EVH日报|高转矩密度电机的创新与发展

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感谢黄教授也是我的老师，当时我在美国留学的时候黄教授也在美国做访问学者，我们还一起合作过很多的项目，我汇报的题目是《高转矩密度电机的创新与发展》。

电机不管在哪个行业，大家都在追求高功能密度，换句话说我们如何把电机做得更小更轻，保持同样性能的同时做得更小更轻。在咱们的电动汽车行业是这样，在其他行业也是，在过去的上百年的历史里面，咱们电机的转矩密度已经提升了几十倍，但是目前为止大家还没有，停止这个方面的探索，还在继续的努力，看如何把我们的转矩密度进一步提高。

大家看一下电机转矩公式，如果咱们是科班出身学过电机学都会知道，电机转矩和体积相比，另外和电机体积D的平方乘以L和电负荷A成正比，和磁负荷B成正比。体积不算，咱们仍增加转矩密度的两个主要因素，两个维度就是电负荷A和磁负荷B，所以说如何增加转矩密度，其实就是增加A和B，另外我们需要增加电负荷和磁负荷之间的现行度。

电负荷其实有很多种方法，目前为止可能各位企业里做的大部分都是从电负荷、磁负荷的方向来去进行这些功能的。不断是增加电负荷还是磁负荷，实际上都会增加他的损耗，我们都需要增加他的冷却能力，比如说这里面举一个例子比如说磐石电机，换句话说可以把他的空间充分利用，另外如果增加电负荷、磁负荷之后，损耗增加必须采用更好的冷却方式。

比如说超导电机也是增加电负荷的方式，超导材料使得铜耗下降，也可以增加电负荷，但是如果把超导材料用在离磁磁强里面，实际上就增加了利用超导特性增加磁负荷。

另外还有几种方面，U型的磁钢是增加磁负荷，咱们在转矩里面尽可能利用有磁材料的特性，利用不同的材料、不同的形状可以增加巨磁特性，使得磁密增强，可以增加磁负荷，同时增加磁负荷也需要增加散热。

另外还有一些其他的比如说高升值材料，高饱和的各种材料等等，不管咱们采用哪些办法，其实我们这些办法基本上比较通用的办法实际上都在增加电负荷和磁负荷没有离开这两个维度。另外还有一种办法就是刚才我说的，增加电负荷A和B之间的线性度，就是说我们在增加A的时候，使我们的转矩能够实现线性的变化。

这里面大家在拓扑机构大家看，比如说多节化或者说利用结构都是增加线性化的强度，大家知道电机是一个高度非线性化的基础，如果我们的车厂或者电厂增强之后，实际上磁力线饱和之后就不再线性变化了。实际上通过拓扑结构尽可能使得我们的电负荷、磁负荷与转矩之间保持一定的线性度。

在这个方向大家已经做了很多的努力，举一个例子Prius从1997年开始到2017年转矩密度，从六点几一直提升到十九，所以这么多年来，整个电机系统转矩密度已经提升了很多。

另外如果在风力发电或者其他行业大家看，如果增加转矩好办，乘以体积转矩密度不变乘以体积就好，如果大型电机大家可以注意到，越是大型的电机转矩密度越高，因为大型电机的散热能力强，所以电负荷磁负荷相应会强一点，但是转矩密度到了一定的程度之后，我们再继续想提高转矩密度，换句话说我们再想把体积缩小是很难的。

所以说今天我想和大家分享一个新的想法，我们课题组近十几年来一直在研究的方向，大家看传统电机学里面看到，大家知道充电流的时候有反电式，那个反电式是和咱们的电流乘积产生的功率因数就是咱们实际的功率。反电式和什么相比呢？咱们最终呢？大家看结果，反电式实际上和美极磁中量变化率正相关的。同时我们前面还有一个系数，点极的转子极励除以定子极对数。通常我们看不到，因为电机的极对数是一样的。通常公式的里面上下分子分母约掉了，所以看不到。假如说另外一种结构使得电机极对数不同，或者说使PR远员九大于PS，大家可以看到改变了公式使得电极的反电势升高，在同样电流情况下我们的转机会增加。

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传统的电力学理论告诉我们，电极定转的极对数是一样的，不能不同。怎么改变这个办法？这个是传统的电机学的模型，有一个极对数，转子极对数和定子相同，如果我们要改变这个结构，我们把转子和定子之间加了另外一个参数，比如说这里面把它加了一个磁场调节的环节，使得磁场调节环节有导磁和不导磁的磁块交替进行。如果这个时候我们转子侧有11个极磁场，通过调节之后磁动式乘以磁导等等磁裂。可以写成一个三角函数的形式，磁导也可以写成函数的形式，如果一个10对极、一个12对极，有强极在数学里面基化合差，最后变成了12和11相加或者相减。12减11变成已对极的磁裂，这个时候会产生反电势。定子侧有一对极的磁场，转子侧是11对极，极对数不再相等并且有磁电耦合，并且不再相等。这个时候我们的Pr比上PS等于11，不再是1，增加11倍。我们的转矩并不因此增加11倍，因为我们的一对极的磁场小于11对磁场，但是我们总和还是增加。所以我们利用这个原理看看能为我们的电机产生哪些改变。

