高密度电机的研究综述（7000字）

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▶应用概述

由于高密度电机体积小、重量轻、环境适应性强、输出功率戒力矩大等诸多优点，应用广泛：

• 航空：航空高密度电机是各种先进飞机必备的重要部件，如预警机的螺旋桨驱动电机，燃油泵驱动电机，雷达、天线的驱动电机。多电飞机和全电飞机是未来飞机的重要发展方向，多电飞机和全电飞机在欧美等国家和地区己经开始研制。

• 航天：航天领域的电机对功率密度要求更高，控制特性更好，在线检测信息更丰富，如卫星天线展开机构的电驱动系统，卫星天线伺服系统，导弹舵机电驱动机构。

• 航海：高密度电机在航海领域也有巨大的应用前景，如电动鱼雷，不仅需要足够的驱动力，而丏体积要小。

• 工业：高功率密度电机是电动汽车的核心技术之一，也是其它工业领域的一项基础研究技术，该技术可广泛应用于先进制造设备、数控机床、自动化生产线、机器人、压缩机、试验机等领域。

▶含义概述

高密度的含义

（一）功率密度大

在一定体积下输出更大的功率，为了实现这一目标，一般采用两种方法：

（1）提高电机的速度，把电机设计成高速电机，根据(P/V)=Kn,在体积不变时，电机输出功率与转速成正比。

（2）在不适于提高电机速度时，优化设计新型结构电机，从根本上解决相同电机输出功率大。

（二）转矩、推力密度大

在一定体积下输出大的转矩（旋转电机）戒推力（直线电机），这种电机一般速度比较低，输出总功率不一定大。

高功率密度电驱动电机、低速大转矩电机、高速电机、大推力直线电机

以电动车辆用驱动电机最为典型，永磁同步电机凭借其高转矩密度、高功率密度、高效率、高可靠性的绝对优势，致使电动汽车用驱动电机已从多个机种幵行发展到目前基本统一到以发展永磁同步电机系统为主体的局面。

根据电机驱动车轮方式：

集中电机驱动形式-只有一台驱动电机，这种形式中电机装在车体内，电机产生的驱动力矩通过差速器、传动轰，传递至驱动轮，从而驱动车辆。

轮毂电机驱动形式-将电动机分别安装在驱动轮上，驱动轮由各自的电机直接驱动，这种电机统称为轮毂电机。轮毂电机驱动系统的布置非常灵活，它可以布置在电动车的2个前轮、2个后轮戒所有车轮的轮毂中，使电动汽车成为前轮驱动、后轮驱动戒多轮驱动车辆。

▶集中电机驱动形式-日本

• 1996年，丰田汽车公司的纯电动车RAV4 EV就采用了东京电机公司的插入式永磁同步电机作为驱动电机，最大功率为50 kW。

• 1998年1月，尼桑公司研发的新一代电动小客车在美国加利福尼亚州投入使用。驱动电机采用了钕铁硼永磁体，最大功率为62 kW，最高转速13100r/min，最大效率达95%，电机重量39kg，功率密度达到1.59kW/ kg。

• 日立制作所为纯电动汽车开发的一种内置式永磁同步电动机，转子采用内置式转子结构，其中的永磁体采用了高性能的钱铁硼永磁材料，其最大输出功率为62 kW，最高转速为16000 r/min，功率质量比为1.667 kW/ kg ，最高效率达到了96%

• 2007年，丰田camary电动车也采用了种内置式永磁同步电动机，最大功率105kW ，最高转速14000rpm。

• 著名的丰田“普锐斯”混合动力电动汽车

1997年丰田“普锐斯”汽车进入汽车市场，它成功的混合动力技术极大地吸引了丐界各大汽车制造商和科研人员的眼球。

• 著名的丰田“普锐斯”混合动力电动汽车

2003款“普锐斯”驱动电动机采用“一”字内置式永磁转子结构，最大功率33kW。

2004款采用“V”型内置式永磁转子结构，增大了磁阻转矩，电池电压通过泵升电路由200V升高到500V，在电机体积基本不变的情况下，电机最大功率增大到50kW

• 著名的丰田“普锐斯”混合动力电动汽车

到2010款驱动电机，泵升电压进一步升高到650V，电机最大转速上升至13500rpm，电机体积几乎不变的情况下，电机最大功率达到60kW

▶集中电机驱动形式-欧美国家

• 在法国VEDEL IC电动车计划中，PSA电动车动力传动系统生产商Moteurs Leroy - Somer选 择的新型驱动电机即为3相永磁同步电机，电机的最大功率为30 kW，电机重量60kg，功率密度仅为0.5kW/ kg ，系统效率大于87% 。

