摘要：文章主要从电机控制器高功率密度关键技术概述出发，分别简述了高功率密度电机设计，以及高功率密度电机散热能力的提升，旨在与广大同行共同探讨学习。
关键词：电动汽车用；高功率密度电机；关键技术
一、电机控制器高功率密度关键技术概述
电机控制器是DC/AC或AC/DC转换的电力电子设备，因此其的高功率密度的研究可以分为三个方面，功率的最大化，体积最小化、重量最轻化。这三个部分看似相互独立，但是又相辅相成。
1.功率最大化
在不改变整机体积条件下，如何提升控制器功率成为影响控制器功率密度的关键因素。控制器功率的提升一方面是从源头去降低损耗，包括开关频率降低，电压、电流应力降低，改变材料降低热阻值；另一方面是从散热角度考虑，改善控制器的散热方式。
控制器的损耗主要来源于IGBT的开关动作，电容的ESR在充放电过程产生的损耗，因流过铜排的电流较大，故铜排的不同设计方法和材料带来的损耗也是不容忽视以及单板发热器件的损耗。
故IGBT的选型或定制、电容的容值体积设计、铜排的结构设计和材料选型、单板导热工艺的设计都是影响损耗的重要因素。
功率提升的另一个角度就是散热方式的改进，这个可以通过器件选型、结构布局以及散热方式设计完成。
2.重量最轻化
重量也是控制器高功率密度的一个重要衡量因素，重量主要和材料相关，目前控制器重量的主要组成部分为机壳、电容、IGBT、端子和PCB，其中前三者占据整个控制器重量的80%，因此如果能减轻这三者的重量，将为控制器的轻量化带来重要提升。
机壳的重量轻量化一个是从尺寸上缩减，还有一个是从材料上处理，目前一般都是铝合金压铸件；电容的轻量化包括容值设计、材料选择以及尺寸设计。电容材料主要是内部的铜排以及芯包，IGBT的重量主要是来自于材料的处理，包括绝缘层以及外部的固定结构件，高压连接器也是重量的一个重要影响因素。
3.体积最小化
体积最小化主要是从控制器的结构及工艺设计去实现，包括内舱体以及外部尺寸，这个设计的主要考虑因素为安装方式和散热需求，同时器件的设计工艺也影响了整个控制器的尺寸结构。影响控制器体积的主要部件为机壳、电容、模块、霍尔、PCB 板、线缆等，这几个部件占到控制器总体积的 90%左右。因为电动汽车控制器一般是水冷系统，因此水路设计对机壳大小有很大影响，另一方面水路设计产生的水压应力对控制器的可靠性也有重要影响，同时水路设计严重影响控制器的散热能力，进而影响控制器的功率。
二、高功率密度电机设计
1.定子导线
电机在运行过程中，其线圈中的定子铜耗可能会比较大，会对电机效率的提升造成消极影响，所以降低定子铜耗也是不可缺少的工作。从目前情况来看，解决定子铜耗较高的问题时，通常使用导电率较高的导线，如银铜合金材料的导线便是一种较为理想的选择。电动汽车高功率密度驱动电机的供电方式，一般是控制器或变频器，这就要求在绝缘性方面得到保证，最大限度地避免绕组受到电压的影响，出现电晕现象，个别情况下还可以在电机线圈中选择变频电磁线。
2.磁性材料的选择
高功率密度电机的供电频率通常在几百甚至上千赫兹，随着频率的提高，铁心损耗会迅速增加，铁心损耗占高速电机总损耗的比重增大。电机铁耗与频率有以下关系：
PC=Ph+Pe=KhƒBm2+Keƒ2B2m （式1）
式中：P h，P e——磁滞损耗和涡流损耗；k h，k e——磁滞损耗和涡流损耗系数，与铁心材料和厚度有关；B m——磁通密度峰值；ƒ——电机供电频率。
