電動汽車用高功率密度電機關鍵技術

王曉遠 高 鵬 趙玉雙

（天津大學電氣與自動化工程學院 天津 300072）

1 引言

目前，功率密度已經成為電機設計中一個非常重要的設計指標。高功率密度電機由于體積小、重量輕、效率高等特點越來越受到研究者和廠家的關注。特別是在航空航天、潛艇、電動汽車等特殊應用場合中[1]，由于空間的限制，要求使用的電動機體積更小、重量更輕、效率更高，也就是要求電機有較高的功率密度。

為了提高電機的功率密度，通常采用以下三種方法：①合理優化電機電磁設計和采用高性能的電磁材料；②適當提高電機的額定轉速，轉速一般可高達上萬轉；③提高電機的散熱能力。

高功率密度電機由于其高速高頻的特性，與傳統電機在運行特性方面有很大的不同。結合電動汽車用籠型異步電機（以特斯拉電動汽車電機為例）和永磁同步電機兩種高功率密度電機，本文分別從電磁設計、機械工藝和冷卻方式三方面對高功率密度電機進行了分析，給出了其特點和設計要求。

2 高功率密度電機的特點

高功率密度電機的主要特點包括以下幾個方面：①轉子的高速旋轉，額定轉速均在 6 000r/min錯誤!未找到引用源。以上，最高轉速可達10 000r/min以上，由于較高的轉速，使得電機供電頻率很高，在200Hz左右，最高頻率可達1kHz以上[2]；②較高的電磁負荷，導致電機單位體積的損耗增大，使得電機各部件的溫升偏高，需要更為有效的冷卻方式。上述特點決定了高功率密度電機具有不同于普通電機的設計要求。

3 高功率密度電機的電磁設計

3.1 磁性材料的選擇

高功率密度電機的供電頻率通常在幾百甚至上千赫茲，隨著頻率的提高，鐵心損耗會迅速增加，鐵心損耗占高速電機總損耗的比重增大。電機鐵耗與頻率有以下關系[3]：

從式（1）可知，降低鐵耗的方法有：①適當降低鐵心中的磁感應強度；②采用高導磁低損耗的鐵心材料。分別采用 0.35mm的硅鋼片 DW270和0.2mm電工鋼片B20AT1200時，電機鐵耗的相關數據見表1。

表1 不同硅鋼片厚度下永磁電機的鐵耗數據比較Tab.1 Iron loss comparison of the permanent motor with different thickness of silicon steel sheet material

由表1可知，超薄型的電工鋼片磁滯損耗和渦流損耗均較低，可以很好的降低電機鐵耗。

3.2 定子導線的選擇

為降低定子銅耗，電機線圈應采用高導電率的導線，如銀銅合金。由于電動汽車用高功率密度驅動電機通常采用變頻器或控制器供電，為提高電機的絕緣性能，減弱沖擊電壓對繞組的影響[4]，防止電暈產生，電機線圈還應采用變頻電磁線。

3.3 籠型異步電機轉子籠型材料的選擇

籠型異步電機轉子一般采用鑄鋁或者采用銅導條。銅的電阻較小，效率高，但起動轉矩較小；鋁的電阻大，效率偏低，但有較高的起動轉矩。因此，選擇轉子籠型材料時，應該主要考慮電阻對電動機性能的影響。

電機轉子常用的銅導條材料包括紫銅和黃銅。紫銅的電阻系數比黃銅的電阻系數低。在H級絕緣條件下，鋁、紫銅、黃銅的電阻系數依次為0.049 1 Ω·mm2/m，0.024 5Ω·mm2/m，0.090 8Ω·mm2/m。

為比較不同籠型材料電機的性能，以特斯拉電動汽車用異步電機為模型，比較三種導條材料下電機的性能輸出。圖1給出了三種材料下電機的轉矩-轉速曲線，由于電阻的影響，可以看出采用黃銅導條的籠型電機的起動轉矩最高，采用紫銅導條的籠型電機的起動轉矩最低。三種材料的籠型電機最大轉矩相差不多。表2給出了三種籠型材料電機的性能參數比較。

圖1 三種籠型材料電機的轉矩-轉速曲線Fig.1 torque-speed curve for the induction motor with three types of material for rotor cage

表2 三種籠型材料電機的性能參數比較Tab.2 performance comparison of the induction motor with three types of material for rotor cage

