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如何提高電機(jī)的功率密度？
2021-12-19 10:43:54· 來源：驅(qū)動(dòng)視界
國(guó)外如大眾、沃爾沃、克萊斯勒等驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速不斷提升，最高達(dá)到14k~16krpm；從繞組結(jié)構(gòu)上看，發(fā)卡式繞組/扁導(dǎo)線繞組（通用、豐田、本田、戴姆勒等）成為明
國(guó)外如大眾、沃爾沃、克萊斯勒等驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速不斷提升，最高達(dá)到14k~16krpm；從繞組結(jié)構(gòu)上看，發(fā)卡式繞組/扁導(dǎo)線繞組（通用、豐田、本田、戴姆勒等）成為明確的技術(shù)方向之一，電機(jī)功率密度均達(dá)到3.8~4.5kW/L以上；無/低重稀土材料已經(jīng)開始應(yīng)用。
▲中克駱瑞
在高密度電機(jī)控制器方面，芯片雙面焊接和系統(tǒng)級(jí)封裝是當(dāng)前國(guó)外電機(jī)控制器主流封裝形式，如電裝、Bosch、 大陸等集成控制器功率密度已達(dá)到16~25kW/L；在雙電機(jī)插電式混動(dòng)和高功率乘用車應(yīng)用領(lǐng)域，直流電壓呈現(xiàn)提升的趨勢(shì)（從250~450V提升至500~700V）。
“十三五”電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)與技術(shù)進(jìn)展，電機(jī)發(fā)展目標(biāo)：功率密度4.0kW/kg，轉(zhuǎn)矩密度20Nm/kg，保持國(guó)際先進(jìn)。
▲中克駱瑞
目前，功率密度已然成為設(shè)計(jì)電機(jī)中的一個(gè)非常重要的指標(biāo)。高功率密度電機(jī)因其體積小、重量輕、效率高等特點(diǎn)越來越受到研究人員和生產(chǎn)廠家的關(guān)注。
現(xiàn)提出如下幾種提高電機(jī)功率密度的途徑和方法，與大家共同探討：
1 電磁設(shè)計(jì)優(yōu)化
1.1 磁性材料的選擇
高功率密度電機(jī)的供電頻率在一般情況下可以達(dá)到上千赫茲，開關(guān)頻率的上升會(huì)導(dǎo)致鐵心損耗也會(huì)飛快的上升，鐵心耗能占高速電機(jī)總體會(huì)變得上升。
電機(jī)鐵耗與頻率有以下關(guān)系:
-
Ph、Pe：磁滯損耗和渦流損耗；
-
Kh、ke：磁損耗和渦流損耗系數(shù)，與鐵心材料和厚度有關(guān)；
-
Bm：磁通密度峰值；
-
f：電機(jī)供電頻率。
從上式可知，下降鐵耗的方法有：
1）減小鐵心中的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小；
2）用高導(dǎo)磁低損耗的鐵心。
分別采用用0.35mm的硅鋼片DW270和0.2mm電工鋼片時(shí)，電機(jī)鐵耗的相關(guān)數(shù)據(jù)如下：
厚度/mm 磁滯系數(shù) 渦流系數(shù) 鐵耗/kW
0.35 179 0.403 4.146
0.20 139 0.175 2.532
由上表可見超薄型的電工鋼片磁滯消耗和渦流消耗均較低，可以很好的下降機(jī)電鐵耗。
1.2 定子導(dǎo)線的選擇
若想削減定子銅耗，電機(jī)必須要應(yīng)用導(dǎo)電率高的導(dǎo)線，如銀銅合金等。在電動(dòng)汽車用高功率密度驅(qū)動(dòng)電機(jī)里，經(jīng)由控制器或變頻器（逆變器）供電，在電機(jī)線圈中可以利用變頻電磁線提升電機(jī)的絕緣能力，避免出現(xiàn)電暈現(xiàn)象。
1.3 異步電機(jī)轉(zhuǎn)子籠型材料的選擇
籠型異步電機(jī)轉(zhuǎn)子采用鑄鋁或采納銅導(dǎo)條。銅導(dǎo)條的效率高、電阻小，但起動(dòng)后轉(zhuǎn)動(dòng)起來的轉(zhuǎn)矩也較小；鋁導(dǎo)條的電阻大、效率偏低，但在轉(zhuǎn)起來時(shí)有較高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。在選擇轉(zhuǎn)子籠型材料時(shí)，應(yīng)當(dāng)首要考慮電阻對(duì)電機(jī)性能的影響。
