电动汽车用高功率密度电机关键技术

摘 要：近年来，电动汽车工业和新能源领域的发展越来越快，电机的性能也越来越高。高功率密度电机满足电动汽车及相关行业的发展需求，并逐渐受到业界和社会的广泛关注。本文从目前电动汽车市场上高功率密度电机的设计和应用的实际情况出发，探讨了高功率密度电机的特点、设计和高速3个方面，希望能为相关研究提供一定的参考。

目前，功率密度已成为电机设计中的一个重要指标。高功率密度电机因其体积小、重量轻、效率高等优点，越来越受到研究者和生产厂家的重视。特别是在航空航天、潜艇、电动汽车等特别利用场所中，因为安置空间有限定,对电动秘密求体积更小、效力更高、重量更轻、效力更高,也便是请求机电有较高的功率密度。

关键词：电动汽车新能源 电机性能 高功率密度

引言

在目前的电机设计中，功率密度是一个不容忽视的关键点。一般来说，高功率密度电机的销售量很大，这主要是由于其重量轻，体积小。随着电动汽车工业和绿色能源相关领域的不断发展，高功率密度电机已逐渐得到应用和广泛推广。在电动汽车、航空航天等领域，高功率密度电机起着非常重要的作用，但仍需要在一定的技术水平上推广，以便更好地服务于需要的行业，发挥最大的价值，促进电动V的快速发展。

大量的研究表明，汽车的能量损失与汽车的质量成正比，车辆轻量化是降低新能源汽车能耗和增加行驶里程的重要手段。新能源纯电动汽车驱动系统通常占汽车总质量的30%-40%，驱动系统的轻量化是整车轻量化的重点之一。

汽车驱动电机是新能源汽车的核心驱动部件。在有限的空间内，需要满足各工况的动态要求。因此，在较小的空间内，设计高效、安全、可靠的高功率密度电机是实现电机轻量化，降低汽车能耗的有效途径，关键问题。

1 高功率密度电机的基本特点

1.1转子旋转速度快

高功率密度电机的主要特点之一是转子速度快。通常，电机转子的转速具有相对稳定的范围或值，例如，可以保持在6000 r/m iN，高功率密度电机转子的转速通常可以达到10000 r/min。在这样的高速旋转中，电机的供电频率会相应增加。正常频率下的电源频率为200 Hz，最大频率可超过1000 Hz。

1.2电磁负荷比较高

高功率密度电机的另一个特点是较高的电磁负载。与传统电机相比，高功率密度电机的电磁负荷要高得多，直接导致电机体积损失的增加，从而导致总损耗的增加。一旦电机的损耗增加，将会导致电机各部件的温度上升，这就对冷却方式提出了更加严格的要求，而如果冷却方式不合理，电机功能将会受影响

2 高功率密度电机的主要设计

2.1磁性材料

如果高功率密度电机的供电频率逐渐增加，电机铁芯的损坏也会增加，因此铁芯损耗在电机总损耗中的比例将逐渐增加。因此，电机磁芯的损耗直接与磁芯和磁芯材料的2个元素有关。电机正常工作时，铁心损耗是必不可免的，所以要采取积极的措施加以解决，从而降低铁心损耗。控制磁感应强度和降低磁感应强度可以在一定程度上降低铁芯损耗。同时，在选择芯材时，应坚持“高磁导率、低损耗”的原则，以保证芯材选择的合理性。

2.2定子导线

在电动机的运行过程中，定子定子中铜的消耗可能较大，这将对电机的效率产生负面影响，因此还需要减少定子铜的消耗。从目前的情况来看，在解决高铜消耗的问题时，通常使用高导电性的导体，例如银铜合金材料的导线，这是一个理想的选择。电动汽车高功率密度驱动电机的供电方式通常是控制器或变频器，需要绝缘以保证绕组受电压的影响最大，并出现电晕。在某些情况下，可以在电机线圈中选择变频电磁线。

2.3笼型异步电机转子笼型材料

在笼型异步电动机的转子中，导杆通常由铜或铸铝制成。铜导杆和铝导条都有各自的优点和缺点。铜导杆的优点是效率高，阻力小。缺点是起动转矩较小。铝导杆和铜导杆的优点和缺点是相反的。效率不高，受阻力影响很大，但起动时转矩较大。因此，在选择笼型感应电动机转子导杆材料时，必须考虑阻力对电机性能的影响。

