王曉遠(yuǎn) 高 鵬 趙玉雙

（天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院 天津 300072）

1 引言

目前，功率密度已經(jīng)成為電機(jī)設(shè)計(jì)中一個(gè)非常重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)。高功率密度電機(jī)由于體積小、重量輕、效率高等特點(diǎn)越來(lái)越受到研究者和廠家的關(guān)注。特別是在航空航天、潛艇、電動(dòng)汽車(chē)等特殊應(yīng)用場(chǎng)合中[1]，由于空間的限制，要求使用的電動(dòng)機(jī)體積更小、重量更輕、效率更高，也就是要求電機(jī)有較高的功率密度。

為了提高電機(jī)的功率密度，通常采用以下三種方法：①合理優(yōu)化電機(jī)電磁設(shè)計(jì)和采用高性能的電磁材料；②適當(dāng)提高電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速一般可高達(dá)上萬(wàn)轉(zhuǎn)；③提高電機(jī)的散熱能力。

高功率密度電機(jī)由于其高速高頻的特性，與傳統(tǒng)電機(jī)在運(yùn)行特性方面有很大的不同。結(jié)合電動(dòng)汽車(chē)用籠型異步電機(jī)（以特斯拉電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)為例）和永磁同步電機(jī)兩種高功率密度電機(jī)，本文分別從電磁設(shè)計(jì)、機(jī)械工藝和冷卻方式三方面對(duì)高功率密度電機(jī)進(jìn)行了分析，給出了其特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求。

2 高功率密度電機(jī)的特點(diǎn)

高功率密度電機(jī)的主要特點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面：①轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)，額定轉(zhuǎn)速均在 6 000r/min錯(cuò)誤!未找到引用源。以上，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)10 000r/min以上，由于較高的轉(zhuǎn)速，使得電機(jī)供電頻率很高，在200Hz左右，最高頻率可達(dá)1kHz以上[2]；②較高的電磁負(fù)荷，導(dǎo)致電機(jī)單位體積的損耗增大，使得電機(jī)各部件的溫升偏高，需要更為有效的冷卻方式。上述特點(diǎn)決定了高功率密度電機(jī)具有不同于普通電機(jī)的設(shè)計(jì)要求。

3 高功率密度電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)

3.1 磁性材料的選擇

高功率密度電機(jī)的供電頻率通常在幾百甚至上千赫茲，隨著頻率的提高，鐵心損耗會(huì)迅速增加，鐵心損耗占高速電機(jī)總損耗的比重增大。電機(jī)鐵耗與頻率有以下關(guān)系[3]：

從式（1）可知，降低鐵耗的方法有：①適當(dāng)降低鐵心中的磁感應(yīng)強(qiáng)度；②采用高導(dǎo)磁低損耗的鐵心材料。分別采用 0.35mm的硅鋼片 DW270和0.2mm電工鋼片B20AT1200時(shí)，電機(jī)鐵耗的相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 不同硅鋼片厚度下永磁電機(jī)的鐵耗數(shù)據(jù)比較Tab.1 Iron loss comparison of the permanent motor with different thickness of silicon steel sheet material

由表1可知，超薄型的電工鋼片磁滯損耗和渦流損耗均較低，可以很好的降低電機(jī)鐵耗。

3.2 定子導(dǎo)線的選擇

為降低定子銅耗，電機(jī)線圈應(yīng)采用高導(dǎo)電率的導(dǎo)線，如銀銅合金。由于電動(dòng)汽車(chē)用高功率密度驅(qū)動(dòng)電機(jī)通常采用變頻器或控制器供電，為提高電機(jī)的絕緣性能，減弱沖擊電壓對(duì)繞組的影響[4]，防止電暈產(chǎn)生，電機(jī)線圈還應(yīng)采用變頻電磁線。