由表2可知，采用紫銅導條的電機起動轉矩較小，效率很高；由于最大轉矩與轉子電阻無關，因此三種籠型材料電機的輸出的最大轉矩相等。考慮到電動汽車用驅動電機采用變頻器供電，采用紫銅導條能夠滿足對電機起動性能的要求，為保證電機有較高的效率，電機籠型材料應該選擇紫銅。

3.4 永磁同步電機永磁體的選擇

對于高功率密度永磁同步電機，永磁體材料的特性在一定程度上決定了其尺寸和性能。為提高電機的轉矩密度和功率密度，選擇永磁材料時應選用剩余磁通密度、矯頑力和最大磁能積較大的永磁材料。此外，由于高功率密度電機單位體積的損耗很大，溫升很高，在選擇永磁體時要考慮其耐溫性。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鈷永磁體時，電機相關的性能參數比較見表3。

表3 兩種不同永磁體電機的性能參數比較Tab.3 performance comparison of the motor with two types of material for permanent magnet

與釹鐵硼相比，釤鈷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。由表3可知，二者的效率基本相同。但釤鈷永磁體的功率因數和最大轉矩倍數比釹鐵硼電機低。

但是，釹鐵硼耐溫性較差，溫度高易退磁，當永磁電機以7 000r/min速度持續兩個小時時，電機永磁體發生部分退磁，電機反電動勢下降。

綜合考慮各項技術要求，高功率密度永磁電機永磁體宜選用釤鈷永磁體。釤鈷永磁體電機雖然磁性能稍差，但能滿足電機的性能需求，并且其耐溫性較好，最高工作溫度可達250～350℃。因此，與釹鐵硼永磁體相比，釤鈷永磁體更適合工作在高溫環境中。

與異步電機不同，永磁同步電機轉子不是一體化結構，永磁體一般內嵌或表貼于電機轉子上，在電機高速時轉子將承受巨大的離心力，因此永磁材料的機械性能也是選擇時需要考慮的問題。為保證永磁體能夠承受轉子高速旋轉時產生的巨大離心力，一般在直徑較大、轉速較高的場合下不宜采用表貼式轉子結構，而采用內嵌式結構。在轉速不高的場合時永磁體可采用表貼式，但應采取一定的保護措施，如在永磁體外面加高強度非導磁保護套，永磁體與護套間采用過盈配合[5]，或者采用碳纖維綁扎永磁體[6]。與采用非導磁鋼保護套相比，碳纖維綁扎帶的厚度要小，而且不產生高頻渦流損耗。但是，碳纖維是熱的不良導體，不利于永磁轉子的散熱。

4 高功率密度電機的高速化

電機轉子的高速化是提高電機功率密度一個很重要的方向。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。同時，高速旋轉的轉子將承受很大的離心力，對轉子結構的機械強度要求很高。

4.1 高功率密度電機的高頻率

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，由式（1）可知，電機鐵耗很大。同時，隨著頻率的增加，高頻附加損耗也會增大，特別是轉子表面由于高速旋轉所產生的風磨損耗和軸承損耗。可見，供電的頻率的提高，使得高功率密度電機具有較高的鐵耗和高頻附加損耗。

此外，由于高速高頻電機常采用變頻器或控制器供電，諧波含量比傳統電機要高很多，因此，在電機設計時，應該考慮到高次諧波對電機的影響。

4.2 高功率密度電機的高速轉子設計

高速電機的轉速要比普通異步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。當線速度達到250m/s以上時，常規的疊片轉子難以承受高速旋轉產生的離心力，因此需要采用特殊的高強度疊片或對轉子施加一定保護措施。

4.2.1籠型異步電機轉子的設計

異步電機采用鑄銅轉子是提高電機效率、改善電機功率密度的一個重要技術手段[7,8]。但目前國內外鑄銅轉子電機以小功率電機為主，電機的同步轉速主要為3 000r/min、1 500r/min和1 000r/min三種，系列產品的功率范圍為(0.75～37)kW。特斯拉電動汽車用異步電機額定功率為 85kW，額定轉速為6 000r/min，最高轉速可達14 000r/min。其驅動電機采用冷壓銅條工藝，端環與整個銅條冷壓在一起，兩端加保護環固定，可以使電機轉子承受較高的離心力，在高速狀態下正常運行。圖2給出了特斯拉電動汽車用異步電機轉子的照片。