2.4永磁同步电机永磁体

在高功率密度电机中，永磁材料的固有特性将对高功率密度永磁同步电动机（PMSM）的性能起到关键的作用。当设计高功率密度电机时，应考虑功率密度和转矩密度，因此在选择永磁材料时，应考虑最大磁能积、矫顽力和残余磁通密度。总的来说，磁能产品的值越大，矫顽力和残余磁通密度越大，性能越好。此外，由于高功率密度电机运行，单位体积的损耗将增加，温度升高，因此在选择电机部件时，必须考虑温度控制因素，并选择具有良好耐温性的材料。

3 电机结构设计

3.1车用驱动电机设计流程

电动汽车的性能取决于核心部件、驱动电机和电动车辆的设计。电动汽车驱动电机的研究是电动汽车研究领域的重要方向之一。

电动机的性能要求是：恒转矩特性和低于基本转速的高转矩过载率，以满足快速起动、加速、负载爬升、频繁停机等要求。在基速以上，它具有恒定的功率特性和更大的弱磁比，以满足最大速度和超车的要求。在大多数操作领域，效率被优化以节省能量。

汽车新能源驱动电机的设计具有空间小、工作环境恶劣的特点，特别是在新能源电动汽车的设计中。传统的稳态电机设计方法难以满足电动汽车驱动电机的复杂要求，不能很好地显示电动汽车驱动电机的特性。因此，在车辆驱动电机的设计中，应充分考虑电动汽车驱动电机的特性设计参数，如过载倍数、弱磁膨胀比、高效率区域等。分析和优化了电机设计对电动汽车不同工况的影响。

另外，在新能源汽车驱动电机的设计中，还应根据图1所示的设计流程进行驱动电机的设计。根据永磁同步电动机（PMSM）的性能要求，在设计软件的帮助下，通过对电机的几何形状、尺寸和材料选择的初步设计，获得了设计参数，并进行了性能预测计算。采用有限元法进行求解。性能预测计算、性能评价和参数设计需要重新计算，直到找到最优设计。最后，通过样机实验对驱动电机的设计结果进行了分析和验证。

1）长径比选择

在电机设计过程中，随着电机纵横比的增大，体积增大，转子体积不变，转子惯量减小，电机铜含量增加。由于整车设计中驱动电机的布局空间有限，在满足整车空间布局的条件下，合理选择电机的长径比，以提高电机的功率密度。

在电机设计输入条件下，定子铁芯直径与电机铁芯长度之间的关系如图2所示。电机转子外径与电机铁芯长度之间的关系如图3所示。电机体积与电机铁芯长度之间的关系如图4所示。每个电机的有效容积与电机铁芯长度之间的关系如图5所示。

在整个车辆的设计过程中，永磁同步电动机的空间尺寸如下：为了减少铜量，降低电机成本，减小电机体积，并考虑电机转子的动态响应效应，MOT的定子外径。或设计为235毫米，芯长为160毫米，定子内径为160毫米。

2）极对数选择

随着电机磁极比的增加，随着电机极对数的增加，定子铁芯轭铁的铁量减少，电机体积减小，电机体积的速度逐渐减小，因为定子的增加。图6示出了永磁同步电动机定子外径与电动机对数之间的关系曲线。

另外，随着电机极对数的增加，电机的输入电流频率增加，电机铁耗增加，效率降低，电机控制系统和电机散热系统的要求得到提高。在高速电机的设计中，电机极的对数一般较小。在控制系统的硬件设计和电机温升系统的仿真和样机试验的基础上，合理选择了电机输出极的对数、电机温度的升限值和电机极的对数。可以有效地提高电机的允许范围和功率密度。

从图6可以看出，当电机极小于5时，电机定子的外径随着电机极的对数急剧变化，定子外径在极对数大于5之后缓慢变化。由于电机采用高速低转矩设计来满足控制系统的有效电流输出频率，降低电机的铁耗，因此选择电机来选择电力。极点的对数为4。

3）槽极比选择

在电机设计中，随着槽极比的增大，电机定子的内径是恒定的。槽内绝缘体积的增加、电机直径的增加、电机体积的增加、端部铜的增加和电机的质量的增加，但电机绕组的正弦转矩、电机纹波的纹波、转矩的减小。E纹波和铁耗减少。同时，提高了绕组反电势的正弦度，降低了谐波含量，降低了基波绕组系数，降低了电机的输出转矩。在图7中示出了每极电机数和定子外径之间的关系。合理选择电机槽隙比，调整电机效率和外部特性。