我們使用特斯拉車上所應(yīng)用的異步電機(jī)為模型，比較電機(jī)在三種不同材料的導(dǎo)條下的性能輸出。
圖1給出的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線是在三種材料下電機(jī)的狀態(tài)圖，因?yàn)殡娮鑼?duì)電機(jī)的影響，可以看出采取黃銅導(dǎo)條的籠型電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩最高，采取紫銅導(dǎo)條的籠型電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩最低；最大轉(zhuǎn)矩相差不多。
表2給出了三種籠型材料電機(jī)的性能參數(shù)對(duì)比：
由表2可知，采取紫銅導(dǎo)條的電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較小，效率較高；因?yàn)樽畲筠D(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子電阻無關(guān)，是以三種籠型材料電機(jī)輸出的最大轉(zhuǎn)矩相稱。因?yàn)殡妱?dòng)汽車是使用變頻器供電驅(qū)動(dòng)電機(jī)的，電機(jī)轉(zhuǎn)子素材首先用黃銅和紫銅，黃銅材料來說，具有較低的系數(shù)阻力。通過實(shí)驗(yàn)，可以得出結(jié)論，在電機(jī)中使用銅是最佳選擇。
1.4 永磁同步電機(jī)永磁體的選擇
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鉆永磁體時(shí)，電機(jī)相關(guān)的性能參數(shù)見下表：
與釹鐵硼相比，釤鉆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(jī)的氣隙磁通密度較低，鐵耗較小，電機(jī)定子電流較大，銅耗較高。
二者的效率基本相同，但釤鉆永磁體的功率因數(shù)和最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)比釹鐵硼電機(jī)低，但釹鐵耐溫性較差，溫度高易退磁，當(dāng)永磁電機(jī)以7000r/min速度持續(xù)兩個(gè)小時(shí)時(shí)，電機(jī)永磁體產(chǎn)生部分退磁。
釤鉆永磁體電機(jī)固然性能稍差，但其耐溫性較好，最高工作溫度可達(dá)250~350℃。因此，與釹鐵永磁體相比，釤鉆永磁體更適合工作在高溫場(chǎng)景中。
永磁體無論是鑲嵌在轉(zhuǎn)子軸旁邊或者體內(nèi)，在電機(jī)轉(zhuǎn)速特別快的時(shí)候，轉(zhuǎn)子就會(huì)受到很強(qiáng)的離心力，所以永磁材料的機(jī)械結(jié)構(gòu)性能也需要考慮，由于我們希望永磁體可以扛住相當(dāng)大的離心力來完成任務(wù)，所以在一些特定情況或者飛速旋轉(zhuǎn)不停歇的時(shí)候我們也盡可能地避免使用表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，相反，我們選擇內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)。
在轉(zhuǎn)速不高的場(chǎng)合時(shí)永磁體可采取表貼式，但應(yīng)采納必須的保護(hù)措施，如在永磁體表面加高強(qiáng)度非導(dǎo)磁保護(hù)套，永磁體與護(hù)套間采取過盈配合，或采取碳纖維捆扎永磁體。不過，碳纖維易燃，并且難控制溫度，不是優(yōu)質(zhì)導(dǎo)體，不宜控制溫度。
2 高速化
電機(jī)轉(zhuǎn)子的高速化是進(jìn)一步提升電機(jī)功率密度一個(gè)很主要的方向。在轉(zhuǎn)速提高的同時(shí)，電機(jī)供電頻率會(huì)很高，使得電機(jī)鐵耗、雜散損耗較大。
與此同時(shí)，對(duì)于正在進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子來說，它要承受非常大的離心力，這就要求其有很強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度。
2.1 高頻率
電機(jī)鐵心中的頻率與電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，電機(jī)高速時(shí)，鐵心中的磁通交變頻率很大，電機(jī)鐵耗很大。而且隨著頻率的逐步增加，也會(huì)增大高頻附加消耗，尤其是轉(zhuǎn)子因?yàn)轱L(fēng)磨消耗和軸承消耗在其高速旋轉(zhuǎn)下很是明顯。
