【研究前沿】电动汽车用高功率密度电机关键技术
天津大学电气与自动化工程学院的研究人员王晓远、高鹏、赵玉双，在2015年第6期《电工技术学报》上撰文，首先介绍了高功率密度电机的运行特点，并结合电动汽车用笼型异步电机和永磁同步电机两种高功率密度电机，分别从电磁设计、机械工艺和冷却方式三方面进行了分析和设计。最后结合电机试验，对提出的改进措施进行了验证。文中提出的设计工艺可为电机设计者提供很好的参考价值。
1 引言
目前，功率密度已经成为电机设计中一个非常重要的设计指标。高功率密度电机由于体积小、重量轻、效率高等特点越来越受到研究者和厂家的关注。特别是在航空航天、潜艇、电动汽车等特殊应用场合中[1]，由于空间的限制，要求使用的电动机体积更小、重量更轻、效率更高，也就是要求电机有较高的功率密度。
为了提高电机的功率密度，通常采用以下三种方法：①合理优化电机电磁设计和采用高性能的电磁材料；②适当提高电机的额定转速，转速一般可高达上万转；③提高电机的散热能力。
高功率密度电机由于其高速高频的特性，与传统电机在运行特性方面有很大的不同。结合电动汽车用笼型异步电机（以特斯拉电动汽车电机为例）和永磁同步电机两种高功率密度电机，本文分别从电磁设计、机械工艺和冷却方式三方面对高功率密度电机进行了分析，给出了其特点和设计要求。
2 高功率密度电机的特点
高功率密度电机的主要特点包括以下几个方面：
①转子的高速旋转，额定转速均在6000r/min以上，最高转速可达10000r/min以上，由于较高的转速，使得电机供电频率很高，在200Hz 左右，最高频率可达1kHz以上[2]；
②较高的电磁负荷，导致电机单位体积的损耗增大，使得电机各部件的温升偏高，需要更为有效的冷却方式。
上述特点决定了高功率密度电机具有不同于普通电机的设计要求。
3 高功率密度电机的电磁设计
3.1 磁性材料的选择（略）
降低铁耗的方法有：①适当降低铁心中的磁感应强度；②采用高导磁低损耗的铁心材料。超薄型的电工钢片磁滞损耗和涡流损耗均较低，可以很好的降低电机铁耗。
3.2 定子导线的选择
为降低定子铜耗，电机线圈应采用高导电率的导线，如银铜合金。由于电动汽车用高功率密度驱动电机通常采用变频器或控制器供电，为提高电机的绝缘性能，减弱冲击电压对绕组的影响[4]，防止电晕产生，电机线圈还应采用变频电磁线。
3.3 笼型异步电机转子笼型材料的选择（略）
选择转子笼型材料时，应该主要考虑电阻对电动机性能的影响。采用紫铜导条的电机起动转矩较小，效率很高；由于最大转矩与转子电阻无关，因此三种笼型材料电机的输出的最大转矩相等。考虑到电动汽车用驱动电机采用变频器供电，采用紫铜导条能够满足对电机起动性能的要求，为保证电机有较高的效率，电机笼型材料应该选择紫铜。
3.4 永磁同步电机永磁体的选择
对于高功率密度永磁同步电机，永磁体材料的特性在一定程度上决定了其尺寸和性能。为提高电机的转矩密度和功率密度，选择永磁材料时应选用剩余磁通密度、矫顽力和最大磁能积较大的永磁材料。
此外，由于高功率密度电机单位体积的损耗很大，温升很高，在选择永磁体时要考虑其耐温性。综合考虑各项技术要求，高功率密度永磁电机永磁体宜选用钐钴永磁体。钐钴永磁体电机虽然磁性能稍差，但能满足电机的性能需求，并且其耐温性较好，最高工作温度可达250-350℃。因此，与钕铁硼永磁体相比，钐钴永磁体更适合工作在高温环境中。
与异步电机不同，永磁同步电机转子不是一体化结构，永磁体一般内嵌或表贴于电机转子上，在电机高速时转子将承受巨大的离心力，因此永磁材料的机械性能也是选择时需要考虑的问题。为保证永磁体能够承受转子高速旋转时产生的巨大离心力，一般在直径较大、转速较高的场合下不宜采用表贴式转子结构，而采用内嵌式结构。