随着电机极比的增大，定子齿宽减小，定子齿宽与电机各相槽数的关系曲线如图8所示。在电机运行过程中，由于转矩脉动和电磁径向力会引起电机的振动，定子齿窄会导致定子齿的机械强度太差。使定子齿断裂。此外，每相槽的每一个极的增加导致定子制造成本的大幅度增加，这会影响电机经济性，定子绕组的绕组是困难的，并且定子槽宽被优化，并且电机的转矩脉动减小。从图8可以看出，随着各相槽中各相的增加，电机定子齿部发生变化。结果，电动机的每个极的每个相槽的数目是2。

4）电负荷选择

在一定的热负荷情况下，随着电负荷的增加，电机转子的体积减小，转动惯量减小，定子直径先减小后增大，电机的铜量不断增加。因此，有必要合理选择电机的电气负载，将电机铁芯的质量与铜的数量相结合，从而实现电机质量的优化，提高电机的功率密度。如图9所示，定子直径与电负载之间的关系曲线如图10所示，如图10所示，电机的每个槽的有效面积的电负载关系曲线如图11所示。

5）绕线缠绕方式选择

为了减少绕组线的长度，减少电机的长度和铜的量，减少铜的损耗，提高电机的效率，减小电机的长度，减小电机的体积，降低电机的质量，降低功率密度。电机大大改进了。

合理选择电机绕组的绕组方式，可以改善定子绕组的磁势正弦，降低定子磁势的谐波含量，减少电机铁耗和定子绕组引起的电机纹波转矩，提高电机和红色的效率。电机的振动和噪声。另外，合理选择电机绕组的绕组方式，可以提高电机的凸度，提高磁阻转矩，减小绕组电流，降低电机的铜耗，提高电机效率。

在集中式绕组中，每个相线圈只有一个齿距，而不是其他相绕组。与传统绕组相比，可以大大减小电机端部的长度，但绕组的冷却性能较差，磁EMF的谐波含量高。集中式绕组电机与分布式绕组相比，凸极率小，磁阻转矩小，绕组电流小。大的。在高速低转矩电机的设计中，电机转速高，绕组电流频率高。集中绕组的设计将降低电机效率的高效率区域的比率，因此选择分布式绕组。集中绕组和分布式绕组定子的横截面图如图11所示。

正弦绕组可提高电机定子磁势的正弦度，降低定子谐波含量，减少电机纹波的转矩，减少电机端部的铜，减少电机铜损和端部泄漏，提高电机性能。降低了电机的制造成本。但是在这种设计中，电机每极的每个极的数目是2，并且在实际绕组过程中必须采用正弦绕组中的每个槽的数量。因此，正弦绕组和传统的短距离分布绕组对电机性能的影响非常小，正弦绕组和短距离分布绕组是缠绕在一起的。该模式复杂，因此仍然选择电机绕组的绕组方式作为传统的正弦分布绕组。同时，为了降低电机磁势的谐波分量，采用星形连接方式。电机绕组的分布如图12所示。

6）定子槽开口宽度选择

在电机的设计中，槽宽的存在使定子与永磁磁场之间的有效气隙发生很大变化，进而使气隙磁导急剧变化，影响永磁同步电动机的漏感。D使气隙磁密显示锯齿形，从而产生齿槽转矩，使电机在运行过程中运行。转矩脉动和噪声影响新能源汽车的乘坐舒适性。通过电磁仿真软件对电机的槽宽进行参数化扫描。随着定子槽开口宽度的增加，电机的等效气隙长度增加，绕组的漏感减小，电机气隙的磁密度减小，电机显著率降低，磁阻电机的利用率下降。降低了磁通量，减小了磁通量的影响，减小了电机的转矩密度。然而，定子槽的宽度太小，并且电机绕组的绕组是困难的。在电机嵌体的基础上减小定子槽开口的宽度是有益的，这有利于提高电机的功率密度。另外，合理选择定子槽开口宽度可以在一定程度上减小齿槽转矩，减少电机的振动和噪声。

在图13中示出了电机的漏电感与定子槽的宽度之间的关系曲线。槽的宽度与气隙磁密度的比值和峰值额定功率的曲线如图14所示。槽的宽度和直轴的电感值的曲线及其比值如图15所示。当缺口宽度大于2时，气隙磁通密度与峰值功率的比值较大。漏感随缺口宽度的增大而减小，缺口宽度为2。5 mm后，随着切口宽度的增加，其基本下降到较低的水平，并趋于稳定。此外，槽的宽度对感应器的影响和显著率相对较大，但对直轴电感的影响相对较小，但这三个量都随着槽宽的增加而减小。考虑到永磁同步电动机的装配过程，缺口的宽度应较大。通过对上述因素的分析，选择永磁同步电动机定子槽宽为2。