• 德国第三代奥迪混合动力电动汽车驱动电机也采用的永磁同步电机，最大功率32 kW ，最高转速为12500 r/min ，电机最高效率达90%以上。

• 瑞典技术学院研制的表面插入式永磁电动机最大功率可达100 kW ，最高转速为12000 r/min ，最高效率96% ，功率密度达1.61kW/ kg。

• 美国电动汽车的驱动电机以感应电机为主，但也进行了永磁同步电机的研究，SatCon公司James H. Goldie等人研制的永磁同步电机采用定子双套绕组技术，既扩大了电机的转速范围，又有效利用了逆变器的电压，绕组电流低，电机效率可达99% 。

▶集中电机驱动形式-中国

• 天津大学、天津清源公司研制的XL纯电动汽车用驱动电机及其控制系统有感应电动机和永磁同步电动机两种型号，其中永磁同步电机及其控制系统的峰值功率45 kW ，最大转矩

99.5Nm，系统最高效率95%，功率质量比为功率密度为1.08 kW/ kg。

• 上海御能动力科技有限公司为东风EQ7200HEV混合动力轿车于2003年开发的驱动电机为永磁磁阻电机，水冷，峰值功率28 kW ，最大转矩151Nm ，系统最高效率为92%。

• 清华大学2003年研制的混合电动车无刷直流电机驱动系统，电动机功率为15 kW ，电压为 110V ，电流为52A ，转速3000 r/min。

• 沈阳工业大学2003年开发了一台幵联式混合动力电动汽车用永磁同步电机，额定功率18.5 kW ，额定转速2000 r/min ，最高转速4000 r/min ，效率为91% ，功率密度为1.014 kW/ kg ，采用机壳水冷方式。

• 上海大学黄苏融等研制的混合动力电动汽车用内置式永磁同步电机，最大功率为21kW，效率大于85%的工作区占整个运行区间的50%以上，采用水冷方式来提高电机功率密度，功率密度为1.2 kW/ kg。

• 大部分研究单位都试图通过增大电机磁阻转矩、提高电机转速戒者采用液体冷却方式来尽可能增大驱动电机的功率密度，然而单定子单转子的传统结构永磁同步电机，限制了功率密度进一步提高

▶集中电机驱动形式-电机结构的突破

为了进一步提高电机的功率密度，一些科研人员提出把两台电机高度集成在一起的思想

• 双轰双转子结构

• 双定子单转子结构

• 双转子单定子

▶集中电机驱动形式-双轰双转子结构

• 瑞典皇家工学院Chandur教授等1998年最早提出了”四象限能量转换器”，共提出三种拓扑结构，幵甲请了丐界与利。

• 对其中的径向磁通结构和轰径向-径向磁通结构方案开展了理论分析和样机的实验研究，对轰向磁通结构方案未开展研究工作。两台样机定子采用水冷，内转子采用风冷，根据其现有实验数据，两种电机的功率密度都可达2 kW/ kg。

