简析如何提高电机的功率密度？

导读：国外如大众、沃尔沃、克莱斯勒等驱动电机最高转速不断提升，最高达到14k~16krpm；从绕组结构上看，发卡式绕组/扁导线绕组（通用、丰田、本田、戴姆勒等）成为明确的技术方向之一，电机功率密度均达到3.8~4.5kW/L以上；无/低重稀土材料已经开始应用。

▲中克骆瑞

在高密度电机控制器方面，芯片双面焊接和系统级封装是当前国外电机控制器主流封装形式，如电装、Bosch、 大陆等集成控制器功率密度已达到16~25kW/L；在双电机插电式混动和高功率乘用车应用领域，直流电压呈现提升的趋势（从250~450V提升至500~700V）。

“十三五”电驱动系统技术指标与技术进展，电机发展目标：功率密度4.0kW/kg，转矩密度20Nm/kg，保持国际先进。

▲中克骆瑞

目前，功率密度已然成为设计电机中的一个非常重要的指标。高功率密度电机因其体积小、重量轻、效率高等特点越来越受到研究人员和生产厂家的关注。

现提出如下几种提高电机功率密度的途径和方法，与大家共同探讨：

一、电磁设计优化

1.1 磁性材料的选择

高功率密度电机的供电频率在一般情况下可以达到上千赫兹，开关频率的上升会导致铁心损耗也会飞快的上升，铁心耗能占高速电机总体会变得上升。

电机铁耗与频率有以下关系:

• Ph、Pe：磁滞损耗和涡流损耗；

• Kh、ke：磁损耗和涡流损耗系数，与铁心材料和厚度有关；

• Bm：磁通密度峰值；

• f：电机供电频率。

从上式可知，下降铁耗的方法有：

1）减小铁心中的磁感应强度大小；

2）用高导磁低损耗的铁心。

分别采用用0.35mm的硅钢片DW270和0.2mm电工钢片时，电机铁耗的相关数据如下：

厚度/mm       磁滞系数       涡流系数       铁耗/kW

0.35                179              0.403           4.146

0.20                139              0.175           2.532

由上表可见超薄型的电工钢片磁滞消耗和涡流消耗均较低，可以很好的下降机电铁耗。

1.2 定子导线的选择

若想削减定子铜耗，电机必须要应用导电率高的导线，如银铜合金等。在电动汽车用高功率密度驱动电机里，经由控制器或变频器（逆变器）供电，在电机线圈中可以利用变频电磁线提升电机的绝缘能力，避免出现电晕现象。

1.3 异步电机转子笼型材料的选择

笼型异步电机转子采用铸铝或采纳铜导条。铜导条的效率高、电阻小，但起动后转动起来的转矩也较小；铝导条的电阻大、效率偏低，但在转起来时有较高的起动转矩。在选择转子笼型材料时，应当首要考虑电阻对电机性能的影响。

我们使用特斯拉车上所应用的异步电机为模型，比较电机在三种不同材料的导条下的性能输出。

图1给出的转矩-转速曲线是在三种材料下电机的状态图，因为电阻对电机的影响，可以看出采取黄铜导条的笼型电机的起动转矩最高，采取紫铜导条的笼型电机的起动转矩最低；最大转矩相差不多。

表2给出了三种笼型材料电机的性能参数对比：

由表2可知，采取紫铜导条的电机起动转矩较小，效率较高；因为最大转矩与转子电阻无关，是以三种笼型材料电机输出的最大转矩相称。因为电动汽车是使用变频器供电驱动电机的，电机转子素材首先用黄铜和紫铜，黄铜材料来说，具有较低的系数阻力。通过实验，可以得出结论，在电机中使用铜是最佳选择。