3.3 籠型異步電機(jī)轉(zhuǎn)子籠型材料的選擇

籠型異步電機(jī)轉(zhuǎn)子一般采用鑄鋁或者采用銅導(dǎo)條。銅的電阻較小，效率高，但起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較??；鋁的電阻大，效率偏低，但有較高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。因此，選擇轉(zhuǎn)子籠型材料時(shí)，應(yīng)該主要考慮電阻對(duì)電動(dòng)機(jī)性能的影響。

電機(jī)轉(zhuǎn)子常用的銅導(dǎo)條材料包括紫銅和黃銅。紫銅的電阻系數(shù)比黃銅的電阻系數(shù)低。在H級(jí)絕緣條件下，鋁、紫銅、黃銅的電阻系數(shù)依次為0.049 1 Ω·mm2/m，0.024 5Ω·mm2/m，0.090 8Ω·mm2/m。

為比較不同籠型材料電機(jī)的性能，以特斯拉電動(dòng)汽車(chē)用異步電機(jī)為模型，比較三種導(dǎo)條材料下電機(jī)的性能輸出。圖1給出了三種材料下電機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線，由于電阻的影響，可以看出采用黃銅導(dǎo)條的籠型電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩最高，采用紫銅導(dǎo)條的籠型電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩最低。三種材料的籠型電機(jī)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)比較。

圖1 三種籠型材料電機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線Fig.1 torque-speed curve for the induction motor with three types of material for rotor cage

表2 三種籠型材料電機(jī)的性能參數(shù)比較Tab.2 performance comparison of the induction motor with three types of material for rotor cage

由表2可知，采用紫銅導(dǎo)條的電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較小，效率很高；由于最大轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子電阻無(wú)關(guān)，因此三種籠型材料電機(jī)的輸出的最大轉(zhuǎn)矩相等。考慮到電動(dòng)汽車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用變頻器供電，采用紫銅導(dǎo)條能夠滿足對(duì)電機(jī)起動(dòng)性能的要求，為保證電機(jī)有較高的效率，電機(jī)籠型材料應(yīng)該選擇紫銅。

3.4 永磁同步電機(jī)永磁體的選擇

對(duì)于高功率密度永磁同步電機(jī)，永磁體材料的特性在一定程度上決定了其尺寸和性能。為提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度和功率密度，選擇永磁材料時(shí)應(yīng)選用剩余磁通密度、矯頑力和最大磁能積較大的永磁材料。此外，由于高功率密度電機(jī)單位體積的損耗很大，溫升很高，在選擇永磁體時(shí)要考慮其耐溫性。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鈷永磁體時(shí)，電機(jī)相關(guān)的性能參數(shù)比較見(jiàn)表3。

表3 兩種不同永磁體電機(jī)的性能參數(shù)比較Tab.3 performance comparison of the motor with two types of material for permanent magnet

與釹鐵硼相比，釤鈷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。由表3可知，二者的效率基本相同。但釤鈷永磁體的功率因數(shù)和最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)比釹鐵硼電機(jī)低。

但是，釹鐵硼耐溫性較差，溫度高易退磁，當(dāng)永磁電機(jī)以7 000r/min速度持續(xù)兩個(gè)小時(shí)時(shí)，電機(jī)永磁體發(fā)生部分退磁，電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)下降。

綜合考慮各項(xiàng)技術(shù)要求，高功率密度永磁電機(jī)永磁體宜選用釤鈷永磁體。釤鈷永磁體電機(jī)雖然磁性能稍差，但能滿足電機(jī)的性能需求，并且其耐溫性較好，最高工作溫度可達(dá)250～350℃。因此，與釹鐵硼永磁體相比，釤鈷永磁體更適合工作在高溫環(huán)境中。