4.2.2永磁同步電機轉子設計

由于永磁電機“V”形轉子與“一”形轉子相比，輸出轉矩大，反電動勢波形好，因而永磁電機轉子常采用“V”形轉子結構。但“V”形轉子在隔磁橋處脆性較大，機械強度較低，在電機高速運行時，由于離心力很大，很有可能對電機轉子疊片造成不良影響。

本文以一臺高功率密度永磁同步電機為例，對其進行了試驗研究。試驗用電機的輸出功率為200kW，6極，額定轉速為9 000r/min。圖3a為高功率密度永磁同步電機實物照片。通過控制器將電機轉速調到額定轉速時，由于轉子高速旋轉，轉子硅鋼片承受的離心力很大，造成局部疊片從電機中甩出。甩出疊片如圖3b所示。

圖3 永磁同步電機和甩出的轉子硅鋼片Fig.3 The permanent magnet synchronous motor and the rejection of rotor silicon steel sheet

（1）轉子加鋼箍固定。為保護電機轉子疊片，防止硅鋼片甩出，采用鋼箍對整個電機轉子進行加固。對改進后的電機進行調速試驗，當轉速達到額定轉速時，電機鋼箍出現局部燒糊現象，其狀態如圖4所示。這是由于高頻狀態下，盡管實心鋼套為不導磁的不銹鋼材，但其渦流損耗非常大，使得鋼箍局部發熱嚴重。可見，為實現對電機轉子的保護，應采用非導磁非導電的保護套。

圖4 加固轉子用的鋼套Fig.4 The steel sleeve for reinforcement

（2）轉子加無緯帶綁扎固定。無緯帶是一種予浸漬無緯玻璃絲帶，強度高、比重小、自身離心力低[9]。采用無緯帶箍保護轉子，能有效的克服電機運行時繞組所產生的電磁力和離心力[10]；絕緣的無緯帶箍能增加繞組爬電距離、減少繞組端部漏磁，有效地改善電機的電氣性能；用無緯帶代替鋼箍節省了大量合金鋼材，從而降低了成本，簡化了加工制造工藝。基于上述優點，無緯帶箍在電機中得到了廣泛的應用，是電機產品中較為理想的一種固定材料。

本文采用 0.25mm無緯帶工藝對轉子進行綁扎固定，同時轉子槽形改用“一”形槽。為保證無緯帶在高速下能提供較高的抗壓力，對其綁扎匝數進行了具體的計算。

無緯帶的抗壓力為F0，計算公式[10]為

式中N——轉子鐵心部分綁扎的匝數；

Kn——無緯帶容許的綁扎張力；

C——安全系數，一般取0.95。

未加保護措施時，轉子的離心力計算公式[11]為

式中m——鐵心被綁扎部分的質量；

D——轉子鐵心直徑；

n——電機轉速。

為留有一定裕量，使電機在一定的超速范圍時，無緯帶也能提供較高的抗拉力，計算時使無緯帶的抗壓力與轉速為額定轉速的k倍時的離心力平衡，則有

一般電機超速可取為超速 125%，即k=1.25；對于0.17×25玻璃纖維綁扎帶，Kn≤400N。由式（5）可得N=940。

考慮到綁帶規格修正系數取k1=0.8，實際的綁扎匝數為N1=k1N=752，考慮到實際作業因數，N1取整為750匝。即當無緯帶的綁扎匝數為750匝時，可使得電機在1.25倍額定轉速下可靠運行。

加無緯帶后的轉子結構如圖5a所示，轉子硅鋼片的結構如圖5b所示。對電機進行調速試驗，當電機轉速達到9 000r/min時，電機正常運行，達到了預期效果。

圖5 無緯帶加固的電機轉子與“一”形轉子硅鋼片Fig.5 The rotor with non-latitude belt and“一”shaped silicon steel sheet

5 高功率密度電機散熱能力的提高

5.1 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出[12]：①從繞組端部表面傳給空氣；②從通風道中繞組表面傳給空氣；③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[13,14]，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[12,15]為

由式（6）、式（7）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，電機端部散熱能力越強，溫升就越低。未采用灌封工藝時，端部的導熱系數為空氣的導熱系數，約為 0.023W/(m2·K)。若采用灌封工藝處理（以C級環氧樹脂灌封膠ZB3235為例），其端部的導熱系數為灌封膠的導熱系數，約為 0.5W/(m2·K)，此時端部的熱阻為前者的1/22，可見，采用灌封膠處理后，電機端部的散熱能力能得到很好的改善。