7）定子槽型选择

在电机定子槽型结构设计中，应使得电机定子磁路磁阻最优化，定子磁路不存在磁密奇点，永磁体工作点在电机运行工况范围内位于最优工作点附近。同时，定子槽型选择，应利于电机嵌线，方便电机批量化生产。

为了平衡定子轭的磁密度，形成均匀的旋转磁场，改善磁轭与齿和轭的连接处的磁路，并便于嵌入成形绕组，旋转半开式梯形槽的设计，以及定子槽型，如图16所示，电机的磁密度分布图如图17所示。

4 高功率密度电机的高度化

4.1高功率密度电机的高频率

电机转速与铁芯频率之间的关系与正常情况成正比。当电机处于高运行状态时，铁芯的磁通交替频率也逐渐增加，电机的铁耗将保持在较高水平。如果频率增加，高频附加损耗也会增加。在高速旋转下，会产生转子表面的轴承损失和风车损失。因此，当电机电源频率增加时，高频附加损耗和铁耗也会增加。同时，与传统电机相比，高速、高频电机的电源一般由控制器或变频器控制。在这种情况下，谐波含量也会增加。因此，在设计高功率密度电机时，应考虑高次谐波的影响。

4.2高功率密度电机的高速转子设计

高速转子，从其名字不难看出，“高速”两字充分体现了转子的转速。从物理学的观点来看，当高速转子保持高速时，离心力将非常大，此时转子的剪切应力将保持在较高水平。实践表明，如果线速度大于250 m/s，传统的叠片转子难以承受巨大的离心力。因此，在设计高功率密度电机高速转子时，必须采取相应的保护措施来提高堆垛的强度，以应对较大的离心力。

5 高功率密度电机的电磁设计

5.1磁性材料的选择

高功率密度电机它的供电频率在一般情况下可以达到好几百或者上千赫兹,当然频率的上升,铁心损耗也会飞快的上升, 铁心耗能占高速电机总体会变得上升，电机铁耗与频率有以下关系:

Ph,Pe一磁磁滞损耗和涡流损耗

Kh,ke--磁损耗和涡流损耗系数,与铁心材料和厚度有关:

Bm--磁通密度峰值

f--电机供电频率。

从式(1)可知,下降铁耗的方法有:

1、减小铁心中的磁感应强度大小;

2、用高导磁低损耗的铁心。

分别采用用0.35mm的硅钢片DW270和0.2mm电工钢片时,电机铁耗的相关数据见表1

由表1可见超薄型的电工钢片磁滞消耗和涡流消耗均较低,可以很好的下降机电铁耗。

5.2定子导线的选择

若是想要削减定子铜耗,机电必要应用导电率高的导线,如银铜合金等。在电动汽车用高功率密度驱动机电是经由过程控制器或变频器供电, 在机电线圈中还可以利用变频电磁线实际上是为了晋升机电的绝缘机能,制止电压严重影响绕组事情,避免呈现电晕征象。频电磁线其实是为了提升电机的绝缘性能,避免电压严重影响绕组工作,防止出现电晕现象。

5.3笼型异步电机转子笼型材料的选择

笼型异步电机转子同样泛泛采纳铸铝或采纳铜导条。铜导条的效率高、电阻小 ,但起动后转动起来的转矩也较小:铝导条的电阻大,效率偏低,但在转起来时有较高的起动转矩。是以选择转子笼型质料时,应当首要斟酌电阻对电动机机能的影响。我们使用特斯拉车上所应用的异步电机为模型，比较电机在三种不同材料的导条下的性能输出。

图1给出的转矩转速曲线是在三种质料下机电的状态图,因为电阻对机电的影响,可以看出采取黄铜导条的笼型机电的起动转矩最高,采取紫铜导条的笼型机电的起动转矩最低；最大转矩相差不多。

表2给出了三种笼型材料电机的性能参数比，由表2可知，采取紫铜导条的机电起动转矩较小,效力很高;因为最大转矩与转子电阻无关,是以三种笼型质料机电的输出的最大转矩相称。因为电动汽车是使用变频器供电驱动电机的，电机转子素材首先用铜棒铜和黄铜和紫铜，黄铜材料来说，具有较低的系数阻力。通过实验，可以得出结论，在电机中使用的铜导体的各方面的活动，可以更好的满足要求提供效率，也提高了所有，因此是铜的最佳选择。

5.4永磁同步电机永磁体的选择

面对高功率密度永磁同步电机,永磁体材料性质特点某方面的原因来判定了它的大小和性能为提高电机的转矩密度和功率密度,选择永磁质料时应选用残剩磁通密度、矫顽力和最大磁能积较大的永磁质料。另外,因为高功率密度机电单元体积的消耗很大,温升很高,在选择永磁体时要斟酌其耐温性。以高功率密度永磁同步为例,永磁体质料分别为钕铁硼和钐钴永磁体时,机电相关的性能参数比力见表3。