可見，供電的頻率的提升使得高功率密度電機(jī)具有較高的鐵耗和高頻附加耗損。另外，因?yàn)楦咚俑哳l電機(jī)常采取變頻器或控制器供電，諧波含量比傳統(tǒng)電機(jī)要高很多，所以在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮到高次諧波對(duì)電機(jī)的影響。
2.2 高速轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)
高速電機(jī)的轉(zhuǎn)速要比普通電機(jī)的轉(zhuǎn)速快幾倍到十幾倍，在旋轉(zhuǎn)過程中，必然產(chǎn)生比普通電動(dòng)機(jī)高得多的離心力，這將使得轉(zhuǎn)子材料承受很大的切向應(yīng)力。
當(dāng)線速度到達(dá)到250m/s以上時(shí)，普通的轉(zhuǎn)子難以承受高速扭轉(zhuǎn)發(fā)生的離心力，因此，必須采取特別的高強(qiáng)度疊片或?qū)D(zhuǎn)子施加必須保護(hù)措施。
3 集成化
通過將驅(qū)動(dòng)電機(jī)、逆變器，減速器三個(gè)部件一體化、集成化，可以實(shí)現(xiàn)輕量化、高效、小型化，同時(shí)降低成本，在一定程度上解放空間、利于整車布置。
電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的集成化設(shè)計(jì)不僅可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的小型化和輕量化以降低成本，還可以提高效率：如果將驅(qū)動(dòng)電機(jī)與逆變器集成一體，逆變器配置在驅(qū)動(dòng)電機(jī)旁，連接電機(jī)與逆變器的線束就可以縮短或者置換，由此，不僅減小了機(jī)構(gòu)的尺寸和重量，還降低了線束產(chǎn)生的能量損耗。
再如，將驅(qū)動(dòng)電機(jī)與減速箱集成為一體，減速器齒輪的潤(rùn)滑油和電機(jī)的冷卻油就可以共用，精簡(jiǎn)了冷卻機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)小型化。
▲華為七合一
甚至還可以將OBC、DCDC、PDU等部件集成到一起，形成“七合一”甚至“八合一”。
4 提高散熱能力
4.1 定子繞組處理工藝
由于高功率密度電機(jī)體積較小、電磁負(fù)荷高、單位體積的損耗大，電機(jī)產(chǎn)生的熱量很多，這些熱量須及時(shí)有效地散發(fā)出去，以保證電機(jī)的可靠運(yùn)行。
電機(jī)繞組產(chǎn)生的熱量是電機(jī)熱源的主要組成部分，定子繞組產(chǎn)生的熱量可由三條途徑散發(fā)：
-
從繞組端部表面?zhèn)鹘o空氣；
-
從通風(fēng)道中繞組表面?zhèn)鹘o空氣；
-
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、散出去的熱量較少，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，即采用導(dǎo)熱性能良好的導(dǎo)熱膠將端部熱量通過機(jī)殼有效的散出。
導(dǎo)熱膠可采用耐高溫的環(huán)氧灌封膠或有機(jī)硅型灌封膠，電機(jī)端部與空氣間的熱阻為
-
αE--等效端部散熱系數(shù)；
-
SC--繞組端部傳熱表面積；
-
Nu--努賽爾特準(zhǔn)則數(shù)；
-
λ--繞組端部的導(dǎo)熱系數(shù)；
-
de--端部等效直徑。
由上式可知，電機(jī)端部的熱阻與端部導(dǎo)熱系數(shù)成反比例關(guān)系，導(dǎo)熱系數(shù)越高，使得電機(jī)端部熱阻越小，電機(jī)端部散熱本領(lǐng)越強(qiáng)，溫升就越低。
未采納灌封工藝時(shí)，端部的導(dǎo)熱系數(shù)為空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，約為0；若采納灌封工藝處置理，電機(jī)端部的散熱能力能得到很好的改普，若采用性能更好的環(huán)氧灌封膠，其導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)到1.2WA(m32K)，將會(huì)更好地改善電機(jī)繞組散熱問題，降低電機(jī)端部溫升。
