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本文讨论的内容有以下几个方面 1.超高转矩密度电机的设计 2.转矩一定，电机空载反电动势偏低，是否对提高电机转矩密度有利？ 4.看到很多文章上写高转矩密度高功率密度，那高转矩密度它是界定的呢，就是说有没有什么公式或者经验公式来说明功率密度
第一个问题“超高转矩密度电机的设计？” 讨论如下： 1 Edwin_Sun 先用个超高转矩密度来吸引大家的注意力 2 zengxiaodong 6N.m/kg应该是很轻松可以达到，只用风冷就可以了。 3 alibabawkl 冷却方式对于驱动电机的峰值性能影响不大，主要影响的是持续功率。绕组的热容有限，热量来不及散 4 Edwin_Sun 回复2 zengxiaodong这个topic，我已经研究了几个月了，好像不是那么轻松，我期望的是自然冷却，而不是风冷或者油冷；pruis里面的混动是可以达到10的，用油冷呢？曾老师设计的自然冷却的电机能达到多少？我现在的target是自然冷却达到10Nm/kg，不知道能否达到？齿槽配合什么的有什么建议？ 5 Edwin_Sun 回复3 alibabawkl我讲的就是持续转矩密度，而不是峰值转矩密度；我对峰值转矩要求不高，能达到30%到50%的过载就行了，不知道兄台有何建议？曾经做过的电机能达到多少？自然冷却条件下？ 6 张老五 回复5 Edwin_Sun先定义下“转矩密度”的概念：转矩是指持续还是峰值，如果是峰值，还要限定持续时间，重量指哪些部分，有效重量还是总重量 7 jyn2016 电机的功率密度和电机的转矩密度指的都应该是额定功率和额定转矩，体积为有效体积 8 limengde2001 做过一款低速直驱，不太大，额定状态10Nm/kg，机壳表面散热，风速在3-4m/s可以连续运行，回过头细想还有较大优化空间。但是如果做自然冷却，热负荷必须降低，还要做到10Nm/kg，感觉会很难。不知道有人做到没？ 9 limengde2001 主要措施：1.内嵌切向磁路，把气隙磁密做高；2.适当提高各部分磁密，槽开大，降低电密，减少发热；3.结构设计减重 10 zengxiaodong 假设一台100万牛米的直驱风力发电机，怎么也不会有100吨重吧（有效部分），转矩密度不就是10牛米每公斤！ 11 zengxiaodong 极数尽量增加，使得电机“空心化”，则转矩密度越来越高！ 12 yayay2010 前段时间微信群里面转发的一个标准，可以参考下《“新能源汽车”试点专项 2017 年度项目申报指南》--------------2.2 高效轻量高性价比电机技术及产业化（重大共性关键技术类）研究内容：研究高速、高效、轻量化电机的设计与工艺技术、液冷与密封技术、高压安全及防护技术；研究转矩脉动、噪声振动、电磁兼容、可靠性与耐久性等性能优化技术。面向集中驱动的新能源乘用车和商用车动力系统应用需求，开发高性价比的关键零部件和电机产品。考核指标：乘用车电机峰值功率密度≥4kW/kg（≥30 秒），连续功率密度≥2.5kW/kg，电机最高效率≥96%，装车应用不低于 25000 台；商用车电机峰值转矩密度≥20Nm/kg（≥60 秒），连续转矩密度≥11Nm/kg，电机最高效率≥96%，装车应用不低于 5000 台。 13 Edwin_Sun 回复9 alibabawkl内嵌磁钢倒是可以增加一些转矩密度，但是就是加工复杂，需要加工很多燕尾槽，线切割的费用不便宜啊，所以现在倾向于表贴；你们用什么极槽配比？额定转速多少？有没有斜槽什么的降低转矩脉动？ 14 Edwin_Sun 回复12 yayay2010油冷倒是问题不大的，prius的电机就已经能够达到10Nm/kg了，现在是自然冷却呢？而且好多纯电动汽车的电机，一般配一个减速齿轮，速度高了，冷却好，做到11问题也不大 15 Edwin_Sun 回复11zengxiaodong极数多，转子轭部倒是可以减少，但是太多了，过载性能便满足不了，因为永磁的厚度受限了 16 Edwin_Sun 回复张老五一般指有效，额定持续，我记得之前在一些帖子里给你解释过的呢 17 Edwin_Sun 回复10zengxiaodong风电里的直驱电机，倒是强迫风冷偏多，曾老师可有具体的数据？增加定子外径，做成扁平，是书本上常写的增加转矩密度的方法，但是有些场合，定子外径是受限的 18 limengde2001 几十转，分数槽，不用斜槽 19 pzf414049413 要求超高转矩密度，还要求自然冷却，设计的时候温升的指标会很难平衡，建议材料方面用高温的，H级以上。降低铜耗， 20 254339861 采用切相磁钢，切相绕组，定子直槽，大裂比，机壳散热筋，定子绕组灌封，转子掏空，使用铜排绕组，高绝缘等级，分数槽等等。。。。 21 sun137586 你说的转矩密度的重量是包含机壳、轴承、转轴等全部质量还是就是定子和转子部分重量，如果就是定子和转子部分，自然冷却达到1Nm/Kg很正常，我做的基本都接近2Nm/kg 22 Edwin_Sun 回复19 pzf414049413H级绕组可以有；现在我遇到的最大的问题就是绕组的铜耗是很难降下来的；20kw出力的电机，铜耗达到了10kw，效率太低了，铁耗不是什么大问题，即使齿磁密已经达到了1.8T，但是频率只有几个Hz，所以理论算下来只有几百瓦。 