与钕铁硼相比,钐钴永磁体的最大磁能积偏低磁性能稍差,使得钐钴永磁体电机的气隙磁通密度较低,铁耗较小,电机定子电流较大,铜耗较高由表3可知,二者的效率基本相同。但钐钴永磁体的功率因数和最大转矩倍数比敏铁研电机低。但是,钕铁耐温性较差,温度高易退磁,当永磁电机以7000r/min速度持续两个小时,电机永磁体产生退磁,机电反电动势降落。综合斟酌各项手艺请求,高功功率密度永磁机电永磁体宜选用钐钻永磁体。钐钴永磁体机电固然机能稍差，但能知足机电的机能需求，而且其耐温性较好,最高工作温度可达250~350℃。

因此,与钕铁永磁体比拟钐钴永磁体更适合在高温情况中。永磁体大多不脱离转子，无论是镶嵌在它旁边或者体内，在电机特别快的时候，转子就会受到很强的力,所以永磁材料的机械性价比也会采用时应该注意的事项，由于我们希望永磁体可以抵抗相当大的离心力来完成任务,所以在一些特定情况下、或者飞速旋转不停歇的时候我们也尽可能地避免使用表贴式转子结构,相反我们选择内嵌式结构。在转速不高的场所时永磁体可采取表贴式,但应采纳必然的保护措施,如在永磁体表面加高强度非导磁保护套,永磁体与护套间采取过盈共同，或采取碳纤维扎永磁体。假如真的在永磁体外再套上一个非导磁钢保护套,可以有效的控制其他问题发生，不过碳纤维是易燃的或者难控制温度的，它不是优质导体,然后不方便的是如何去控制温度。

通过分析传统机械发动机高功率密度和高功率密度电机的区别，结合实际运行特点，总结了高功率密度电机设计中应考虑的一些问题，包括选择。钢材料和永久磁铁和转子绕组端部处理，过程，和冷却发动机方法的选择等。结合力学试验验证的能力，为未来的一些改进措施，确保发动机设计的高功率密度参考。

目前，发动机的功率密度设计已成为重要的设计指标。发动机的功率密度高，因其体积大、重量轻、体积小等，并开始在许多行业和领域得到了广泛的应用。电动汽车、潜艇和航空航天领域的限制，因为在一定程度上对空间的需求是否更好，这表明，发动机的功率密度的更好。为了提高电机的功率密度，电极的高性能需要优化的电磁活动，加强素材的使用。其次，基于安全有必要在额定发动机转速的提高，并最终在一定程度上提升发动机的冷却能力。用于大功率发动机，具有高频率和高速的特点，与传统电机相比有很大的差异。在高功率密度电机在电动汽车的机械部件，因为速度的增加，材料需要更高的质量。因此，在设计的过程中，要加强这方面的必要性，以确保优质选择，材料的力学性能在操作条件下的需求，以及其在加工的过程中。我们必须加强技术优化，高功率密度在不同的领域，可以大大提高发动机的生产电动汽车等领域，以满足需求，如何更好的促进社会的发展。连系机电实验验证了部门改良办法的可行性,为此后高功率密度机电的计划供给了必然的参考价值。

6 结束语

电动汽车用高功率密度电机的设计是一项复杂的工作，涉及到各个具体环节。考虑到高功率密度电机的高速运行，它带来了很大的损失，对所有部件的要求也得到了提高。在设计电动汽车高功率密度电机时，设计者应注意材料的选择，选择高质量、高性能的材料，以确保材料性能能满足电机在运行状态下的需要。

在电机设计过程中，采用多种电磁和结构分析方法对电机定子、转子、电机轴、壳体和端盖的尺寸进行设计和优化，合理选择电机各部分的材料。同时，利用电机分析软件对电机的机械强度、振动噪声和温升进行了划分。分析和验算。在保证电机的安全性、可靠性和舒适性的基础上，实现了电机的轻量化、高速化和高效率化，大大提高了电机的功率密度。实验结果表明，所设计的高速大功率密度电机的功率密度可达2。在5kW/kg以上，最高转速大于8000rPM，电机最高效率为96%，功率大于85%的高效率区域占整个电机运行范围的85%以上。同时在具体的设计过程中，注意对各工艺环节的加工和处理，不断对设计进行优化，从而提升高功率密度电机的综合性能，使其能够符合电动汽车的实际需求。