電動汽車用高功率密度電機關(guān)鍵技術(shù)探討

周寶純

0 引言

縱觀當前的電機設計，功率密度是其中不容忽視的重點。一般情況下，高功率密度電機的銷量比較高，這主要得益于其重量輕、體積小的特點，隨著電動汽車產(chǎn)業(yè)以及綠色能源相關(guān)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，高功率密度電機已經(jīng)逐漸應用并呈現(xiàn)出廣泛擴散之勢。在電動汽車、航空航天等領(lǐng)域，高功率密度電機發(fā)揮了十分重要的作用，但是在某些技術(shù)層面仍需提升，從而更好地為所需要的行業(yè)領(lǐng)域服務，發(fā)揮最大的價值，促進電動汽車、航空航天等相關(guān)領(lǐng)域的快速發(fā)展。

1 高功率密度電機的基本特點

1.1 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度快

高功率密度電機的一大特點是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度快。通常情況下，電機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度有一個比較穩(wěn)定的范圍或者數(shù)值，如可以穩(wěn)定保持在6 000 r/min，而高功率密度電機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度通常可以達到10 000 r/min。在如此高速的轉(zhuǎn)動下，電機的供電頻率也會相應的有所增加，常規(guī)情況下的供電頻率為200 Hz，而最高頻率下則可能會超過1 000 Hz。

1.2 電磁負荷比較高

高功率密度電機的另一大特點是電磁負荷較高。相較于常規(guī)電機，高功率密度電機電磁負荷要高很多，這也就直接導致了電機單位體積的損耗增加，從而導致整體的損耗增加。一旦電機的損耗增加，將會導致電機各部件的溫度上升，這就對冷卻方式提出了更加嚴格的要求，而如果冷卻方式不合理，電機功能將會受影響[1]。

2 高功率密度電機的主要設計

2.1 磁性材料

若高功率密度電機的供電頻率逐漸提升，電機鐵心受到的損害也將會不斷增加，因而鐵心損耗在電機總損耗中所占的比重也會逐漸增加，所以電機鐵心損耗主要與磁感應強度和鐵心材料2個要素有直接關(guān)系。電機正常工作時，鐵心損耗是必不可免的，所以要采取積極的措施加以解決，從而降低鐵心損耗。控制磁感應強度，使磁感應強度降低，可以在一定程度上降低鐵心損耗[2]。同時在選擇鐵心材料時，應當堅持“高導磁，低損耗”的原則，保證鐵心材料選擇的合理性。

2.2 定子導線

電機在運行過程中，其線圈中的定子銅耗可能會比較大，會對電機效率的提升造成消極影響，所以降低定子銅耗也是不可缺少的工作。從目前情況來看，解決定子銅耗較高的問題時，通常使用導電率較高的導線，如銀銅合金材料的導線便是一種較為理想的選擇[3]。電動汽車高功率密度驅(qū)動電機的供電方式，一般是控制器或變頻器，這就要求在絕緣性方面得到保證，最大限度地避免繞組受到電壓的影響，出現(xiàn)電暈現(xiàn)象，個別情況下還可以在電機線圈中選擇變頻電磁線。

2.3 籠型異步電機轉(zhuǎn)子籠型材料

在籠型異步電機轉(zhuǎn)子中，導條通常是由銅或鑄鋁等材料制作而成，無論是銅導條還是鋁導條，各自都有著自己比較突出的優(yōu)缺點。銅導條的優(yōu)點在于有著較高的效率，受到電阻影響比較小，缺點是起轉(zhuǎn)時的轉(zhuǎn)矩比較小。鋁導條與銅導條的優(yōu)缺點恰恰相反，其效率不高，受到電阻的影響大，但起轉(zhuǎn)時具有較高的轉(zhuǎn)矩。所以，在選擇籠型異步電機轉(zhuǎn)子導條材料的時候，必須要重點考慮電動機性能受到電阻的影響程度。

