簡析如何提高電機的功率密度？

導讀：國外如大眾、沃爾沃、克萊斯勒等驅動電機最高轉速不斷提升，最高達到14k~16krpm；從繞組結構上看，發卡式繞組/扁導線繞組（通用、豐田、本田、戴姆勒等）成為明確的技術方向之一，電機功率密度均達到3.8~4.5kW/L以上；無/低重稀土材料已經開始應用。

▲中克駱瑞

在高密度電機控制器方面，芯片雙面焊接和系統級封裝是當前國外電機控制器主流封裝形式，如電裝、Bosch、 大陸等集成控制器功率密度已達到16~25kW/L；在雙電機插電式混動和高功率乘用車應用領域，直流電壓呈現提升的趨勢（從250~450V提升至500~700V）。

“十三五”電驅動系統技術指標與技術進展，電機發展目標：功率密度4.0kW/kg，轉矩密度20Nm/kg，保持國際先進。

▲中克駱瑞

目前，功率密度已然成為設計電機中的一個非常重要的指標。高功率密度電機因其體積小、重量輕、效率高等特點越來越受到研究人員和生產廠家的關注。

現提出如下幾種提高電機功率密度的途徑和方法，與大家共同探討：

一、電磁設計優化

1.1 磁性材料的選擇

高功率密度電機的供電頻率在一般情況下可以達到上千赫茲，開關頻率的上升會導致鐵心損耗也會飛快的上升，鐵心耗能占高速電機總體會變得上升。

電機鐵耗與頻率有以下關系:

• Ph、Pe：磁滯損耗和渦流損耗；

• Kh、ke：磁損耗和渦流損耗系數，與鐵心材料和厚度有關；

• Bm：磁通密度峰值；

• f：電機供電頻率。

從上式可知，下降鐵耗的方法有：

1）減小鐵心中的磁感應強度大小；

2）用高導磁低損耗的鐵心。

分別采用用0.35mm的硅鋼片DW270和0.2mm電工鋼片時，電機鐵耗的相關數據如下：

厚度/mm       磁滯系數       渦流系數       鐵耗/kW

0.35                179              0.403           4.146

0.20                139              0.175           2.532

由上表可見超薄型的電工鋼片磁滯消耗和渦流消耗均較低，可以很好的下降機電鐵耗。

1.2 定子導線的選擇

若想削減定子銅耗，電機必須要應用導電率高的導線，如銀銅合金等。在電動汽車用高功率密度驅動電機里，經由控制器或變頻器（逆變器）供電，在電機線圈中可以利用變頻電磁線提升電機的絕緣能力，避免出現電暈現象。

1.3 異步電機轉子籠型材料的選擇

籠型異步電機轉子采用鑄鋁或采納銅導條。銅導條的效率高、電阻小，但起動后轉動起來的轉矩也較小；鋁導條的電阻大、效率偏低，但在轉起來時有較高的起動轉矩。在選擇轉子籠型材料時，應當首要考慮電阻對電機性能的影響。

我們使用特斯拉車上所應用的異步電機為模型，比較電機在三種不同材料的導條下的性能輸出。

圖1給出的轉矩-轉速曲線是在三種材料下電機的狀態圖，因為電阻對電機的影響，可以看出采取黃銅導條的籠型電機的起動轉矩最高，采取紫銅導條的籠型電機的起動轉矩最低；最大轉矩相差不多。

表2給出了三種籠型材料電機的性能參數對比：

由表2可知，采取紫銅導條的電機起動轉矩較小，效率較高；因為最大轉矩與轉子電阻無關，是以三種籠型材料電機輸出的最大轉矩相稱。因為電動汽車是使用變頻器供電驅動電機的，電機轉子素材首先用黃銅和紫銅，黃銅材料來說，具有較低的系數阻力。通過實驗，可以得出結論，在電機中使用銅是最佳選擇。