在转速不高的场合时永磁体可采用表贴式，但应采取一定的保护措施，如在永磁体外面加高强度非导磁保护套，永磁体与护套间采用过盈配合[5]，或者采用碳纤维绑扎永磁体[6]。与采用非导磁钢保护套相比，碳纤维绑扎带的厚度要小，而且不产生高频涡流损耗。但是，碳纤维是热的不良导体，不利于永磁转子的散热。
4 高功率密度电机的高速化
电机转子的高速化是提高电机功率密度一个很重要的方向。在转速提高的同时，电机供电频率会很高，使得电机铁耗、杂散损耗较大。同时，高速旋转的转子将承受很大的离心力，对转子结构的机械强度要求很高。
4.1 高功率密度电机的高频率
电机铁心中的频率与电机的转速成正比，电机高速时，铁心中的磁通交变频率很大，由式（1）
可知，电机铁耗很大。同时，随着频率的增加，高频附加损耗也会增大，特别是转子表面由于高速旋转所产生的风磨损耗和轴承损耗。可见，供电的频率的提高，使得高功率密度电机具有较高的铁耗和高频附加损耗。
此外，由于高速高频电机常采用变频器或控制器供电，谐波含量比传统电机要高很多，因此，在电机设计时，应该考虑到高次谐波对电机的影响。
4.2 高功率密度电机的高速转子设计
高速电机的转速要比普通异步电机的转速快几倍到十几倍，在旋转过程中，必然产生比普通电动机高得多的离心力，这将使得转子材料承受很大的切向应力。当线速度达到250m/s以上时，常规的叠片转子难以承受高速旋转产生的离心力，因此需要采用特殊的高强度叠片或对转子施加一定保护措施。
4.2.1笼型异步电机转子的设计
异步电机采用铸铜转子是提高电机效率、改善电机功率密度的一个重要技术手段[7,8]。但目前国内外铸铜转子电机以小功率电机为主，电机的同步转速主要为3000r/min、1500r/min和1 000r/min三种，系列产品的功率范围为(0.75-37)kW。
特斯拉电动汽车用异步电机额定功率为85kW，额定转速为6000r/min，最高转速可达14000r/min。其驱动电机采用冷压铜条工艺，端环与整个铜条冷压在一起，两端加保护环固定，可以使电机转子承受较高的离心力，在高速状态下正常运行。图2给出了特斯拉电动汽车用异步电机转子的照片。
4.2.2永磁同步电机转子设计（略）
由于永磁电机“V”形转子与“一”形转子相比，输出转矩大，反电动势波形好，因而永磁电机转子常采用“V”形转子结构。但“V”形转子在隔磁桥处脆性较大，机械强度较低，在电机高速运行时，由于离心力很大，很有可能对电机转子叠片造成不良影响。
本文以一台高功率密度永磁同步电机为例，对其进行了试验研究。试验用电机的输出功率为200kW，6极，额定转速为9000r/min。图3a为高功率密度永磁同步电机实物照片。通过控制器将电机转速调到额定转速时，由于转子高速旋转，转子硅钢片承受的离心力很大，造成局部叠片从电机中甩出。甩出叠片如图3b 所示。
（1）转子加钢箍固定。为保护电机转子叠片，防止硅钢片甩出，采用钢箍对整个电机转子进行加固。对改进后的电机进行调速试验，当转速达到额定转速时，电机钢箍出现局部烧糊现象，其状态如图4所示。这是由于高频状态下，尽管实心钢套为不导磁的不锈钢材，但其涡流损耗非常大，使得钢箍局部发热严重。可见，为实现对电机转子的保护，应采用非导磁非导电的保护套。
（2）转子加无纬带绑扎固定。无纬带是一种予浸渍无纬玻璃丝带，强度高、比重小、自身离心力低[9]。采用无纬带箍保护转子，能有效的克服电机运行时绕组所产生的电磁力和离心力[10]；绝缘的无纬带箍能增加绕组爬电距离、减少绕组端部漏磁，有效地改善电机的电气性能；用无纬带代替钢箍节省了大量合金钢材，从而降低了成本，简化了加工制造工艺。基于上述优点，无纬带箍在电机中得到了广泛的应用，是电机产品中较为理想的一种固定材料。
