周寶純

0 引言

縱觀當(dāng)前的電機(jī)設(shè)計(jì)，功率密度是其中不容忽視的重點(diǎn)。一般情況下，高功率密度電機(jī)的銷(xiāo)量比較高，這主要得益于其重量輕、體積小的特點(diǎn)，隨著電動(dòng)汽車(chē)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(jī)已經(jīng)逐漸應(yīng)用并呈現(xiàn)出廣泛擴(kuò)散之勢(shì)。在電動(dòng)汽車(chē)、航空航天等領(lǐng)域，高功率密度電機(jī)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(wù)，發(fā)揮最大的價(jià)值，促進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)、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(jī)的基本特點(diǎn)

1.1 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度快

高功率密度電機(jī)的一大特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度快。通常情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度有一個(gè)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(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度通?？梢赃_(dá)到10 000 r/min。在如此高速的轉(zhuǎn)動(dòng)下，電機(jī)的供電頻率也會(huì)相應(yīng)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(huì)超過(guò)1 000 Hz。

1.2 電磁負(fù)荷比較高

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

2 高功率密度電機(jī)的主要設(shè)計(jì)

2.1 磁性材料

若高功率密度電機(jī)的供電頻率逐漸提升，電機(jī)鐵心受到的損害也將會(huì)不斷增加，因而鐵心損耗在電機(jī)總損耗中所占的比重也會(huì)逐漸增加，所以電機(jī)鐵心損耗主要與磁感應(yīng)強(qiáng)度和鐵心材料2個(gè)要素有直接關(guān)系。電機(jī)正常工作時(shí)，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(yīng)強(qiáng)度，使磁感應(yīng)強(qiáng)度降低，可以在一定程度上降低鐵心損耗[2]。同時(shí)在選擇鐵心材料時(shí)，應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持“高導(dǎo)磁，低損耗”的原則，保證鐵心材料選擇的合理性。

2.2 定子導(dǎo)線

電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，其線圈中的定子銅耗可能會(huì)比較大，會(huì)對(duì)電機(jī)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(lái)看，解決定子銅耗較高的問(wèn)題時(shí)，通常使用導(dǎo)電率較高的導(dǎo)線，如銀銅合金材料的導(dǎo)線便是一種較為理想的選擇[3]。電動(dòng)汽車(chē)高功率密度驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(gè)別情況下還可以在電機(jī)線圈中選擇變頻電磁線。

2.3 籠型異步電機(jī)轉(zhuǎn)子籠型材料

在籠型異步電機(jī)轉(zhuǎn)子中，導(dǎo)條通常是由銅或鑄鋁等材料制作而成，無(wú)論是銅導(dǎo)條還是鋁導(dǎo)條，各自都有著自己比較突出的優(yōu)缺點(diǎn)。銅導(dǎo)條的優(yōu)點(diǎn)在于有著較高的效率，受到電阻影響比較小，缺點(diǎn)是起轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)矩比較小。鋁導(dǎo)條與銅導(dǎo)條的優(yōu)缺點(diǎn)恰恰相反，其效率不高，受到電阻的影響大，但起轉(zhuǎn)時(shí)具有較高的轉(zhuǎn)矩。所以，在選擇籠型異步電機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條材料的時(shí)候，必須要重點(diǎn)考慮電動(dòng)機(jī)性能受到電阻的影響程度。

2.4 永磁同步電機(jī)永磁體

高功率密度電機(jī)中，永磁材料本身固有的特性，會(huì)對(duì)高功率密度永磁同步電機(jī)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(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)，既要考慮到功率密度，也要考慮到轉(zhuǎn)矩密度，所以在對(duì)永磁材料進(jìn)行選擇的時(shí)候，需要對(duì)最大磁能積、矯頑力和剩余磁通密度進(jìn)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(shuō)明性能越好[4]。另外，因?yàn)楦吖β拭芏入姍C(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，單位體積產(chǎn)生的損耗會(huì)增加，隨之帶來(lái)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(jī)部件材料時(shí)，盡量選擇耐溫性能好的材料。

3 高功率密度電機(jī)的高度化

3.1 高功率密度電機(jī)的高頻率

電機(jī)轉(zhuǎn)速、鐵心頻率之間正常情況下是正比例的關(guān)系。電機(jī)保持高度運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)時(shí)，鐵心產(chǎn)生的磁通交變頻率也將會(huì)逐漸增大，電機(jī)鐵耗的程度會(huì)保持在較高的水平。如果頻率增加，高頻附加損耗也會(huì)隨之增加，在高速旋轉(zhuǎn)下，轉(zhuǎn)子表面的軸承損耗和風(fēng)磨損耗會(huì)隨之產(chǎn)生[5]。所以電機(jī)供電頻率增加時(shí)，電機(jī)的高頻附加損耗和鐵耗也會(huì)隨之增加。同時(shí)，與傳統(tǒng)電機(jī)相比，高速高頻電機(jī)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(huì)有所增加。所以在對(duì)高功率密度電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要考慮到高次諧波的影響。

3.2 高功率密度電機(jī)的高速轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

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(xué)的角度來(lái)看，高速轉(zhuǎn)子保持在高速轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)時(shí)，產(chǎn)生的離心力會(huì)非常大，轉(zhuǎn)子材料此時(shí)承受的切向應(yīng)力也會(huì)保持在較高的水平。實(shí)踐表明，如果線速度在250 m/s以上的時(shí)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(shè)計(jì)高功率密度電機(jī)高速轉(zhuǎn)子的時(shí)候，一定采用相關(guān)的保護(hù)措施，可以考慮提升疊片的強(qiáng)度來(lái)應(yīng)對(duì)產(chǎn)生的較大離心力。

4 結(jié)束語(yǔ)

電動(dòng)汽車(chē)高功率密度電機(jī)的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)，牽扯到每個(gè)具體的環(huán)節(jié)?？紤]到高功率密度電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速非常高，其帶來(lái)?yè)p耗就比較大，對(duì)各零部件的要求也隨之提升。設(shè)計(jì)師在對(duì)電動(dòng)汽車(chē)高功率密度電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)注重材料的選擇，選擇質(zhì)量過(guò)關(guān)、性能較強(qiáng)的材料，以保證材料性能能夠滿(mǎn)足電機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)下的需求。同時(shí)在具體的設(shè)計(jì)過(guò)程中，注意對(duì)各工藝環(huán)節(jié)的加工和處理，不斷對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，從而提升高功率密度電機(jī)的綜合性能，使其能夠符合電動(dòng)汽車(chē)的實(shí)際需求。

[1]王曉遠(yuǎn),高鵬,趙玉雙.電動(dòng)汽車(chē)用高功率密度電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2015,30(6):53-59.

[2]劉鈞,鐘玉林,張瑾,等.電動(dòng)汽車(chē)用高功率密度電機(jī)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(dòng)汽車(chē)用高功率密度電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)[J].時(shí)代汽車(chē),2017,12(8):129-129.

[4]劉鈞,胡偉,溫旭輝.電動(dòng)汽車(chē)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(dòng)汽車(chē)傳導(dǎo)式充電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)[J].電力電子技術(shù)，2011，12(07)：20-26.