1.4 永磁同步電機永磁體的選擇

以高功率密度永磁同步為例，永磁體材料分別為釹鐵硼和釤鉆永磁體時，電機相關的性能參數見下表：

與釹鐵硼相比，釤鉆永磁體的最大磁能積偏低，磁性能稍差，使得釤鈷永磁體電機的氣隙磁通密度較低，鐵耗較小，電機定子電流較大，銅耗較高。

二者的效率基本相同，但釤鉆永磁體的功率因數和最大轉矩倍數比釹鐵硼電機低，但釹鐵耐溫性較差，溫度高易退磁，當永磁電機以7000r/min速度持續兩個小時時，電機永磁體產生部分退磁。

釤鉆永磁體電機固然性能稍差，但其耐溫性較好，最高工作溫度可達250~350℃。因此，與釹鐵永磁體相比，釤鉆永磁體更適合工作在高溫場景中。

永磁體無論是鑲嵌在轉子軸旁邊或者體內，在電機轉速特別快的時候，轉子就會受到很強的離心力，所以永磁材料的機械結構性能也需要考慮，由于我們希望永磁體可以扛住相當大的離心力來完成任務，所以在一些特定情況或者飛速旋轉不停歇的時候我們也盡可能地避免使用表貼式轉子結構，相反，我們選擇內嵌式結構。

在轉速不高的場合時永磁體可采取表貼式，但應采納必須的保護措施，如在永磁體表面加高強度非導磁保護套，永磁體與護套間采取過盈配合，或采取碳纖維捆扎永磁體。不過，碳纖維易燃，并且難控制溫度，不是優質導體，不宜控制溫度。

二、高速化

電機轉子的高速化是進一步提升電機功率密度一個很主要的方向。在轉速提高的同時，電機供電頻率會很高，使得電機鐵耗、雜散損耗較大。

與此同時，對于正在進行高速旋轉的轉子來說，它要承受非常大的離心力，這就要求其有很強的機械強度。

2.1 高頻率

電機鐵心中的頻率與電機的轉速成正比，電機高速時，鐵心中的磁通交變頻率很大，電機鐵耗很大。而且隨著頻率的逐步增加，也會增大高頻附加消耗，尤其是轉子因為風磨消耗和軸承消耗在其高速旋轉下很是明顯。

可見，供電的頻率的提升使得高功率密度電機具有較高的鐵耗和高頻附加耗損。另外，因為高速高頻電機常采取變頻器或控制器供電，諧波含量比傳統電機要高很多，所以在設計電機時應當考慮到高次諧波對電機的影響。

2.2 高速轉子設計

高速電機的轉速要比普通電機的轉速快幾倍到十幾倍，在旋轉過程中，必然產生比普通電動機高得多的離心力，這將使得轉子材料承受很大的切向應力。

當線速度到達到250m/s以上時，普通的轉子難以承受高速扭轉發生的離心力，因此，必須采取特別的高強度疊片或對轉子施加必須保護措施。

三、集成化

通過將驅動電機、逆變器，減速器三個部件一體化、集成化，可以實現輕量化、高效、小型化，同時降低成本，在一定程度上解放空間、利于整車布置。

電驅動系統的集成化設計不僅可以實現驅動系統的小型化和輕量化以降低成本，還可以提高效率：如果將驅動電機與逆變器集成一體，逆變器配置在驅動電機旁，連接電機與逆變器的線束就可以縮短或者置換，由此，不僅減小了機構的尺寸和重量，還降低了線束產生的能量損耗。

再如，將驅動電機與減速箱集成為一體，減速器齒輪的潤滑油和電機的冷卻油就可以共用，精簡了冷卻機構，可以實現小型化。

▲華為七合一

甚至還可以將OBC、DCDC、PDU等部件集成到一起，形成“七合一”甚至“八合一”。

四、提高散熱能力

4.1 定子繞組處理工藝

由于高功率密度電機體積較小、電磁負荷高、單位體積的損耗大，電機產生的熱量很多，這些熱量須及時有效地散發出去，以保證電機的可靠運行。

電機繞組產生的熱量是電機熱源的主要組成部分，定子繞組產生的熱量可由三條途徑散發：

• 從繞組端部表面傳給空氣；

• 從通風道中繞組表面傳給空氣；

• 先傳給鐵心,再由鐵心傳給空氣。

由于繞組端部散熱能力較差、散出去的熱量較少，使得繞組端部溫度通常很高，為改善這一問題，在定子繞組端部采用灌封工藝，即采用導熱性能良好的導熱膠將端部熱量通過機殼有效的散出。