1.4 永磁同步电机永磁体的选择

以高功率密度永磁同步为例，永磁体材料分别为钕铁硼和钐钻永磁体时，电机相关的性能参数见下表：

与钕铁硼相比，钐钻永磁体的最大磁能积偏低，磁性能稍差，使得钐钴永磁体电机的气隙磁通密度较低，铁耗较小，电机定子电流较大，铜耗较高。

二者的效率基本相同，但钐钻永磁体的功率因数和最大转矩倍数比钕铁硼电机低，但钕铁耐温性较差，温度高易退磁，当永磁电机以7000r/min速度持续两个小时时，电机永磁体产生部分退磁。

钐钻永磁体电机固然性能稍差，但其耐温性较好，最高工作温度可达250~350℃。因此，与钕铁永磁体相比，钐钻永磁体更适合工作在高温场景中。

永磁体无论是镶嵌在转子轴旁边或者体内，在电机转速特别快的时候，转子就会受到很强的离心力，所以永磁材料的机械结构性能也需要考虑，由于我们希望永磁体可以扛住相当大的离心力来完成任务，所以在一些特定情况或者飞速旋转不停歇的时候我们也尽可能地避免使用表贴式转子结构，相反，我们选择内嵌式结构。

在转速不高的场合时永磁体可采取表贴式，但应采纳必须的保护措施，如在永磁体表面加高强度非导磁保护套，永磁体与护套间采取过盈配合，或采取碳纤维捆扎永磁体。不过，碳纤维易燃，并且难控制温度，不是优质导体，不宜控制温度。

二、高速化

电机转子的高速化是进一步提升电机功率密度一个很主要的方向。在转速提高的同时，电机供电频率会很高，使得电机铁耗、杂散损耗较大。

与此同时，对于正在进行高速旋转的转子来说，它要承受非常大的离心力，这就要求其有很强的机械强度。

2.1 高频率

电机铁心中的频率与电机的转速成正比，电机高速时，铁心中的磁通交变频率很大，电机铁耗很大。而且随着频率的逐步增加，也会增大高频附加消耗，尤其是转子因为风磨消耗和轴承消耗在其高速旋转下很是明显。

可见，供电的频率的提升使得高功率密度电机具有较高的铁耗和高频附加耗损。另外，因为高速高频电机常采取变频器或控制器供电，谐波含量比传统电机要高很多，所以在设计电机时应当考虑到高次谐波对电机的影响。

2.2 高速转子设计

高速电机的转速要比普通电机的转速快几倍到十几倍，在旋转过程中，必然产生比普通电动机高得多的离心力，这将使得转子材料承受很大的切向应力。

当线速度到达到250m/s以上时，普通的转子难以承受高速扭转发生的离心力，因此，必须采取特别的高强度叠片或对转子施加必须保护措施。

三、集成化

通过将驱动电机、逆变器，减速器三个部件一体化、集成化，可以实现轻量化、高效、小型化，同时降低成本，在一定程度上解放空间、利于整车布置。

电驱动系统的集成化设计不仅可以实现驱动系统的小型化和轻量化以降低成本，还可以提高效率：如果将驱动电机与逆变器集成一体，逆变器配置在驱动电机旁，连接电机与逆变器的线束就可以缩短或者置换，由此，不仅减小了机构的尺寸和重量，还降低了线束产生的能量损耗。

再如，将驱动电机与减速箱集成为一体，减速器齿轮的润滑油和电机的冷却油就可以共用，精简了冷却机构，可以实现小型化。

▲华为七合一

甚至还可以将OBC、DCDC、PDU等部件集成到一起，形成“七合一”甚至“八合一”。

四、提高散热能力

4.1 定子绕组处理工艺

由于高功率密度电机体积较小、电磁负荷高、单位体积的损耗大，电机产生的热量很多，这些热量须及时有效地散发出去，以保证电机的可靠运行。

电机绕组产生的热量是电机热源的主要组成部分，定子绕组产生的热量可由三条途径散发：

• 从绕组端部表面传给空气；

• 从通风道中绕组表面传给空气；

• 先传给铁心,再由铁心传给空气。

由于绕组端部散热能力较差、散出去的热量较少，使得绕组端部温度通常很高，为改善这一问题，在定子绕组端部采用灌封工艺，即采用导热性能良好的导热胶将端部热量通过机壳有效的散出。