與異步電機(jī)不同，永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子不是一體化結(jié)構(gòu)，永磁體一般內(nèi)嵌或表貼于電機(jī)轉(zhuǎn)子上，在電機(jī)高速時(shí)轉(zhuǎn)子將承受巨大的離心力，因此永磁材料的機(jī)械性能也是選擇時(shí)需要考慮的問(wèn)題。為保證永磁體能夠承受轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的巨大離心力，一般在直徑較大、轉(zhuǎn)速較高的場(chǎng)合下不宜采用表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，而采用內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)。在轉(zhuǎn)速不高的場(chǎng)合時(shí)永磁體可采用表貼式，但應(yīng)采取一定的保護(hù)措施，如在永磁體外面加高強(qiáng)度非導(dǎo)磁保護(hù)套，永磁體與護(hù)套間采用過(guò)盈配合[5]，或者采用碳纖維綁扎永磁體[6]。與采用非導(dǎo)磁鋼保護(hù)套相比，碳纖維綁扎帶的厚度要小，而且不產(chǎn)生高頻渦流損耗。但是，碳纖維是熱的不良導(dǎo)體，不利于永磁轉(zhuǎn)子的散熱。

4 高功率密度電機(jī)的高速化

電機(jī)轉(zhuǎn)子的高速化是提高電機(jī)功率密度一個(gè)很重要的方向。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。同時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子將承受很大的離心力，對(duì)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度要求很高。

4.1 高功率密度電機(jī)的高頻率

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，由式（1）可知，電機(jī)鐵耗很大。同時(shí)，隨著頻率的增加，高頻附加損耗也會(huì)增大，特別是轉(zhuǎn)子表面由于高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的風(fēng)磨損耗和軸承損耗?？梢?jiàn)，供電的頻率的提高，使得高功率密度電機(jī)具有較高的鐵耗和高頻附加損耗。

此外，由于高速高頻電機(jī)常采用變頻器或控制器供電，諧波含量比傳統(tǒng)電機(jī)要高很多，因此，在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該考慮到高次諧波對(duì)電機(jī)的影響。

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

高速電機(jī)的轉(zhuǎn)速要比普通異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速快幾倍到十幾倍，在旋轉(zhuǎn)過(guò)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)線速度達(dá)到250m/s以上時(shí)，常規(guī)的疊片轉(zhuǎn)子難以承受高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，因此需要采用特殊的高強(qiáng)度疊片或?qū)D(zhuǎn)子施加一定保護(hù)措施。

4.2.1籠型異步電機(jī)轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)

異步電機(jī)采用鑄銅轉(zhuǎn)子是提高電機(jī)效率、改善電機(jī)功率密度的一個(gè)重要技術(shù)手段[7,8]。但目前國(guó)內(nèi)外鑄銅轉(zhuǎn)子電機(jī)以小功率電機(jī)為主，電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速主要為3 000r/min、1 500r/min和1 000r/min三種，系列產(chǎn)品的功率范圍為(0.75～37)kW。特斯拉電動(dòng)汽車(chē)用異步電機(jī)額定功率為 85kW，額定轉(zhuǎn)速為6 000r/min，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)14 000r/min。其驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用冷壓銅條工藝，端環(huán)與整個(gè)銅條冷壓在一起，兩端加保護(hù)環(huán)固定，可以使電機(jī)轉(zhuǎn)子承受較高的離心力，在高速狀態(tài)下正常運(yùn)行。圖2給出了特斯拉電動(dòng)汽車(chē)用異步電機(jī)轉(zhuǎn)子的照片。

4.2.2永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

由于永磁電機(jī)“V”形轉(zhuǎn)子與“一”形轉(zhuǎn)子相比，輸出轉(zhuǎn)矩大，反電動(dòng)勢(shì)波形好，因而永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子常采用“V”形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。但“V”形轉(zhuǎn)子在隔磁橋處脆性較大，機(jī)械強(qiáng)度較低，在電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，由于離心力很大，很有可能對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子疊片造成不良影響。