从式（1）可知，降低铁耗的方法有：①适当降低铁心中的磁感应强度；②采用高导磁低损耗的铁心材料。分别采用 0.35mm 的硅钢片 DW270 和0.2mm 电工钢片 B20AT1200 时，电机铁耗的相关数据见表2.1。
表2.1 不同硅钢片厚度下永磁电机的铁耗数据比较
由表1可知，超薄型的电工钢片磁滞损耗和涡流损耗均较低，可以很好的降低电机铁耗。
3.笼型异步电机转子笼型材料的选择
笼型异步电机转子一般采用铸铝或者采用铜导条。铜的电阻较小，效率高，但起动转矩较小；铝的电阻大，效率偏低，但有较高的起动转矩。因此，选择转子笼型材料时，应该主要考虑电阻对电动机性能的影响。
电机转子常用的铜导条材料包括紫铜和黄铜。紫铜的电阻系数比黄铜的电阻系数低。在H级绝缘条件下，铝、紫铜、黄铜的电阻系数依次为0.049 1Ω·mm 2/m，0.024 5Ω·mm 2/m，0.090 8Ω·mm 2/m。为比较不同笼型材料电机的性能，以特斯拉电动汽车用异步电机为模型，比较三种导条材料下电机的性能输出。图2-1给出了三种材料下电机的转矩-转速曲线，由于电阻的影响，可以看出采用黄铜导条的笼型电机的起动转矩最高，采用紫铜导条的笼型电机的起动转矩最低。三种材料的笼型电机最大转矩相差不多。
图2-1 三种笼型材料电机的转矩-转速曲线
三、高功率密度电机散热能力的提升
1.定子绕组处理工艺
高功率密度电机在其运转过程中，往往会产生很多热量，要保证电机运转的可靠性，必须要不断提高电机的散热能力。电机产生的热量主要来源于电机绕组，定子绕组的散热途径主要包括3点：一是通过绕组端面表面散热，二是通过绕组通风道散热，三是先将热量传递给铁芯在有铁芯散热。在3个途径中，绕组端部散热能力相对较差，因此绕组端部往往散热较为困难。当前通用的办法是采用灌封处理，从而提升端部的散热能力；在灌封处理中，尽量选用性能更好的灌封胶，可进一步提升端面散热能力，从而保证电机的整体性能。
2.空冷方式应用于高功率密度电机
当前，以空气为冷却介质的空冷方式在众多中小型异步电机中应用较为广泛。空冷方式包括自冷、自扇冷、他扇冷以及管道通风冷等多种不同的形式。然而，应用于电动车的高功率密度电机，往往具有很宽的调速范围，如果冷却系统运用自扇冷却方式，在电机转速较低时风量较小，由此电机在低速运转时反而会面临较高的温升压力，所以变频调速电机更加常用强迫风冷的方式。异步电机冷却系统的核心是其通风元件与机构的设计。
3.电机本体轻量化设计
为减轻电动汽车用驱动电机的重量，提高电机的功率密度，在电机设计时，电机的机壳采用比重较轻的铝壳，同时，为减轻转子的重量，一方面采用空心轴代替实心轴；另一方面，在磁路允许的情况下，采用转子铁心去重，即以转子铁心开孔的方式降低重量。设计转子开孔数量和大小时，要保证开孔前后的电机性能基本不变，并且开孔后的转子叠片要满足机械强度的要求。
结语：
对于电动汽车来说，高功率密度电机具有十分重要的作用。对其关键技术展开深入研究，提升电机的综合性能，对推动电动汽车产业化和普及化有十分重要的意义。
参考文献：
[1]王鑫.电动汽车用高功率密度电机关键技术[J].时代汽车，2017（12）
[2]张安彬.浅谈电动汽车用高功率密度电机关键技术[J].低碳世界，2018（16）
[3]温仕冠.电动汽车用高功率密度电机关键技术分析[J].自然科学，2018（5）
论文作者:吕伟
论文发表刊物:《基层建设》2019年第14期
论文发表时间:2019/7/29
标签：电机论文; 功率论文; 密度论文; 控制器论文; 绕组论文; 转子论文; 材料论文; 《基层建设》2019年第14期论文;