导热胶可采用耐高温的环氧灌封胶或有机硅型灌封胶，电机端部与空气间的热阻为

• αE--等效端部散热系数；

• SC--绕组端部传热表面积；

• Nu--努赛尔特准则数；

• λ--绕组端部的导热系数；

• de--端部等效直径。

由上式可知，电机端部的热阻与端部导热系数成反比例关系，导热系数越高，使得电机端部热阻越小，电机端部散热本领越强，温升就越低。

未采纳灌封工艺时，端部的导热系数为空气的导热系数，约为0；若采纳灌封工艺处置理，电机端部的散热能力能得到很好的改普，若采用性能更好的环氧灌封胶，其导热系数可达到1.2WA(m32K)，将会更好地改善电机绕组散热问题，降低电机端部温升。

4.2高功率密度电机冷却方式

汽车驱动电机体积小、功率密度高、散热差，单位体积损耗产生的热量是非常高的，这导致了严重的问题。温度的升高导致可靠性与寿命的降低，所以提高冷却系统散热能力、降低电机温度升高是解决问题的关键。

目前微型汽车电动机的冷却系统中，通常采用空气作为冷却介质，冷却空气具有类型的多样性，如冷却风扇、空调、制冷及通风管和风机。

4.2.1采用空冷方式的高功率密度电机

因为电动汽车用高功率密度电机调速范围较宽，若采取风扇冷却，在低速时冷却风量较小，容易造成低速时电机温升较高，所以需要对变频调速电机采取强制风冷。

4.2.2采用水冷方式的高功率密度电机

电动汽车用高功率密度电机也可采用水冷方式冷却。水冷的原理是经由过程冷却布局中的水将电机的热量带到外部的散热器，然后经由过程风冷将散热器里的热量散到周围环境中，电机水冷体系的种类有很多种。

从布局方面来讲，经常使用的有：机壳冷却和端盖冷却布局、机壳和端盖组合的冷却布局和机壳、端盖与轴三者组合的水冷布局。其中，机壳水冷方式具备生产工艺简单、制造成本低的优势。

机壳水冷结构按照冷却水在电机机壳内的流向可以分为轴向水套、螺旋布局和多并联布局。其中轴向水套布局冷却水与水套接触面积大，冷却结果较好。考虑到电动汽车用驱动电机的长径比力小，不会发生很大的轴向温差，所以轴向水道更适合车用高功率密度电机。

4.2.3两种冷却方式的比较

相比来说，水冷电机有一套自己的冷却系统，在高温的工作环境下可以长期平稳的运行，冷却效果好，但是由于循环水泵和热交换器的安装，使得它价格昂贵，制作麻烦。

而风冷有着更好的环境适应性，价格低廉、制作简单，在微型车上可以达到很好的冷却效果。

五、电机本体轻量化设计

为减轻电动汽车用电机的重量，提高电机的功率密度，在电机设计时，电机的机壳采用比重较轻的铝壳，同时，为减轻转子的重量，一方面采用空心轴承代替实心轴；另一方面，在磁路允许的情况下，采用转子铁心去重，即以转子铁心开孔的方式降低重量。

德国弗劳恩霍夫化学技术研究所（ICT）和卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）最近试验用塑料替代电机的金属外壳以降低电动车重量。

新的电机为了解决动能转化时产生的10%热量对塑料外壳的影响，而在定子周围采用了矩形散热导管来实现更高效的散热，同时也在转子上采用类似的散热设计，从而实现将这部分热量的80%带走，保证电机在工作中不至于产生过高的温度影响塑料外壳的强度。

如果塑料电机试验成功，那么不仅能够节省电机制造成本，提升生产效率，还能够为电动车减轻重量，一举多得。