2.4 永磁同步電機永磁體

高功率密度電機中，永磁材料本身固有的特性，會對高功率密度永磁同步電機的性能起到關(guān)鍵影響，甚至決定性的作用。高功率密度電機在設計時，既要考慮到功率密度，也要考慮到轉(zhuǎn)矩密度，所以在對永磁材料進行選擇的時候，需要對最大磁能積、矯頑力和剩余磁通密度進行綜合考慮。通常而言，磁能積、矯頑力和剩余磁通密度的數(shù)值越大，則說明性能越好[4]。另外，因為高功率密度電機在運轉(zhuǎn)時，單位體積產(chǎn)生的損耗會增加，隨之帶來的便是溫度上升，所以必須要考慮到溫度控制的因素，在選擇電機部件材料時，盡量選擇耐溫性能好的材料。

3 高功率密度電機的高度化

3.1 高功率密度電機的高頻率

電機轉(zhuǎn)速、鐵心頻率之間正常情況下是正比例的關(guān)系。電機保持高度運轉(zhuǎn)的狀態(tài)時，鐵心產(chǎn)生的磁通交變頻率也將會逐漸增大，電機鐵耗的程度會保持在較高的水平。如果頻率增加，高頻附加損耗也會隨之增加，在高速旋轉(zhuǎn)下，轉(zhuǎn)子表面的軸承損耗和風磨損耗會隨之產(chǎn)生[5]。所以電機供電頻率增加時，電機的高頻附加損耗和鐵耗也會隨之增加。同時，與傳統(tǒng)電機相比，高速高頻電機的供電選擇一般為控制器或變頻器，在這樣的情況下，諧波含量也會有所增加。所以在對高功率密度電機進行設計的時候，需要考慮到高次諧波的影響。

3.2 高功率密度電機的高速轉(zhuǎn)子設計

高速轉(zhuǎn)子，從其名字不難看出，“高速”兩字充分體現(xiàn)了轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。從物理學的角度來看，高速轉(zhuǎn)子保持在高速轉(zhuǎn)動的狀態(tài)時，產(chǎn)生的離心力會非常大，轉(zhuǎn)子材料此時承受的切向應力也會保持在較高的水平。實踐表明，如果線速度在250 m/s以上的時候，常規(guī)的疊片轉(zhuǎn)子是難以承受產(chǎn)生的巨大離心力。所以在設計高功率密度電機高速轉(zhuǎn)子的時候，一定采用相關(guān)的保護措施，可以考慮提升疊片的強度來應對產(chǎn)生的較大離心力。

4 結(jié)束語

電動汽車高功率密度電機的設計是一項復雜的任務，牽扯到每個具體的環(huán)節(jié)?？紤]到高功率密度電動機的轉(zhuǎn)速非常高，其帶來損耗就比較大，對各零部件的要求也隨之提升。設計師在對電動汽車高功率密度電機進行設計的時候，應當注重材料的選擇，選擇質(zhì)量過關(guān)、性能較強的材料，以保證材料性能能夠滿足電機在運行狀態(tài)下的需求。同時在具體的設計過程中，注意對各工藝環(huán)節(jié)的加工和處理，不斷對設計進行優(yōu)化，從而提升高功率密度電機的綜合性能，使其能夠符合電動汽車的實際需求。

[1]王曉遠,高鵬,趙玉雙.電動汽車用高功率密度電機關(guān)鍵技術(shù)[J].電工技術(shù)學報,2015,30(6):53-59.

[2]劉鈞,鐘玉林,張瑾,等.電動汽車用高功率密度電機控制器研發(fā)[J].電力電子技術(shù),2011,45(12):14-16.

[3]于彭濤,王鑫.電動汽車用高功率密度電機關(guān)鍵技術(shù)[J].時代汽車,2017,12(8):129-129.

[4]劉鈞,胡偉,溫旭輝.電動汽車用高功率密度集成控制器研究[J].大功率變流技術(shù),2011,12(1):44-48.

[5]顏湘武,肖湘寧,張波,等.電動汽車傳導式充電機關(guān)鍵技術(shù)[J].電力電子技術(shù)，2011，12(07)：20-26.