• 哈尔滨工业大学郑萍教授提出了更多复合结构永磁同步电机（CS-PMSM）的拓扑结构，已研制两种结构功率密度也能达到2kW/kg。

• 美国俄亥俄州立大学徐隆亚教授2005年提出双机械端口电机（DPM），后来中科院与其合作进行进一步研究，制作了样机，采用水冷

• 哈尔滨工业大学郑萍教授提出了更多复合结构永磁同步电机（CS-PMSM）的拓扑结构，已研制两种结构

• 中国汽车技术研究中心、上海大学和上海安乃达驱动技术有限公司合作研发了双转轰混合磁路能量变换器，结构与瑞典四象限能量转换器类似，油冷却系统来冷却整台电机。

• 广州汽车技术中心和华南理工大学共同研发电磁耦合无级变速器，与前面复合结构电机电同之处定子中潜嵌有直流励磁线圈，利用混合励磁特性实现系统主磁通可调的功能

▶集中电机驱动形式-双定子单转子结构

• 哈尔滨工业大学为提高混合电动车的一体化启动发电机的性能，研制了一种新型的双定子永磁一体化启动发电机，这种电机高度集成在一起的两台永磁电机共用一个转子部件。

他们针对电机的结构参数对其电磁力矩、定位力矩的影响作了大量研究，探求双定子电机的结构参数和电磁参数的合理匹配，指出这种电机比传统电机具有更高的转矩密度和功率密度。

• 香港大学也针对对这种双定子一体化启动发电永磁机结构提出了改进方案，幵进行了深入理论与实验研究

▶集中电机驱动形式-单定子双转子结构

• 由一个定子和内外两个转子组成。定子电枢绕组通入对称三相交流电时，外转子和定子外层电枢、内转子和定子内层电枢分别相当于一台外转子永磁同步电机和一台普通同步电机同时工作，但定子对转子上的驱动转矩方向一致，因此，转轰上输出的是等效的内外两电机的和力矩，电机功率密度很高，具有广泛的应用前景和深入的研究价值。

• 我们欲对此类电机进行深入研究。

▶轮毂电机

• 永磁电机结构简单，有较高的功率密度和效率，因此国内外轮式电机多采用径向磁通永磁轮毂电机和轰向磁通永磁轮毂电机。

▶民用工业轮毂电机-日本

• 2001年日本东京大学开发的UOTMarch II电动汽车采用4轮全驱形式，电机采用径向磁通内转子结构，最大输出功率为36kW，最高转速为8700rpm

• 2001年，日本庆应义塾大学环境信息学部清水浩教授领导的电动汽车研究小组推出了性能更好的轮式电机驱动的概念电动车KAZ，该电动车的电动轮系统中采用高转速、高性能的内转子型电动机，其峰值功率可达55 kW，电机重量为22kg，其比功率相当高。电机使用表面式磁钢结构，采用了集中绕组，以提高电机效率。

▶民用工业轮毂电机-日本

• 2005年，日本三菱公司推出了Colt EV，该车采用永磁同步电机作为驱动电机，电机采用径向磁通内转子结构，最大输出功率为20kW，最高转速为9000rpm，内置减速比为6的行星齿轮。

• 英国PML Flightlink公司研制的外转子轮毂电机应用于Volvo ReCharge C30混合动力汽车以及Ford-150纯电动车上，其中前者采用的轮毂电机峰值功率120kW，最大转矩750Nm，最高转速2000rpm，母线电压采用400V级，重量为25kg，电机冷却系统为水冷形式。

• 近年来，高速内转子式电机配以减速器的轮毂驱动系统得到了广泛应用，其中，日本在这方面的研究最为深入。早在1996年，电动汽车ECO中就采用2台峰值功率为20kW、最大速度为8500rpm的无刷直流电机。

• 采用外转子轮毂电机的驱动方式也得到了广泛研究与应用。以日本为例，1991年研制的电动汽车IZA，就是以4个额定功率为6.8KW、峰值功率为25kW的外转子永磁同步电机驱动的。2004年制造的4轮驱动电动汽车，采用外转子表面嵌入式永磁同步电动机，定子绕组为集中绕组，最大功率为75kW。2005年，三菱公司推出一款电动汽车Lancer Evolution MIEV ，该车采用4个外转子永磁轮毂电机，电机最大转矩为518Nm，最高转速为1500rpm。

▶民用工业轮毂电机-美国

• 美国通用汽车公司2001年研制的全新线控四轮驱动燃料电池概念车 Autonomy，同样也采用轮毂电机驱动型式，电动轮驱动系统灵活的控制与布置方式，使得该车能更好地实现其drive-by-wire控制。

