善。在这一点上，它几乎翻了一番，从 W/K到 W/K，而阻力扭矩基本上在 Nm保持不变。附加Statorade并没有明显改善热流，但在12mL及以上时，其阻力增加到~ Nm。

当电机转速为300 rpm时，大部分的热改善发生在前8mL，但填充高达12mL的水平时，也有额外的好处。

从这些数据，我们可以得出结论，总注入量8-10mL将足以产生超过典型的车轮速度范围的全热马达效益。在正常巡航速度下，这个量不会检测到阻力扭矩的增加，而在低速时，当电机转速在100转/分以下时，阻力扭矩只会有很小的增加。

较低的量仍然有助于在低电机转速下散热，但在高速行驶时不会有那么大的效率。超过10mL的量只会在导热方面有微小的改善，并且会增加粘性阻力，使电机的滚动阻力增加约 Nm。

添加Statorade的BionX D分析

D系列电机的开启和维护方式与PL350轮毂不一样，在对

轮毂进行改造，去掉内部控制器，增加电机核心温度传感器后，对轮毂的关闭和重新密封存在一些挑战。

然而，我们能够重新组装和密封电机，并在电机侧盖上增加了一个透明的酸窗，作为一个观察端口，可以看到内部。

同样，电机测试100,200和300转/分，Statorade以1mL的增量添加，同时测量核心到外壳的电导率和阻力扭矩。

在100 转/分时，加入4mL Statorade可使传导率从 K/W提高到7 K/W，即20%。这比PL350发动机的效果要小得多，但也不是微不足道。在这个较低的100转/分速度下，阻力扭矩确实比我们在PL350中看到的增加得更多，从没有添加Statorade的5 Nm增加到添加12mL后的 Nm。这大概是因为粘性阻力作用的半径更大。

随着电机转速提高到200 转/分，改善热传导的开始需要6mL，直到加入12mL液体才达到的效果。此时电导率从 W/K提高到 W/K，即28%，而阻力转矩的增加较小，从 Nm提高到 Nm。

当马达以300转/分的速度运行时，Statorade的效果就不那么明显了，大部分效果发生在8到12mL之间。那时，电导率从 W/K增加到 W/K，即15%。同时，即使加满16mL，电机阻力也没有明显变化。

我们可以推断，在如此大直径的电机中，当转速为300 rpm时，大部分Statorade被向心力所取代，并没有弥合定子和转子之间的间隙。这就解释了为什么没有增加车轮阻力和减少热效应。

虽然Statorade对BionX D发动机的改进幅度没有PL350那么大，但它在这些测试中仍然具有可测量的效果。

6、 性能的影响

目前的数据表明，随着Statorade的加入，W/K单位的导热系数增加。然而，ebike的顾客更关心诸如“我能爬多陡的山?"，“这个马达能给我多大的动力?"、“这台轮毂电机能在不过热的情况下升到顶部吗?"

通过测量大范围的电机转速和风速下的导热系数，我们可以将这种导热系数作为自行车速度的一般函数来建模。根据第节中电机的电气参数，可以计算出电机在产生一定扭矩时必须耗散的热量。该加热数据与已知转速和风速下的导热系数相结合，可以准确预测实际行驶工况下的稳态电机温度。

BionX PL350电机的工作模型，包括和不包括10mL Statorade已添加到我们的电机模拟器数据库，链接如下:

http:///tools/

该工具显示了在给定工作点连续运行时预测的稳态电机温度。如果温度高于150℃，它还显示了达到这个过热温度所需的时间。

举个例子，假设这台发动机可以用一块36V电池将一辆100公斤重的汽车推上5%的山坡，通过驾驶者提供125瓦的电力。

http:///tools/?bopen=true&motor=MPL350&motor_b=MPL350_SA&cont_b=C25&cont=C25&grade=5&grade_b=5&hp_b=125&hp=125

在这种情况下，电机被要求产生20纳米扭矩，而转速为219转/分。BionX PL350将在27分钟后达到核心温度150℃，如果没有启动热回滚，它将在达到稳定状态之前超过180℃。与此同时，添加Statorade的PL350电机将能够在此负载下无限期运行，电机核心稳定在更舒适的92℃。