本文以一臺(tái)高功率密度永磁同步電機(jī)為例，對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)用電機(jī)的輸出功率為200kW，6極，額定轉(zhuǎn)速為9 000r/min。圖3a為高功率密度永磁同步電機(jī)實(shí)物照片。通過(guò)控制器將電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，由于轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子硅鋼片承受的離心力很大，造成局部疊片從電機(jī)中甩出。甩出疊片如圖3b所示。

圖3 永磁同步電機(jī)和甩出的轉(zhuǎn)子硅鋼片F(xiàn)ig.3 The permanent magnet synchronous motor and the rejection of rotor silicon steel sheet

（1）轉(zhuǎn)子加鋼箍固定。為保護(hù)電機(jī)轉(zhuǎn)子疊片，防止硅鋼片甩出，采用鋼箍對(duì)整個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行加固。對(duì)改進(jìn)后的電機(jī)進(jìn)行調(diào)速試驗(yàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)鋼箍出現(xiàn)局部燒糊現(xiàn)象，其狀態(tài)如圖4所示。這是由于高頻狀態(tài)下，盡管實(shí)心鋼套為不導(dǎo)磁的不銹鋼材，但其渦流損耗非常大，使得鋼箍局部發(fā)熱嚴(yán)重?？梢?jiàn)，為實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子的保護(hù)，應(yīng)采用非導(dǎo)磁非導(dǎo)電的保護(hù)套。

圖4 加固轉(zhuǎn)子用的鋼套Fig.4 The steel sleeve for reinforcement

（2）轉(zhuǎn)子加無(wú)緯帶綁扎固定。無(wú)緯帶是一種予浸漬無(wú)緯玻璃絲帶，強(qiáng)度高、比重小、自身離心力低[9]。采用無(wú)緯帶箍保護(hù)轉(zhuǎn)子，能有效的克服電機(jī)運(yùn)行時(shí)繞組所產(chǎn)生的電磁力和離心力[10]；絕緣的無(wú)緯帶箍能增加繞組爬電距離、減少繞組端部漏磁，有效地改善電機(jī)的電氣性能；用無(wú)緯帶代替鋼箍節(jié)省了大量合金鋼材，從而降低了成本，簡(jiǎn)化了加工制造工藝?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，無(wú)緯帶箍在電機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用，是電機(jī)產(chǎn)品中較為理想的一種固定材料。

本文采用 0.25mm無(wú)緯帶工藝對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行綁扎固定，同時(shí)轉(zhuǎn)子槽形改用“一”形槽。為保證無(wú)緯帶在高速下能提供較高的抗壓力，對(duì)其綁扎匝數(shù)進(jìn)行了具體的計(jì)算。

無(wú)緯帶的抗壓力為F0，計(jì)算公式[10]為

式中N——轉(zhuǎn)子鐵心部分綁扎的匝數(shù)；

Kn——無(wú)緯帶容許的綁扎張力；

C——安全系數(shù)，一般取0.95。

未加保護(hù)措施時(shí)，轉(zhuǎn)子的離心力計(jì)算公式[11]為

式中m——鐵心被綁扎部分的質(zhì)量；

D——轉(zhuǎn)子鐵心直徑；

n——電機(jī)轉(zhuǎn)速。

為留有一定裕量，使電機(jī)在一定的超速范圍時(shí)，無(wú)緯帶也能提供較高的抗拉力，計(jì)算時(shí)使無(wú)緯帶的抗壓力與轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的k倍時(shí)的離心力平衡，則有

一般電機(jī)超速可取為超速 125%，即k=1.25；對(duì)于0.17×25玻璃纖維綁扎帶，Kn≤400N。由式（5）可得N=940。

考慮到綁帶規(guī)格修正系數(shù)取k1=0.8，實(shí)際的綁扎匝數(shù)為N1=k1N=752，考慮到實(shí)際作業(yè)因數(shù)，N1取整為750匝。即當(dāng)無(wú)緯帶的綁扎匝數(shù)為750匝時(shí)，可使得電機(jī)在1.25倍額定轉(zhuǎn)速下可靠運(yùn)行。