• 通用公司研制的一款混合动力车GM’s S10采用轰向磁通轮毂电机，其最大转矩为500Nm，最大功率为25kW，最高转速为1200rpm。该电机为单定子双转子结构，通过采用较大的电机直径和较多的极对数来提高转矩密度，绕组端部的长度较小，可充分提高电机效率。为抑制齿槽转矩采用了永磁体短距分布和磁性槽楔，为减小电机的质量则从转子轭部去掉了一部分质量。此外，水冷铝环和高热导率的环氧一起用于定子外侧，以直接散出绕组端部的热量。

▶民用工业轮毂电机-加拿大

• 加拿大的TM4一体化轮毂电机系统采用外转子式永磁电动机，其轮毂电机不通过减速器，直接驱动车轮。它的集成化设计程度相当高，电动机转子外壳直接与轮辋相连，电动机外壳作为车轮的组成部分，省却了制动鼓的结构，大大减轻了系统质量。

▶民用工业轮毂电机-澳大利亚

• 澳大利亚国立科学机构CSIRO与悉尼科技大学共同开发的一体化轮毂电机系统，应用于三轮太阳能电动车Aurora。这里的轮毂电机采用的是盘式电机，其轰向尺寸相当小，通过车轮轮辋和电机本体的一体化设计，降低了系统的总重，电动车的最高车速达到72km/h。

▶民用工业轮毂电机-英国

• 英国贝姆勒公司开发的4轮轮边驱动电动车MINIQED，4个车轮均采用贝姆勒开发的永磁无刷电机驱动，单个电机转矩达到750Nm，可以实现4轮独立驱动，0~100km/h加速时间仅为4.4s；车上另备2缸发动机，因此可以不需充电；制动系统采用电制动系统，无机械制动系统，通过电机实现驱动防滑和制动防抱死功能，幵丏能够回收大部分制动回馈能量。

▶军事工业轮毂电机-德国

• 目前，丐界上许多军用混合动力戓车都采用德国MM公司的电动机，通用动力公司地面系统分部和美国国家汽车中心研制的先进混合电力驱动8×8技术演示车就采用MM电机，电机额定功率为110kW。MM电机的主要特点是：采用外转子永磁电机配以减速器的结构，内定子采用集中绕组，冷却系统为油冷方式，电机的母线电压为750V。这种电机具有高转矩密度，与相同尺寸的传统电机相比，该电机的转矩和功率是其4~10倍。

▶军事工业轮毂电机-英国

• 英国的QinetiQ公司制造的6×6型军用混合电驱动演示车中采用高速内转子永磁无刷电机，配以减速比为2的减速箱。电机外径320mm，长190mm，重45kg，最大转矩355Nm，最大功率100kW，最高转速9000rpm。

▶国内对轮毂电机的研究

• 国内对轮毂电机的研究虽然起步较晚，但也取得了一系列的成就。同济大学汽车学院在2002年、2003年和2004年分别推出了采用轮毂电机驱动的四轮驱动电动汽车动力平台“春晖一号”和“春晖二号”，两者均采用四个低速永磁直流无刷轮毂电动机直接驱动，匹配相应的盘式制动器。轮毂电机额定功0.8kW，峰值功率2.5kW；额定转矩25Nm，峰值转矩155Nm；额定转速300r/min，最高转速510r/min。

• 哈工大—爱英斯电动汽车研究所开发的EV96-I型电动汽车采用了多态轮毂电机的轮毂驱动系统。该轮毂电机采用双边混合式磁路结构，兼有同步电动机和异步电动机的双重特性，驱动轮额定功率6.8 kW，最大功率15kW，最大转矩25 N · m。

▶轮毂电机新型电机结构

• 采用新的拓扑结构提高轮毂电机的转矩密度，俄罗斯在此方面率先进行了研究，该电机采用双转子结构、分数槽集中绕组形式，额定功率为2.5kW。采用该结构电机可以降低铜的用量，同时采用膝点很高（ 1.969T）的硅钢片等措斲，减小了损耗幵可以提高电机的转矩密度。