5 高功率密度电机散热能力的提高
5.1 定子绕组处理工艺（略）
电机绕组产生的热量是电机热源的主要组成部分，定子绕组产生的热量可由三条途径散出[12]：①从绕组端部表面传给空气；②从通风道中绕组表面传给空气；③先传给铁心，再由铁心传给空气。
由于绕组端部散热能力较差，散出的热量较少，使得绕组端部温度通常很高，为改善这一问题，在定子绕组端部采用灌封工艺[13,14]，即采用导热性能良好的导热胶将端部热量通过机壳有效的散出。导热胶可采用耐高温的环氧灌封胶或有机硅型灌封胶。
5.2 高功率密度电机冷却方式
电动汽车用驱动电机的单机容量较大，电机体积较小，功率密度高，电机散热环境恶劣，运行时单位体积产生的损耗很高，带来严重的温升问题，从而影响电机的可靠性和寿命。改善冷却系统，提高散热能力，降低电机的温升，是电动汽车用高功率密度电机需要解决的主要问题。
5.2.1采用空冷方式的高功率密度电机
目前，对于中小型异步电机通常采用以空气为冷却介质的冷却系统，空气冷却有自冷、自扇冷、他扇冷、管道通风冷却等多种型式[16]。由于电动车用高功率密度电机调速范围较宽，若采用自扇冷却，在低速时冷却风量较小，容易造成低速时电机温升较高[17]，因此对于变频调速电机通常采用强迫风冷方式。
异步电机冷却技术的关键在于通风元件（风扇、冷却器）及派生结构的设计。特斯拉电动汽车用异步电机冷却方式采用的是强迫风冷的方式，如图7所示。图8给出了强迫风冷的示意图。
5.2.2采用水冷方式的高功率密度电机
电动汽车用高功率密度电机也可采用水冷方式冷却。水冷的实质是将电机的热量通过冷却结构中的水带到外部的散热器，然后散热器通过风冷将热量散到周围环境中。
电机水冷系统的种类有很多种。从结构方面来说，常用的有：机壳冷却和端盖冷却结构、机壳和端盖组合的冷却结构以及机壳、端盖与轴三者组合的水冷结构。其中，机壳水冷结构具有生产工艺简单、制造成本低的优点，通常选用机壳水冷机构。
根据冷却水在电机机壳内的流向不同可以分为两种结构[18]：①是周向水路，周向结构又分为螺旋结构和多并联结构；②是轴向水路。周向结构冷却水与水套接触面积大，冷却效果较好。考虑到电动汽车用驱动电机的长径比较小，不会产生很大的轴向温差，因此周向水道更适合车用高功率密度电机。图9给出了采用水冷方式的高功率密度电机实物图。图10为电机水冷的示意图。
5.2.3两种冷却方式的比较
水冷电机具有独特的冷却系统，冷却效果较好，适用于高温环境长期稳定运行，但其结构复杂，需要循环水泵及热交换器，制造难度相对较大，价格昂贵。与水冷相比，风冷电机环境适应性比较好，应用环境广泛，风冷电机冷却系统结构简单，采用特殊方式的强迫风冷，通过合理的分析计算，也可使电机达到很好的散热效果。
6 电机本体轻量化设计
为减轻电动汽车用驱动电机的重量，提高电机的功率密度，在电机设计时，电机的机壳采用比重较轻的铝壳，同时，为减轻转子的重量，一方面采用空心轴代替实心轴；另一方面，在磁路允许的情况下，采用转子铁心去重，即以转子铁心开孔的方式降低重量[19]。设计转子开孔数量和大小时，要保证开孔前后的电机性能基本不变，并且开孔后的转子叠片要满足机械强度的要求。
7 结论
本文通过分析高功率密度电机与传统电机在运行时的不同之处，结合高功率密度电机的实际运行特点，总结出了高功率密度电机在设计时需要考虑的若干问题，包括硅钢片材料和永磁体的选择，端部绕组和转子处理工艺，以及电机冷却方式的选择等。结合电机试验验证了部分改进措施的可行性，为今后高功率密度电机的设计提供了一定的参考价值。