加無(wú)緯帶后的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖5a所示，轉(zhuǎn)子硅鋼片的結(jié)構(gòu)如圖5b所示。對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速試驗(yàn)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到9 000r/min時(shí)，電機(jī)正常運(yùn)行，達(dá)到了預(yù)期效果。

圖5 無(wú)緯帶加固的電機(jī)轉(zhuǎn)子與“一”形轉(zhuǎn)子硅鋼片F(xiàn)ig.5 The rotor with non-latitude belt and“一”shaped silicon steel sheet

5 高功率密度電機(jī)散熱能力的提高

5.1 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出[12]：①?gòu)睦@組端部表面?zhèn)鹘o空氣；②從通風(fēng)道中繞組表面?zhèn)鹘o空氣；③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，散出的熱量較少，使得繞組端部溫度通常很高，為改善這一問(wèn)題，在定子繞組端部采用灌封工藝[13,14]，即采用導(dǎo)熱性能良好的導(dǎo)熱膠將端部熱量通過(guò)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[12,15]為

由式（6）、式（7）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)端部散熱能力越強(qiáng)，溫升就越低。未采用灌封工藝時(shí)，端部的導(dǎo)熱系數(shù)為空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，約為 0.023W/(m2·K)。若采用灌封工藝處理（以C級(jí)環(huán)氧樹(shù)脂灌封膠ZB3235為例），其端部的導(dǎo)熱系數(shù)為灌封膠的導(dǎo)熱系數(shù)，約為 0.5W/(m2·K)，此時(shí)端部的熱阻為前者的1/22，可見(jiàn)，采用灌封膠處理后，電機(jī)端部的散熱能力能得到很好的改善。

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 1.2W/(m2·K)，將會(huì)更好地改善電機(jī)繞組散熱問(wèn)題，降低電機(jī)端部溫升。

特斯拉電動(dòng)汽車(chē)用異步電機(jī)的繞組端部處理方式如圖6所示。

5.2 高功率密度電機(jī)冷卻方式

電動(dòng)汽車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的單機(jī)容量較大，電機(jī)體積較小，功率密度高，電機(jī)散熱環(huán)境惡劣，運(yùn)行時(shí)單位體積產(chǎn)生的損耗很高，帶來(lái)嚴(yán)重的溫升問(wèn)題，從而影響電機(jī)的可靠性和壽命。改善冷卻系統(tǒng)，提高散熱能力，降低電機(jī)的溫升，是電動(dòng)汽車(chē)用高功率密度電機(jī)需要解決的主要問(wèn)題。

圖6 特斯拉電動(dòng)汽車(chē)用異步電機(jī)的繞組端部Fig.6 The ending winging of asynchronous motor in Tesla electric vehicles

5.2.1采用空冷方式的高功率密度電機(jī)

目前，對(duì)于中小型異步電機(jī)通常采用以空氣為冷卻介質(zhì)的冷卻系統(tǒng)，空氣冷卻有自冷、自扇冷、他扇冷、管道通風(fēng)冷卻等多種型式[16]。由于電動(dòng)車(chē)用高功率密度電機(jī)調(diào)速范圍較寬，若采用自扇冷卻，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[17]，因此對(duì)于變頻調(diào)速電機(jī)通常采用強(qiáng)迫風(fēng)冷方式。異步電機(jī)冷卻技術(shù)的關(guān)鍵在于通風(fēng)元件（風(fēng)扇、冷卻器）及派生結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。特斯拉電動(dòng)汽車(chē)用異步電機(jī)冷卻方式采用的是強(qiáng)迫風(fēng)冷的方式，如圖7所示。圖8給出了強(qiáng)迫風(fēng)冷的示意圖。

圖7 采用強(qiáng)迫風(fēng)冷方式的籠型異步電機(jī)Fig.7 The picture of the squirrel cage asynchronous motor with forced air cooling