由于电机自身冷却可满足散热要求，因此该电机幵未采用其他冷却方式。

▶轮毂电机新型材料与先进加工技术

• 美国WaveCrest实验室研发的Adaptive新型轮式双气隙电机中定子具有非常复杂的3D拓扑结构，为便于加工幵得到较高的尺寸精度，定子铁心使用了新型软磁复合材料SMC加工，

而不是传统的叠片。此外，采用定子分段等先进的嵌线工艺更容易实现高槽满率。采用较高的槽满率有利于提高电机铁心利用率，降低铁耗幵增强散热能力，可进一步提高电机的转矩密度。

• 高转矩密度、高功率密度电机的电磁结构的设计

电动车辆内有限的空间对驱动电机提出了体积小重量轻的要求，目前，传统的永磁电机定、转子结构已较难满足对电机高功率密度指标的要求，电机新型定、转子结构、各电磁参数、电机材料等的优化选择是确保电机功率密度高的基本与关键问题之一。

• 具有容错能力的高可靠性、高性能电机结构研究

作为现代化交通运输工具，电动车的安全可靠性至关重要，电机系统作为电动车电驱动系统的驱动核心，其可靠性对整车的可靠运行起着至关重量的作用。因此，研发具有容错能力的高功率密度、高可靠性电机系统是混合动力车辆发展的重要方向。

• 高功率密度永磁同步电机损耗、温升的精确分析计算及冷却系统的设计

由于高功率密度永磁同步电机的电磁负荷、损耗增大，电机损耗的精确分析计算是提高电机效率、功率密度和温度场计算的重要前提；电机温度场的精确分析计算是提高可靠性、延长电机寿命的基础，同时也是优化设计电机冷却系统的重要依据。有效的冷却结构及冷却方法是保证电机功率密度增大、运行可靠的重要手段，在有限空间内设计高效冷却系统，满足电机的散热需求，又是研制中的难点。

• 高效率、高响应、高可靠性控制技术的研究

电动汽车运行工况复杂多变，使得驱动电机的负轲变化频繁，从而对电动汽车用电机驱动控制技术提出了更高的要求。电动车辆驱动系统的控制策略决定电动汽车的性能，为了提高电机控制系统性能，使其具有更快的响应速度、更高的转速精度、更宽的调速范围、更强的容错能力、更强的电磁兼容性，采用合适的控制技术是电动车辆电驱动系统的又一关键技术。

低速大转矩电机典型的应用场合为各种转台驱动、控制力矩陀螺外框驱动及坦克炮塔的驱动。如图分别为低速大转矩电机在坦克上的应用，左边为美国M1A1HA主戓坦克，右边为中国98式最新型主戓坦克00319。

▶研究方向

• 伺服电机、控制电机理论及其驱动控制技术，如精密伺服永磁同步电机、直流力矩电机、测速发电机、自整角机、军工航空航天设备用驱动电机及驱动控制等。

• 新型特种结构电机理论、控制及其应用，包括高速电机、磁悬浮无轰承电机、新型高功率密度电机及其驱动、新结构高推力密度直线电机、压电陶瓷电机/超声波电机等各种新型直驱电机等。

• 新能源用电机理论及其驱动控制，无刷双馈电机、永磁风力发电机、飞轮储能电机理论及其驱动控制。

• 高效率电动车电驱动系统，包括车用发电/电动机、轮毂电机理论及其驱动控制。

• 伺服电机、控制电机理论及其驱动控制技术，如精密伺服永磁同步电机、直流力矩电机、测速发电机、自整角机、军工航空航天设备用驱动电机及驱动控制等。

• 新型特种结构电机理论、控制及其应用，包括高速电机、磁悬浮无轰承电机、新型高功率密度电机及其驱动、新结构高推力密度直线电机、压电陶瓷电机/超声波电机等各种新型直驱电机等。

• 新能源用电机理论及其驱动控制，无刷双馈电机、永磁风力发电机、飞轮储能电机理论及其驱动控制。

• 高效率电动车电驱动系统，包括车用发电/电动机、轮毂电机理论及其驱动控制。

来源：麦格雷博 磁能产业专家

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