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电动汽车用高功率密度电机关键技术

摘要：从高功率密度电机特点、高功率密度电机设计以及高功率密度电机的高速化三个方面对电动汽车用高功率密度电机关键技术做出分析和研究,对更好的设计电动汽车用高功率密度电机提供有价值的参考依据.

关键词：高功率密度；电磁设计；特点；高速化；技术

目前在电机设计中,功率密度已经成为了重要的设计指标,由于销量高、重量轻、体积小,高功率密度电机逐渐开始在多个行业和领域中得到广泛的应用.其中在电动汽车、潜艇以及航空航天等领域中,由于会在一定程度上受到空间限制,对电动机的要求就比较好,这也就表示对电机的功率密度提出了更好的要求.为了更好的增强电机的功率密度,首先需要对电极电磁进行合理优化设计,并加强对高性能电磁材料的使用；其次需要在安全的基础上,提升电机额定转速；最后还可以在一定程度上促进电机散热能力的增强.对于高功率电机来说,具有高频、高速的特征,在运行特性方面与传统电机之间存在着较大的差异.

1高功率密度电机特点

对于高功率密度的电机来说,其特点主要体现在两个方面：一方面是转子旋转速度比较快,一般常规的转子额定转速能够达到6000r/min,高功率密度电机的转速则最高能够超过10000r/min,这样由于转速比较高,就会增加电机供电的频率,常规的能够达到200Hz左右,而最高频率则超过lkHz.另一方面是电磁负荷比较高,这样就会增加电机单位体积损耗,导致电机零部件的温度上升,进而对冷却方式的要求有所提高.由此可以看出,在设计高功率密度电机的时候,各方面的要求都有所提升,与普通电机设计之间还是存在着明显的差别.

2高功率密度电机设计

2.1磁性材料

由于高功率密度电机的供电频率最高能够达到上千赫兹,并随着逐渐提高的频率,对铁心造成的损耗也就会随之增加,并且在总损耗中铁心损耗的比重也会随之上升.导致电机铁心出现损耗与频率之间的关系主要与磁感应强度和铁心材料两个要素之间有直接关系,因此为了降低铁心损耗,首先可以加强对磁感应强度的控制,尽可能的降低；其次在选择铁心材料的时候,要使用高导磁、低损耗的材料.一般来说,超薄型电工钢片的磁滞涡流和损耗都比较低,充当电机铁心材料的话,也能够很好的减少其损耗.

2.2定子导线

为了减少电机线圈中的定子铜耗,需要使用导电率比较高的导线,如银铜合金等.在电动汽车用高功率密度驱动电机中的供电方式一般是控制器或变频器,为了促进电机绝缘性能的提升,避免绕组受到电压的严重影响,防止出现电晕现象,在电机线圈中还可以使用变频电磁线.

2.3笼型异步电机转子笼型材料

在笼型异步电机转子中,导条一般都是铜制或铸铝制,其中铜导条的效率高、电阻小,但是在起转的时候转矩也比较小；铝导条的效率低、电阻大,但是在起转的时候具有较高的转矩.因此在进行转子笼型材料选择的时候,考虑的因素主要是电动机性能受到电阻的影响程度.常用的电机转子铜导条材料主要为黄铜和紫铜,相较于黄铜材料来说,紫铜的电阻系数比较低.通过实验比较可以得出,在电机中使用紫铜导条材料,各方面的性能要求能够得到更好的满足,效率也所有提升,因此紫铜是较好的选择.

2.4永磁同步电机永磁体

永磁体材料的特性,会对高功率密度永磁同步电机的性能的尺寸起到一定的决定性作用.为了提高电机的功率密度和转矩密度,在选择永磁材料的时候需要综合考虑到最大磁能积、矫顽力以及剩余磁通密度的,一般这些方面的数值越大,表示其性能越好.同时在高功率密度电机单位体积中,随着产生损耗的增加,电机的部件温度也会随之上升,因此在进行材料的选择的时候还需要加强对耐温性能的考虑.

3高功率密度电机的高速化

在电机功率密度提高的措施中,电机转子高速化是十分重要的手段之一.其中在提高转速的过程中,电机供电的频率也会随之上升,导致产生较大的电机杂散损耗和铁耗.同时在高速旋转的过程中,转子所承受的离心力也比较大,这也就表示提高了对转子结构机械强度的要求.

3.1 高功率密度电机的高频率

电机转速与铁心频率之间呈正比例关系,当电机处于高速运转中的时候,铁心会产生较大的磁通交变频率,进而产生很大的电机铁耗.同时随着不断增加的频率,也会增加高频附加损耗,尤其是在高速旋转中转子表面会产生轴承损耗和风磨损耗.由此可见,随着逐渐提高的供电频率,高功率密度电机的高频附加损耗和铁耗也会随之增加.另外在高速高频电机中通常是采用控制器或变频器供电,相较于传统电机来说,谐波含量也会所有增加,这也就表示在设计电机的时候,需要加强对高次谐波影响的考虑.

3.3高功率密度电机的高速转子设计

高速电子的转速比较快,这样在旋转的过程中就会产生较高的离心力,导致转子材料所需要承受的切向应力也比较大,当线速度> 250m/s的话,所产生的离心力很大,常规叠片转子一般难以承受,这就需要实施相关的保护措施,或者是使用高强度叠片.

4结语

综上所述,在电动汽车用高功率密度电机中,由于速度的提升,对电机中各零部件材料的质量也就提出了更高的要求,因此在设计过程中,就需要加强对这一方面的选择,保证材料性能能够满足电机在运行状态下的需求,并且在工艺处理中也需要加强技术优化,确保高功率密度电机的各方面性能都能够得到显著的提升,以满足电动汽车以及其他领域的使用需求,促进社会更好的发展.

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[5]张丛,吴毅．电动汽车充电机现状与关键技术浅谈[J]．电气时代,2015,03:42-46.

作者简介——

于彭涛：（1984.7-）,女,内蒙古呼和浩特市人,内蒙古机电职业技术学院电气工程系讲师,大学本科,交通运输专业.

王鑫：（1981.7-）,男,汉族,山西省大同市人.

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