传统有一个传统永磁电机和电磁变速箱，电磁变速箱和机械变速箱是一样的原理，可以变转速同时变转矩。低速的转率输出大，高速侧转速输出小。如果把这两个机构，一个电磁变速箱一个永磁电机结合在一起，把高速的转轴和转子耦合在一起变成一个转子，我们输出的低速转轴就是大转矩的，这两个机械连接，如果高速转轴和转子转速转轴同一个极对这一块合二为一变成一个机构，这个时候带上一个电机，电机的定子侧只有40极磁场，转子侧有多对极磁场，内侧的磁场高速旋转，转子侧是低速机械旋转，换句话说我们实现了频率是一样的，我们的定子极数少、转子极数多实现了刚才功能，由于定转子不同大幅增加，这也是我们电机专极密度提升基本想法。

拓扑结构变化。电机左边是传统电机拓扑结构，把它改成右边的。在定转之间加了一个调制环，作用是使得电机转子侧的多极磁场通过调制环调制到定子侧使得磁场极对数和定子侧极对数相耦合，调制后的极对数和转子侧极对数相同可以耦合。

调制环的极对数是定转极对数的合或者差，普通电机的定子的极对数、定子的磁动式，常规电机我们把看成常数，这个没有变化。我们11极乘以常规性的磁导等于吸收极的磁裂，同时还有一个11个极的磁导和12对极磁导，这个时候我们会看到两个1对极和11对极，定子策放一个调制环，这两个磁场都会耦合产生反电势，这个时候通过假如电流产生平均转矩。这个时候有两个同时为我们工作，利用这个原理使得电极转极密度增加。

具体电极设计，我们把调制环的功能和定的齿结合在一起，没有额外加一个调制环。左侧是一个均匀分布的大齿带两个小齿，常规可以看到很多电极拓扑有这种结构。右侧可以发现两个小齿空间分布不是亿均匀的，有的两个距离小，有的大，这个时候我们利用齿的分布不均匀创造了额外的谐波，除了有12对极还有6对极。具体的分析来看我们的转子侧全是10对极的磁种式，磁导有个强对象，无对极、12对极，乘出来十对极、4对极、2对极，有三个谐波成分同时为我们工作，这个时候大家可以看到可以利用多个谐波同时产生积波反电势，比较平滑的转矩，这个是我们利用多个磁导谐波调制出来的效果。

我们通过这种办法转矩提高30%左右，我们只是把结构改变位置没有多用磁钢、没有多用硅钢片，电极体积和重量没有改变，但是通过微观增加谐波的成分使电极的转极米提高30%。

磁通反向电机或者定子永磁型，转子机构和传统的磁阻电机类似。磁钢铁在定子表面，左侧的磁钢来看，定子内侧表面贴的比较均匀分布，右侧的时候把磁钢的分布改成不均匀，分色和蓝色的不均匀了，这个时候有磁动势的谐波。我们刚才讲磁动势乘以磁导等于磁裂。我们磁动势永远是不管多少极固定的，我们磁导有多个谐波，现在把磁动势创出多个谐波，乘以磁导，也出一个多各的磁场谐波，这个是基本原理。

我们磁动式有6、12两个磁动势谐波，即使磁导全是磁力势谐波，这个时候在定子侧变成了2极和4极，通过耦合也会产生多个定子耦合多个磁电，这个时候都是定子绕阻的磁谐波会产出反电势。定子耦合的磁电感性出多极的磁电，感应出反电势大家可以反着理解，我们通过一个基波电流是不是只产生机波侧电？不是，有多个华写波，如果有一次、七次和11次的谐波，也可以感应出反电势，这样相对好理解一些。

具体的谐波分析不详细介绍了，我们做的样机大家可以看到磁钢铁在定子内表面表册，由于不均分布使得反电势进一步增加。

一个是定侧多磁动势，还有一个是多磁导谐波，我们可以既有多磁动实谐波，也可以有多磁导谐波，合在一起可以产生更多的谐波成分。

从左边我们改成右边电机看，右边电机转子有磁钢，同时有齿潮，定子也有齿潮也加了磁刚，我们的定转子侧都有磁动势、齿潮结构，我们的磁导谐波有定子侧有转子侧的，磁动势谐波有定子侧、转子侧，电机相当于两台电机，一个交替电机、一个磁动反向电机。

大家可以看到我们的磁动势有11次、12次的，有定子侧、转子侧的。我们的磁导也有11次、12次，互相耦合在一起耦合出多个。我写出的三个是工作谐波比较强的，还有很多多个和谐波比较弱，这里没有列出来。

