电动汽车用高功率密度电机关键技术探讨

周宝纯

0 引言

纵观当前的电机设计，功率密度是其中不容忽视的重点。一般情况下，高功率密度电机的销量比较高，这主要得益于其重量轻、体积小的特点，随着电动汽车产业以及绿色能源相关领域的不断发展，高功率密度电机已经逐渐应用并呈现出广泛扩散之势。在电动汽车、航空航天等领域，高功率密度电机发挥了十分重要的作用，但是在某些技术层面仍需提升，从而更好地为所需要的行业领域服务，发挥最大的价值，促进电动汽车、航空航天等相关领域的快速发展。

1 高功率密度电机的基本特点

1.1 转子旋转速度快

高功率密度电机的一大特点是转子旋转速度快。通常情况下，电机转子的旋转速度有一个比较稳定的范围或者数值，如可以稳定保持在6 000 r/min，而高功率密度电机转子的旋转速度通常可以达到10 000 r/min。在如此高速的转动下，电机的供电频率也会相应的有所增加，常规情况下的供电频率为200 Hz，而最高频率下则可能会超过1 000 Hz。

1.2 电磁负荷比较高

高功率密度电机的另一大特点是电磁负荷较高。相较于常规电机，高功率密度电机电磁负荷要高很多，这也就直接导致了电机单位体积的损耗增加，从而导致整体的损耗增加。一旦电机的损耗增加，将会导致电机各部件的温度上升，这就对冷却方式提出了更加严格的要求，而如果冷却方式不合理，电机功能将会受影响[1]。

2 高功率密度电机的主要设计

2.1 磁性材料

若高功率密度电机的供电频率逐渐提升，电机铁心受到的损害也将会不断增加，因而铁心损耗在电机总损耗中所占的比重也会逐渐增加，所以电机铁心损耗主要与磁感应强度和铁心材料2个要素有直接关系。电机正常工作时，铁心损耗是必不可免的，所以要采取积极的措施加以解决，从而降低铁心损耗。控制磁感应强度，使磁感应强度降低，可以在一定程度上降低铁心损耗[2]。同时在选择铁心材料时，应当坚持“高导磁，低损耗”的原则，保证铁心材料选择的合理性。

2.2 定子导线

电机在运行过程中，其线圈中的定子铜耗可能会比较大，会对电机效率的提升造成消极影响，所以降低定子铜耗也是不可缺少的工作。从目前情况来看，解决定子铜耗较高的问题时，通常使用导电率较高的导线，如银铜合金材料的导线便是一种较为理想的选择[3]。电动汽车高功率密度驱动电机的供电方式，一般是控制器或变频器，这就要求在绝缘性方面得到保证，最大限度地避免绕组受到电压的影响，出现电晕现象，个别情况下还可以在电机线圈中选择变频电磁线。

2.3 笼型异步电机转子笼型材料

在笼型异步电机转子中，导条通常是由铜或铸铝等材料制作而成，无论是铜导条还是铝导条，各自都有着自己比较突出的优缺点。铜导条的优点在于有着较高的效率，受到电阻影响比较小，缺点是起转时的转矩比较小。铝导条与铜导条的优缺点恰恰相反，其效率不高，受到电阻的影响大，但起转时具有较高的转矩。所以，在选择笼型异步电机转子导条材料的时候，必须要重点考虑电动机性能受到电阻的影响程度。

2.4 永磁同步电机永磁体

高功率密度电机中，永磁材料本身固有的特性，会对高功率密度永磁同步电机的性能起到关键影响，甚至决定性的作用。高功率密度电机在设计时，既要考虑到功率密度，也要考虑到转矩密度，所以在对永磁材料进行选择的时候，需要对最大磁能积、矫顽力和剩余磁通密度进行综合考虑。通常而言，磁能积、矫顽力和剩余磁通密度的数值越大，则说明性能越好[4]。另外，因为高功率密度电机在运转时，单位体积产生的损耗会增加，随之带来的便是温度上升，所以必须要考虑到温度控制的因素，在选择电机部件材料时，尽量选择耐温性能好的材料。

3 高功率密度电机的高度化

3.1 高功率密度电机的高频率

电机转速、铁心频率之间正常情况下是正比例的关系。电机保持高度运转的状态时，铁心产生的磁通交变频率也将会逐渐增大，电机铁耗的程度会保持在较高的水平。如果频率增加，高频附加损耗也会随之增加，在高速旋转下，转子表面的轴承损耗和风磨损耗会随之产生[5]。所以电机供电频率增加时，电机的高频附加损耗和铁耗也会随之增加。同时，与传统电机相比，高速高频电机的供电选择一般为控制器或变频器，在这样的情况下，谐波含量也会有所增加。所以在对高功率密度电机进行设计的时候，需要考虑到高次谐波的影响。

3.2 高功率密度电机的高速转子设计

高速转子，从其名字不难看出，“高速”两字充分体现了转子的转速。从物理学的角度来看，高速转子保持在高速转动的状态时，产生的离心力会非常大，转子材料此时承受的切向应力也会保持在较高的水平。实践表明，如果线速度在250 m/s以上的时候，常规的叠片转子是难以承受产生的巨大离心力。所以在设计高功率密度电机高速转子的时候，一定采用相关的保护措施，可以考虑提升叠片的强度来应对产生的较大离心力。

4 结束语

电动汽车高功率密度电机的设计是一项复杂的任务，牵扯到每个具体的环节。考虑到高功率密度电动机的转速非常高，其带来损耗就比较大，对各零部件的要求也随之提升。设计师在对电动汽车高功率密度电机进行设计的时候，应当注重材料的选择，选择质量过关、性能较强的材料，以保证材料性能能够满足电机在运行状态下的需求。同时在具体的设计过程中，注意对各工艺环节的加工和处理，不断对设计进行优化，从而提升高功率密度电机的综合性能，使其能够符合电动汽车的实际需求。

[1]王晓远,高鹏,赵玉双.电动汽车用高功率密度电机关键技术[J].电工技术学报,2015,30(6):53-59.

[2]刘钧,钟玉林,张瑾,等.电动汽车用高功率密度电机控制器研发[J].电力电子技术,2011,45(12):14-16.

[3]于彭涛,王鑫.电动汽车用高功率密度电机关键技术[J].时代汽车,2017,12(8):129-129.

[4]刘钧,胡伟,温旭辉.电动汽车用高功率密度集成控制器研究[J].大功率变流技术,2011,12(1):44-48.

[5]颜湘武,肖湘宁,张波,等.电动汽车传导式充电机关键技术[J].电力电子技术，2011，12(07)：20-26.