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在本周末的巴库站比赛中,哈斯车队再次发现了MGU-K的可靠性问题,上一次出现该可靠性问题仅仅是在三周前澳大利亚站霍肯伯格的赛车上,法拉利动力单元上一次出现该故障是在去年的奥地利大奖赛中,当时赛恩斯不得不因此退赛。
MGU-K是一种永磁同步电机,属于无刷类电机,其中的绕组存在于定子中,而转子是由几个由极性交替的永磁体组成,只有当转子和定子以相同的频率转动时,电机才能发电。而该电机的启动是通过逆变器进行的,逆变器将电池组件中的直流电转变为交流电,并改变振幅和频率参数来使MGU-K的电机转动。
但是,如何产生使转子和电流在定子绕组中旋转的电动势呢?根据法拉第-诺伊曼定律,当导体通过可变磁场时,会产生电动势。在永磁电机中有磁铁产生的磁场,以及作为定子绕组的导体。如果转子相对于定子移动,就好像导体通过一个可变磁场,从而产生电流。事实上,通过电流传播的导体反过来又会产生方向相反的可变磁场,其结果是产生涡流,导致系统的效率下降,以及导体温度的升高。因此在设计MGU-K时,必须考虑温度因素。
在国际汽联颁布的技术规则中,MGU-K的扭矩限制为200牛米,功率为120千瓦,最大转速不能超过50000转/分钟。除此之外,最低重量限制为7公斤。在这些规则基础上,MGU-K制造商必须面临在性能和效率方面获得尽可能最好的发电机,但性能和效率互为悖论。
效率可以通过温度进行测试,电能和热能是两种能量形式,英国物理学家焦耳发现,导线产生的热量与导线本身的电阻和循环电流的平方成正比,在转化为电能的过程中一定会产生热能,它是该过程中的副产品,而且不可避免,车队想要的是将电能尽可能多的转化为机械动能,所以热能损失会影响发电机本身的性能。这就是为什么要控制热量的原因。
除了性能方面,车队不会低估温度过高给发电机带来的其他破坏性影响。在一级方程式中,MGU-K的工作温度很容易达到190到200°C,这与磁铁安装在转子中的位置有关。原则上,被包裹在转子外表面的环氧树脂可以抵消旋转过程中产生的离心力,环氧树脂的机械性能随温度变化很大,由于温度过高,环氧树脂会失去粘合作用,在最坏的情况下,环氧树脂会断裂,另一方面,为了寻求绝对性能,MGU-K的供应商无法制作抗性截面过大的环氧树脂包裹,因为这会增加定子和转子之间的间隙,降低发电机的电转化效率。
不仅如此,不受控制的温度也会对磁铁的磁性产生负面影响。铁磁材料具有取决于温度的磁自旋结构,这些自旋结构被随机排列在超过居里温度时,铁磁材料将失去磁性,比如钕磁铁的居里温度是在300°C到400°C之间,超过这个阈值,发电机将不再起作用。