若采用性能更好的環氧灌封膠，其導熱系數可達到 1.2W/(m2·K)，將會更好地改善電機繞組散熱問題，降低電機端部溫升。

特斯拉電動汽車用異步電機的繞組端部處理方式如圖6所示。

5.2 高功率密度電機冷卻方式

電動汽車用驅動電機的單機容量較大，電機體積較小，功率密度高，電機散熱環境惡劣，運行時單位體積產生的損耗很高，帶來嚴重的溫升問題，從而影響電機的可靠性和壽命。改善冷卻系統，提高散熱能力，降低電機的溫升，是電動汽車用高功率密度電機需要解決的主要問題。

圖6 特斯拉電動汽車用異步電機的繞組端部Fig.6 The ending winging of asynchronous motor in Tesla electric vehicles

5.2.1采用空冷方式的高功率密度電機

目前，對于中小型異步電機通常采用以空氣為冷卻介質的冷卻系統，空氣冷卻有自冷、自扇冷、他扇冷、管道通風冷卻等多種型式[16]。由于電動車用高功率密度電機調速范圍較寬，若采用自扇冷卻，在低速時冷卻風量較小，容易造成低速時電機溫升較高[17]，因此對于變頻調速電機通常采用強迫風冷方式。異步電機冷卻技術的關鍵在于通風元件（風扇、冷卻器）及派生結構的設計。特斯拉電動汽車用異步電機冷卻方式采用的是強迫風冷的方式，如圖7所示。圖8給出了強迫風冷的示意圖。

圖7 采用強迫風冷方式的籠型異步電機Fig.7 The picture of the squirrel cage asynchronous motor with forced air cooling

圖8 采用強迫風冷方式的籠型異步電機示意圖Fig.8 The schematic diagram of the squirrel cage asynchronous motors with forced air cooling

5.2.2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。水冷的實質是將電機的熱量通過冷卻結構中的水帶到外部的散熱器，然后散熱器通過風冷將熱量散到周圍環境中。

電機水冷系統的種類有很多種。從結構方面來說，常用的有：機殼冷卻和端蓋冷卻結構、機殼和端蓋組合的冷卻結構以及機殼、端蓋與軸三者組合的水冷結構。其中，機殼水冷結構具有生產工藝簡單、制造成本低的優點，通常選用機殼水冷機構。

根據冷卻水在電機機殼內的流向不同可以分為兩種結構[18]：①是周向水路，周向結構又分為螺旋結構和多并聯結構；②是軸向水路。周向結構冷卻水與水套接觸面積大，冷卻效果較好。考慮到電動汽車用驅動電機的長徑比較小，不會產生很大的軸向溫差，因此周向水道更適合車用高功率密度電機。圖 9給出了采用水冷方式的高功率密度電機實物圖。圖10為電機水冷的示意圖。

圖9 采用水冷方式的永磁電機Fig.9 The picture of the permanent magnet synchronous motor with water cooling

圖10 采用水冷方式的永磁電機示意圖Fig.10 The schematic diagram of the permanent magnet synchronous motor with water cooling

5.2.3兩種冷卻方式的比較

水冷電機具有獨特的冷卻系統，冷卻效果較好，適用于高溫環境長期穩定運行，但其結構復雜，需要循環水泵及熱交換器，制造難度相對較大，價格昂貴。與水冷相比，風冷電機環境適應性比較好，應用環境廣泛，風冷電機冷卻系統結構簡單，采用特殊方式的強迫風冷，通過合理的分析計算，也可使電機達到很好的散熱效果。

6 電機本體輕量化設計

為減輕電動汽車用驅動電機的重量，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[19]。設計轉子開孔數量和大小時，要保證開孔前后的電機性能基本不變，并且開孔后的轉子疊片要滿足機械強度的要求。

7 結論

本文通過分析高功率密度電機與傳統電機在運行時的不同之處，結合高功率密度電機的實際運行特點，總結出了高功率密度電機在設計時需要考慮的若干問題，包括硅鋼片材料和永磁體的選擇，端部繞組和轉子處理工藝，以及電機冷卻方式的選擇等。結合電機試驗驗證了部分改進措施的可行性，為今后高功率密度電機的設計提供了一定的參考價值。

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