作为另一个例子，让我们来确定这个车手在没有PL350发动机过热的情况下可以连续攀登的最陡峭的山峰?为此，我们调整每个系统上的%级滑块，直到最终温度预计略低于150℃。

http:///tools/?bopen=true&motor=MPL350&motor_b=MPL350_SA&cont_b=C25&cont=C25&grade=&grade_b=&hp=125&hp_b=125

我们可以看到，在相同的最终核心温度下，PL350能够承受的坡度为%，而添加了Statorade的电机能够爬升%的坡度。这是一个惊人的70%的持续登山等级的改善，仅仅因为添加10ml Statorade。

另一种量化改进的方法是观察热回滚时电机的连续功率输出和巡航速度。在这个场景中，我们假设骑自行车的人正在爬一个6%的坡度的小山，发出同样125瓦的腿部功率，并且电机控制器已经进入热回滚，以防止电机超过100摄氏度。我们可以通过调整模拟器上的节流阀滑块来确定最终的爬升速度，以找到最终温度为100℃的滑块。

在这种热回滚的情况下，骑着PL350的车手最终将以每小时公里的速度爬坡，而发动机只提供172瓦的推力。与此同时，骑着添加Statorade的自行车的人如果用同样的力气骑车，爬坡的速度会快得多，达到每小时公里，其中发动机的功率超过400瓦。

这不仅是因为电机输出的功率是原来的两倍多，而且由于速度更快，电机效率也会更高，从%提高到72%。在这种情况下，Statorade的净效果是，由于电机同时以更高的扭矩和更高的转速运行，其爬升速度提高了58%，电机的输出功率提高了136%。

这些例子显示了Statorade改善热传导所带来的一些预期的实际性能优势，特别是在具有内置热回滚特性的BionX系统这样的电机环境中。

为了进行更全面的比较，我们在旅行模拟器web应用程序中包含了这些电机模型，该应用程序可以在任意海拔剖面上模拟和绘制整个ebike旅行，而不仅仅是在电机模拟器这样的单一位置。

http:///tools/trip-

我们让读者来比较各种示例行程，看看Statorade在任何一种骑行情况下的量化效果。

7、 结论

BionX PL350和BionX 'D'系列轮毂电机在Statorade条件下的热传导性能均有明显改善，但PL350的热传导效果要比D系列轮毂明显得多。在PL350电机中，填充量为8-10mL时，从电机核心到周围空气的散热效果平均可提高80%，而对电机阻力的影响可以忽略不计。这使得相同的电机可以爬越陡峭的山坡，在进入热回滚之前跑得更长更快，并体验更低的平均内部控制器温度。

在“D"系列电机上，Statorade的改善并不明显，在15-30%的范围内，增加阻力的效果更为显著。这台电动机的导热性能已经比PL350好得多。由于归一化绕组电阻较低，它首先产生的热量较少，因此电机加热和热回滚不太可能是需要解决的问题。添加Statorade只在需要额外好处的更的用例中才合理。

这些测试都是在实验室环境中完成的，电机的内部控制电子元件被剥离。下一步，我们认为BionX应该在添加Statorade和不添加Statorade的情况下对其完整的电机系统进行现场测试，并使用自己的数据测试工具独立记录热回滚过程中内部控制器的温度和功率水平。

这些测试结果应该证实我们预测的改进水平，并为BionX提供手的现场数据来证实这些说法。如果BionX决定在2018年的产品配对声明中与Grin合作，这些数据可以进一步用于营销材料。

为了确认BionX电机产品中Statorade的化学兼容性和长期稳定性，可能需要进行更多的试验。然而，经过三年的现场经验以及Grin公司提供的添加Statorade的发动机我们没有看到任何问题，应该暂停关注。

此外，我们最近刚刚完成了Statorade上的蒸发测试，以确定磁流体最终是否会失效并需要补充。我们有一个Statorade电机，现在已经运行超过500小时，120℃，400rpm，没有任何明显的热性能下降。我们对这个产品的寿命很有信心。

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