浅析高功率密度电动机

电动车千人会 2025-02-04 11:20 1771浏览 0评论 0点赞

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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。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。《中国制造2025重点领域技术路线图》中的目标是，到2025年和2030年，国内乘用车驱动电机有效比功率分别要达到≥4kW/kg和≥5kW/kg，因此功率密度是未来电动汽车驱动电机的一个重要考量参数。

而从已经量产的纯电车型来看，目前峰值功率最大的驱动电机是Lucid Motor的500kW电机，单电机重量74kg，功率密度超过7kW/kg。这款峰值功率高达500kW的永磁同步电机在转子绕组、减速器、冷却方面进行了特殊优化，不计成本降低体积以及提升性能，最终实现了超高的功率密度。

近期，国外电子研究实验室Donut Lab推出了一款环形的全封闭电机，该款电机有5种不同的尺寸和功率，据说可适用于无人机、电动两轮车、汽车、卡车、飞机等多种类型的产品。并且该系列电机据说号称拥有世界上最高功率和扭矩密度。此产品中最高性能的630kW功率电机为例，其最高扭矩可以来到4300Nm，其功率与重量的比率为15.75kW/kg。

高功率密度驱动电机在新能源汽车上的广泛应用后，为了提高车辆续航，降低驱动电机的功率密度。即在功率不降低，电机性能不降低的情况下，尽可能降低电机的体积和重量；或使功率、效率提升的同时，电机重量不变。对于高功率密度的电机而言，也有不少难点，包括散热、材料、电路设计、转子设计等方面。

首先，提高电机的转速，其实是提高电机功率密度的一个重要方向。但有一个显而易见的问题是，电机转速提高之后，电机供电的频率就会变得很高，这对整流器、变频器等器件来说，损耗会加大，降低系统的可靠性。除此之外，电机中磁性材料中由于存在交变或脉动磁场而引起的功率损耗会以热的形式表现，也就是说随着频率的提高，这部分发热导致的损耗，在电机总损耗中的比重会增大，降低电机的效率。在高转速电机中，转子还要面临着克服离心力的挑战。目前业界前列的驱动电机转速已经超过30000rpm，这使得转子材料承受很大的切向应力。所以为了提高转子结构强度，一些厂商在高转速电机的转子上采用碳纤维护套，或是改进转子的结构设计，采用高强度叠片等材料，来满足高转速电机的需求。我们还可以看到现在的驱动电机在冷却上下了很多功夫，包括水冷、油冷等，实际上温度问题一直以来都是电机发展过程中的难题。因为在电机运转过程中，定子绕组的端部往往是发热程度最高的部分，所以在油冷系统中，会通过往端部喷射冷却油来将这些热量带走，为其降温。当然，目前电机的油冷散热方案多种多样，包括通过在定子内部设置油冷管道来从内部散热等。另外在定子绕组中，所采用的导线形态也会对电机的性能产生影响。以往电机普遍采用圆线绕组，但随着扁线电机的应用，扁线由于形态上有利于电机满槽率提升，这意味着在电机空间不变的情况下，可以填充更多的铜线，产生更强的磁场强度，提升功率密度。体积方面，从圆线变为扁线，同样空间的定子下可以填充的铜能够增加20%以上，一定程度上可以令电机功率提高20%；在散热方面，扁线绕组由于线与线之间的接触面积更大，热传导效果更好，所以也有利于散热。在噪音方面，电机的槽配合对电磁振动和噪声的产生、抑制都具有决定性的作用，可以采取更小的槽口尺寸，来降低电机电磁噪音。同时扁线电机能够提高电枢刚度，对电枢噪音也有抑制作用。

在工业电机应用方面，近年来，随着大型设备提高传动效率，优化传动结构的推进，高速大、中型电动机的市场需求量越来越大，高效节能也被提到越来越重要的位置。SIEMENS、ABB等，研制了高效率高功率密度高压三相异步电动机，实现了电动机效率更高，体积更小，噪声更低的目标。其主要技术路线是运用电机学、电磁学、力学、机械学、流体理论等原理，通过三维电磁场、流场、温度场的分析计算，结合少胶超薄绝缘结构、采用大直径定子外径尺寸并加长铁芯、优化定转子通风散热结构、优化冷却器与外风扇及内风路的匹配设计、优化定子线圈端部的通风结构，采用新型挡风板、优化机座结构、优化工艺参数等措施。

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