大家可以看出其实我们一旦使得定转子极对数不再相同，有很多定转子很多参数可以进行优化，原来定转子极对数相同使得很多参数不能耦合在一起，通过这一变相当于多增加了空间，使得定转子参数一旦解耦就会有大量优化的空间，使得我们进一步优化电极的参数。

具体谐波分析大家可以看转子侧加入永磁，两侧都加永磁会产生效果？转矩是叠加效果。具体我们做的样机。

所有的磁场调制电机利用了多个谐波，导致电感比较大，磁场比较强，电机的优点非常明显，转矩密度明显提升，提升百分之几十甚至一倍以上，但是也有很明显的缺点，公里因素下降，把一部分压力转移到驱动器方面。两个定子例外有一个转子，这个结构在传统的基础之上使得公里因素大幅度提升同时利用双转子的结构密度进一步提升，它的转机密度、平滑性都进行进一步提升。

刚才介绍几个想法大家可能没有理解，我们磁动势可以多个谐波，磁导也可以多个谐波，导致我们成分非常复杂。具体的比如磁动式的时候已经总量，用磁不能超过一定限额，在一定总量情况下设计多个磁动势好还是多个磁导谐波好？还是结合在一起，具体用多少个？用一个、两个还是十个、二十个，用多少个好是我们需要回答的问题，这个想法回答这个问题，怎么在这种理论指导下能设计出在一定材料用量情况下转机密度最高的电机。

我们现在试图回答这个问题，比如说把磁钢总用量固定下来，比如说只用一个磁动势，表组不变，边际改变磁导。原来的受限于齿潮结构，齿潮就是磁导结构的调制，假如说我们忽略不计我们随意编辑齿潮结构，这个时候电机调节出来最大可能的反电势，以这种理论出发进行理论探索，通过数学的公式推导我们得出一些结论。通过这种办法我们得出，设计出来的电机看起来比较奇形怪状，我们利用这个电机拓扑结构我们叫电机的定向设计，我们有了目标来设计拓扑结构，而不是传统有拓扑结构计算性能，我们现在是追求执行来设计脱铺结构。

一个齿上有两个小齿还有三个小齿，结果差别很大。具体样机可以看到我们计算出来的转机密度非常高，实际测出来是21，理论计算是可以达到32，因为材料饱和降极很多，即使21比传统的高了一倍以上。

利用刚才的想法，思路是一样的，我们电机的拓扑机构，如果只看硅钢片的结构，里面像梳子式的，很不规律，拿出一个相对比较规律看着像齿潮结构的电机结构，这个电机结构转机密度提高53%，比普通的其他磁场电机提高53%，不是比普通的永磁电机，比普通的永磁电机提高一倍以上。通过这种方式既可以优化转机密度，还可以优化转机波动，这也是一种转矩，通过这种方式优化其他目标。我们刚才讲的只是通过固定磁势和绕阻来优化磁导，其实还可以优化绕阻、磁动势，把这三个变量优化一遍下来系统比较复杂，但是我们可以期待我们目前在这方面做努力，如果把这个做成，世界上很多其他学者也在努力跟着我们做研究，总体来讲今后某一年、某一天这个理论可以完成之后大家可以期待，我们电机设计起来结果和现在的形状完全不同，尤其齿潮结构变化大，绕阻也改变，但是我们可以知道电机转机密度进一步提升，少说百分之几十，多了翻几倍。总体来讲我们希望在这个方面进展快一点，但是大家可以看到在这个方面一些理论的要求，对数学的功底要求比较深，目前我们有几个博士在这个方面进行了探讨。

这是我们设计的电机，大家可以看是不是磁场电机的结构，实际上转矩密度是很大的。这是我们这几年发生了不同的应用场景的电机。

举一个典型的代表性的论文，大家有兴趣的话可以看一下，这是其中几篇，如果大家感兴趣的话，从那几篇可以看出其他的论文比较多一点。

简单做一个小结，总体来讲，我今天给大家介绍的是一个从电极设计理论方面的新探讨、想法。

电机即使是具有一两百年的历史，是一个老部件，可能是夕阳工业。但是大家可以看到，从这里面有很多新的想法可以创新实践。

咱们中国人也有很多的创新想法，没必要跟着老外去走，大家可以看到很多事情或者创新最初几点都是国外先有的咱们国内跟着做，其实咱们国内有很多创新的想法，在座的可能很多是汽车领域的。如果我们是工程师我们可以充分相信自己，也许我们有什么新的想法，如果我们是高管，我们尽可能的给下面的空间，有一些新的想法给他们试错的机会。

当然可能我们一些创新想法可能90%或者99%以上是最后证明不行，但是如果能有1%、2%、3%的创新想法成功了，其实我们就可能开启一个新能源，使得我们现有的某个部件的性能指标会大步提升。

谢谢大家，我分享到这。

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