導熱膠可采用耐高溫的環氧灌封膠或有機硅型灌封膠，電機端部與空氣間的熱阻為

• αE--等效端部散熱系數；

• SC--繞組端部傳熱表面積；

• Nu--努賽爾特準則數；

• λ--繞組端部的導熱系數；

• de--端部等效直徑。

由上式可知，電機端部的熱阻與端部導熱系數成反比例關系，導熱系數越高，使得電機端部熱阻越小，電機端部散熱本領越強，溫升就越低。

未采納灌封工藝時，端部的導熱系數為空氣的導熱系數，約為0；若采納灌封工藝處置理，電機端部的散熱能力能得到很好的改普，若采用性能更好的環氧灌封膠，其導熱系數可達到1.2WA(m32K)，將會更好地改善電機繞組散熱問題，降低電機端部溫升。

4.2高功率密度電機冷卻方式

汽車驅動電機體積小、功率密度高、散熱差，單位體積損耗產生的熱量是非常高的，這導致了嚴重的問題。溫度的升高導致可靠性與壽命的降低，所以提高冷卻系統散熱能力、降低電機溫度升高是解決問題的關鍵。

目前微型汽車電動機的冷卻系統中，通常采用空氣作為冷卻介質，冷卻空氣具有類型的多樣性，如冷卻風扇、空調、制冷及通風管和風機。

4.2.1采用空冷方式的高功率密度電機

因為電動汽車用高功率密度電機調速范圍較寬，若采取風扇冷卻，在低速時冷卻風量較小，容易造成低速時電機溫升較高，所以需要對變頻調速電機采取強制風冷。

4.2.2采用水冷方式的高功率密度電機

電動汽車用高功率密度電機也可采用水冷方式冷卻。水冷的原理是經由過程冷卻布局中的水將電機的熱量帶到外部的散熱器，然后經由過程風冷將散熱器里的熱量散到周圍環境中，電機水冷體系的種類有很多種。

從布局方面來講，經常使用的有：機殼冷卻和端蓋冷卻布局、機殼和端蓋組合的冷卻布局和機殼、端蓋與軸三者組合的水冷布局。其中，機殼水冷方式具備生產工藝簡單、制造成本低的優勢。

機殼水冷結構按照冷卻水在電機機殼內的流向可以分為軸向水套、螺旋布局和多并聯布局。其中軸向水套布局冷卻水與水套接觸面積大，冷卻結果較好。考慮到電動汽車用驅動電機的長徑比力小，不會發生很大的軸向溫差，所以軸向水道更適合車用高功率密度電機。

4.2.3兩種冷卻方式的比較

相比來說，水冷電機有一套自己的冷卻系統，在高溫的工作環境下可以長期平穩的運行，冷卻效果好，但是由于循環水泵和熱交換器的安裝，使得它價格昂貴，制作麻煩。

而風冷有著更好的環境適應性，價格低廉、制作簡單，在微型車上可以達到很好的冷卻效果。

五、電機本體輕量化設計

為減輕電動汽車用電機的重量，提高電機的功率密度，在電機設計時，電機的機殼采用比重較輕的鋁殼，同時，為減輕轉子的重量，一方面采用空心軸承代替實心軸；另一方面，在磁路允許的情況下，采用轉子鐵心去重，即以轉子鐵心開孔的方式降低重量。

德國弗勞恩霍夫化學技術研究所（ICT）和卡爾斯魯厄理工學院（KIT）最近試驗用塑料替代電機的金屬外殼以降低電動車重量。

新的電機為了解決動能轉化時產生的10%熱量對塑料外殼的影響，而在定子周圍采用了矩形散熱導管來實現更高效的散熱，同時也在轉子上采用類似的散熱設計，從而實現將這部分熱量的80%帶走，保證電機在工作中不至于產生過高的溫度影響塑料外殼的強度。

如果塑料電機試驗成功，那么不僅能夠節省電機制造成本，提升生產效率，還能夠為電動車減輕重量，一舉多得。