电动车 - 高速电机如何高效化？.docx

1、如何定义高速电机？

一般转速超过10000rpm都可以称为高速电机，也有用转子旋转线速度定义的，高速电机的线速度一般大于50m/s，转子的离心应力和线速度的平方成正比，因此按线速度划分反映了转子结构设计难易程度。

2、电机高速化的好处？

新能源汽车驱动电机高速化，可以提高功率进而提升汽车动力性，或者保持同样功率和动力性同时可以缩小电机体积，降低成本。

具体来说，电机高速化可以提高功率密度，还可以提高材料利用率，最直接的好处是降低成本和电机的重量。因为电机转速的高低与电机体积/重量密切相关，同样功率的电机，转速越高、体积/重量越小。

功率=转矩×转速，功率相同，转速越高、转矩越小，体积/重量就越小。

高速电机拥有更高的输出功率与能量转化效率，可以在有限的电耗水平下给驾驶者带来更快更猛的加速和极速性能。

高转速电机能承载更高的电流与电压，电机功率上限也更高。

3、高速电机存在的问题：转子结构问题

电机正常工作时，转子会受到离心力、电磁力、热应力等外界因素影响，而电机在高速旋转时离心力的作用尤其突出，远远大于其他作用力的影响。

在实际应用中，电机离心力的大小还会影响到旋转部件的寿命和噪音水平。如果离心力过大，旋转部件容易受到损坏，同时也会产生较大的噪音。

转子高速旋转时，冲片和磁钢都会受到离心力的作用。转速越高，离心力越大。当冲片上的开孔较多较大时，孔之间的间隙就会比较小。这时在较大的离心力的作用下，冲片体脆弱部分的强度可能超过其屈服强度，其变形也可能会影响气隙变小，从而引起性能变化甚至扫膛。而且钕铁硼永磁材料抗拉强度很小。

永磁体受到的离心力完全由隔磁桥承受，因而导致隔磁桥成为高速永磁电机最容易损坏的部位，在设计电机时需要重点分析隔磁桥的受力情况，可以通过低铁损硅钢片（降低厚度）和高强度硅钢材料解决，保证电机安全运行。

如果把电机转子设计得过于短粗，能够提高临界转速的上限，不易发生共振，但转子克服离心应力的难度会增加；反过来转子设计得细长，离心强度问题改善，但临界转速下移，出现共振概率提高，而且电磁功率也会随之下降。

因此转子设计需要反复平衡。

4、高速电机的效率问题

电机是机电能量转换的装置，电动机就是把电能变成机械能，电机效率就是输出的机械能与输入的电能的比值。根据热力学第一定律，也即能量守恒定律，电动机的效率永远不可能超过100%。

电机的转速和效率是一对难以调和的矛盾，在电机基速点转速的效率是最高的，一旦过了基速转速，电机功率希望处于恒定的最大值，而扭矩随着转速的提升不断减小，所以基速之后电机的铁耗会随着转速的升高而加大，能耗由此不断增加。

在高转速/高频情况下，定子绕组会产生明显的趋肤效应和邻近效应，合称为绕组涡流损耗，尤其对现在备受青睐的扁线电机而言，绕组

涡流损耗在高速时更需认真分析与对待。

高速化之后，铁损耗是主要问题，目前的主流方向是降低铁耗提高高速区间效率的关键。铁耗包含三种：涡流损耗、磁滞损耗、附加损耗。

5、高速电机的NVH问题

高速电机即有转子动力学产生的振动问题，比如转子的临界转速问题，轴的偏摆振动问题。也有高频电磁力产生的啸叫问题，高速电机的电磁力频率更高，分布范围更广，极易激起定子系统共振。

NVH是新能源汽车电机的重要技术指标。高速电机由于转速高，使得激振频率很高，而且电机细长，质量较轻，阻尼比较小，振型丰富，易产生各种频率的振动。

高转速也易产生较大的空气噪声，因此NVH是高速电机必须解决的问题，需要在电磁设计、结构设计、电机控制等方面综合考虑。

6、电机高速化的总体思路

（1）需要SiC这类大电流功率器件的支持，因为实现高功率高转矩输出的最主要策略在于提高最大电流。

（2）采用超薄硅钢片，硅钢片越薄涡流损耗越低，有利于提高效率。

为了降低涡流损耗，一般采用0.10mm、0.08mm的超薄硅钢片。超薄片能够降低涡流损耗但改善不了磁滞损耗，改善磁滞损耗可以从下面三条路出发：

①优化磁路设计提高磁场正弦性、降低谐波铁耗；

②降低磁负荷、增加热负荷，降低基波铁耗；

③从材料选型出发，选择磁滞损耗较小的硅钢片。

（3）采用6极设计降低铁损也是提高高速区间效率的关键。

（4）通过永磁体分段也可以降低涡流损耗。以降低AC损耗为例，常用的方法是将磁钢分成多段，可以在径向分段也可以轴向分段。分段能够减小涡流环流面积，降低AC损耗。

（5）工艺方面，通过设备和冲剪模具的改进，最大限度减小冲片毛刺；通过冲片方式的调整，保证冲片的一致性，确保叠压后的铁芯足够光滑，减少和消除不必要的修挫；等等。

7、电机高速化解决方案：用转子护套替代隔磁桥

高速电机转子套筒增