圖8 采用強(qiáng)迫風(fēng)冷方式的籠型異步電機(jī)示意圖Fig.8 The schematic diagram of the squirrel cage asynchronous motors with forced air cooling

5.2.2采用水冷方式的高功率密度電機(jī)

電動(dòng)汽車(chē)用高功率密度電機(jī)也可采用水冷方式冷卻。水冷的實(shí)質(zhì)是將電機(jī)的熱量通過(guò)冷卻結(jié)構(gòu)中的水帶到外部的散熱器，然后散熱器通過(guò)風(fēng)冷將熱量散到周?chē)h(huán)境中。

電機(jī)水冷系統(tǒng)的種類(lèi)有很多種。從結(jié)構(gòu)方面來(lái)說(shuō)，常用的有：機(jī)殼冷卻和端蓋冷卻結(jié)構(gòu)、機(jī)殼和端蓋組合的冷卻結(jié)構(gòu)以及機(jī)殼、端蓋與軸三者組合的水冷結(jié)構(gòu)。其中，機(jī)殼水冷結(jié)構(gòu)具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、制造成本低的優(yōu)點(diǎn)，通常選用機(jī)殼水冷機(jī)構(gòu)。

根據(jù)冷卻水在電機(jī)機(jī)殼內(nèi)的流向不同可以分為兩種結(jié)構(gòu)[18]：①是周向水路，周向結(jié)構(gòu)又分為螺旋結(jié)構(gòu)和多并聯(lián)結(jié)構(gòu)；②是軸向水路。周向結(jié)構(gòu)冷卻水與水套接觸面積大，冷卻效果較好?？紤]到電動(dòng)汽車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的長(zhǎng)徑比較小，不會(huì)產(chǎn)生很大的軸向溫差，因此周向水道更適合車(chē)用高功率密度電機(jī)。圖 9給出了采用水冷方式的高功率密度電機(jī)實(shí)物圖。圖10為電機(jī)水冷的示意圖。

圖9 采用水冷方式的永磁電機(jī)Fig.9 The picture of the permanent magnet synchronous motor with water cooling

圖10 采用水冷方式的永磁電機(jī)示意圖Fig.10 The schematic diagram of the permanent magnet synchronous motor with water cooling

5.2.3兩種冷卻方式的比較

水冷電機(jī)具有獨(dú)特的冷卻系統(tǒng)，冷卻效果較好，適用于高溫環(huán)境長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要循環(huán)水泵及熱交換器，制造難度相對(duì)較大，價(jià)格昂貴。與水冷相比，風(fēng)冷電機(jī)環(huán)境適應(yīng)性比較好，應(yīng)用環(huán)境廣泛，風(fēng)冷電機(jī)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用特殊方式的強(qiáng)迫風(fēng)冷，通過(guò)合理的分析計(jì)算，也可使電機(jī)達(dá)到很好的散熱效果。

6 電機(jī)本體輕量化設(shè)計(jì)

為減輕電動(dòng)汽車(chē)用驅(qū)動(dòng)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(kāi)孔的方式降低重量[19]。設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子開(kāi)孔數(shù)量和大小時(shí)，要保證開(kāi)孔前后的電機(jī)性能基本不變，并且開(kāi)孔后的轉(zhuǎn)子疊片要滿足機(jī)械強(qiáng)度的要求。

7 結(jié)論

本文通過(guò)分析高功率密度電機(jī)與傳統(tǒng)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)的不同之處，結(jié)合高功率密度電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行特點(diǎn)，總結(jié)出了高功率密度電機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的若干問(wèn)題，包括硅鋼片材料和永磁體的選擇，端部繞組和轉(zhuǎn)子處理工藝，以及電機(jī)冷卻方式的選擇等。結(jié)合電機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證了部分改進(jìn)措施的可行性，為今后高功率密度電機(jī)的設(shè)計(jì)提供了一定的參考價(jià)值。

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