4.2高功率密度電機(jī)冷卻方式
汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)體積小、功率密度高、散熱差，單位體積損耗產(chǎn)生的熱量是非常高的，這導(dǎo)致了嚴(yán)重的問題。溫度的升高導(dǎo)致可靠性與壽命的降低，所以提高冷卻系統(tǒng)散熱能力、降低電機(jī)溫度升高是解決問題的關(guān)鍵。
目前微型汽車電動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)中，通常采用空氣作為冷卻介質(zhì)，冷卻空氣具有類型的多樣性，如冷卻風(fēng)扇、空調(diào)、制冷及通風(fēng)管和風(fēng)機(jī)。
4.2.1采用空冷方式的高功率密度電機(jī)
因?yàn)殡妱?dòng)汽車用高功率密度電機(jī)調(diào)速范圍較寬，若采取風(fēng)扇冷卻，在低速時(shí)冷卻風(fēng)量較小，容易造成低速時(shí)電機(jī)溫升較高，所以需要對(duì)變頻調(diào)速電機(jī)采取強(qiáng)制風(fēng)冷。
4.2.2采用水冷方式的高功率密度電機(jī)
電動(dòng)汽車用高功率密度電機(jī)也可采用水冷方式冷卻。水冷的原理是經(jīng)由過程冷卻布局中的水將電機(jī)的熱量帶到外部的散熱器，然后經(jīng)由過程風(fēng)冷將散熱器里的熱量散到周圍環(huán)境中，電機(jī)水冷體系的種類有很多種。
從布局方面來講，經(jīng)常使用的有：機(jī)殼冷卻和端蓋冷卻布局、機(jī)殼和端蓋組合的冷卻布局和機(jī)殼、端蓋與軸三者組合的水冷布局。其中，機(jī)殼水冷方式具備生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、制造成本低的優(yōu)勢(shì)。
機(jī)殼水冷結(jié)構(gòu)按照冷卻水在電機(jī)機(jī)殼內(nèi)的流向可以分為軸向水套、螺旋布局和多并聯(lián)布局。其中軸向水套布局冷卻水與水套接觸面積大，冷卻結(jié)果較好?？紤]到電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的長(zhǎng)徑比力小，不會(huì)發(fā)生很大的軸向溫差，所以軸向水道更適合車用高功率密度電機(jī)。
4.2.3兩種冷卻方式的比較
相比來說，水冷電機(jī)有一套自己的冷卻系統(tǒng)，在高溫的工作環(huán)境下可以長(zhǎng)期平穩(wěn)的運(yùn)行，冷卻效果好，但是由于循環(huán)水泵和熱交換器的安裝，使得它價(jià)格昂貴，制作麻煩。
而風(fēng)冷有著更好的環(huán)境適應(yīng)性，價(jià)格低廉、制作簡(jiǎn)單，在微型車上可以達(dá)到很好的冷卻效果。
5 電機(jī)本體輕量化設(shè)計(jì)
為減輕電動(dòng)汽車用電機(jī)的重量，提高電機(jī)的功率密度，在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，電機(jī)的機(jī)殼采用比重較輕的鋁殼，同時(shí)，為減輕轉(zhuǎn)子的重量，一方面采用空心軸承代替實(shí)心軸；另一方面，在磁路允許的情況下，采用轉(zhuǎn)子鐵心去重，即以轉(zhuǎn)子鐵心開孔的方式降低重量。
德國(guó)弗勞恩霍夫化學(xué)技術(shù)研究所（ICT）和卡爾斯魯厄理工學(xué)院（KIT）最近試驗(yàn)用塑料替代電機(jī)的金屬外殼以降低電動(dòng)車重量。
新的電機(jī)為了解決動(dòng)能轉(zhuǎn)化時(shí)產(chǎn)生的10%熱量對(duì)塑料外殼的影響，而在定子周圍采用了矩形散熱導(dǎo)管來實(shí)現(xiàn)更高效的散熱，同時(shí)也在轉(zhuǎn)子上采用類似的散熱設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)將這部分熱量的80%帶走，保證電機(jī)在工作中不至于產(chǎn)生過高的溫度影響塑料外殼的強(qiáng)度。
如果塑料電機(jī)試驗(yàn)成功，那么不僅能夠節(jié)省電機(jī)制造成本，提升生產(chǎn)效率，還能夠?yàn)殡妱?dòng)車減輕重量，一舉多得。
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