23 Edwin_Sun 回复21 sun137586定转子有效部分，定子外径D，轴长L，那么重量就是7800*pi(D/2)^2*L，这是书本上常用的公式；较真一点的还可以把转轴部分挖掉，不过只是一个定义的区别罢了；2Nm/kg不是难事，5呢？10呢？我的目标是10。 24 Edwin_Sun 回复18 limengde2001分数槽的极槽配比能否说一下呢？若是有发布的产品或者发表的问题，一并推荐喽~分数槽就是气隙谐波太多，导致槽口部分的绕组温度过高，平均温度100度的话，槽口部分可能有150了；分数槽的有效基波利用率会有个五六个点的降低，与整数槽相比不过分数槽是一个降低齿槽转矩的很好的方案。 25 Edwin_Sun 回复20 254339861切相绕组是个什么概念，轴向电机？如果是轴向电机的话，在定子外径确定的情况下，轴向电机的转矩密度是偏低的，因为它做不了太厚。 26 sun137586 还要看你电机的转速，转速低些，转矩密度可能会高些。我的2Nm基本是3000rpm。跟电机尺寸也有关的，尺寸大的电机，转矩密度也会做得更大吧，我最大一款是3Nm/kg。可以用halbach阵列转子，不过齿槽力会很大。定子可以采用拼块式，增加槽满率。 27 zengxiaodong 回复22 Edwin_Sun其实讲什么转矩密度是很不严谨的说法，多少牛米每公斤这个数值在很大范围内变动，也牵涉到了结构的优化问题。在正统的《电机设计》术语中，有严谨的参数来描述你的意思，那就是转切应力，这个转切应力才是可以准确比较的参数，它就是电机气隙圆柱面分布的假想的平均切向应力，这个转切应力越大，同样的电机其输出转矩就越大，当然不同的电机也可以进行比较。 28 Edwin_Sun 回复27 zengxiaodong我早年学的是陈世坤版本的电机设计，后来又学了Lipo的Introduction to AC Machine Design，或许这些不太正宗吧，转切应力，径向应力，轴向应力，我一般是用来分析电机的振动模式，倒没有把它和转矩联系过，不过只是一个公式的转换罢了，才薄学浅，曾老师勿笑话 29 Edwin_Sun 回复26 sun137586这个我的感觉是跟转速关系不大，与电机的外径关系比较大；不过一般低速电机，外径都会做的比较大，增加外径比增加轴长更有效些，这也是电机设计书本里经常讲的原理；但是有些场合外径是受限的，最后连轴长都跟你限制死了，安装的尺寸就在那里，只能去找转矩密度高的设计3Nm/kg的设计，有没有相关的产品或者文章？或者简单介绍下基本设计，极槽比，大体内外径轴长，特别是效率大约是多少呢？ 30 andycjj 改过一套设备，原来是由一台异步机带着齿轮箱减速然后拖动一个叶轮，改为电机直驱，原数据：电机额定功率1.5kw，额定转速1420转，减速后转速约136转，计及齿轮箱的损耗，输出转矩约为97牛米，改造后的永磁同步参数如下：外转子表贴，绝缘等级H，42槽、44极，定子外径202，内径120，转子内径209，外径220，磁钢厚3，叠高80，自冷，额定扭矩,97牛米，电机有效重量14kg(带绕组定子铁芯+带磁钢转子铁芯) 31 andycjj 带上控制器后，效率83.3%，电机效率85% 32 zengxiaodong 回复22 Edwin_Sun陈世坤《电机设计》开宗明义就提纲挈领讲了转切应力! 33 Edwin_Sun 回复32 zengxiaodong确实有转切应力的概念学艺不精，曾老师见笑了 34 Edwin_Sun 回复30 andycjj多谢兄台！外转子比内转子转矩密度是要高，可惜应用限制了只能内转子；这个电机的效率多少？这个极槽比，因为有偶次谐波，测试的时候有没有发现较大的单边磁拉力或者脉振？这个我不太懂，只是有些担心。 35 Edwin_Sun 回复31 andycjj刚回复没看到你这个效率。。。根据我24楼的转矩密度公式，你这个转矩密度大约是4Nm/kg，97/(pi*0.11^2*0.08*7800)=4；这个转矩密度，这个效率，是很不错了~~多谢！ 36 limengde2001 极数太多，选分数槽是不得已的选择 37 zengxiaodong 我设计的马达最大的转切应力可以达到34000牛顿每平方米！ 38 Edwin_Sun 回复37 zengxiaodong我刚算了下我之前做的一个，大约是51223牛顿每平方，自然冷却，连续工作制，就是效率低啊，泪奔中，只有72%，温升尚可，电机大了，散热好解决；我的目标是效率提升到80%以上 39 zengxiaodong 回复38 Edwin_Sun你这个转切应力真是太高了，我很惊讶！！！ 40 Edwin_Sun 回复39 zengxiaodong曾老师可以帮我算下，如果我们的公式是一样的话，额定转矩26000Nm，转子外径大约是770mm，那么转切应力是26000Nm/(0.77m/2)=67532.5N，轴长550，那么转子表面面积是pi*0.77m*0.55m=1.33m^2，那么转切应力的密度是67532.5N/1.33m^2=50758N/m^2大约是这个数值吧，问题就是效率太低了，不过对于这么大个的电机，十几个千瓦的损耗，温度真的升不上去 41 zengxiaodong 我估计马达的磁负荷以及线负荷都已经达到极限了！ 42 Edwin_Sun 回复41 zengxiaodong线负荷估计很大了，不然也不会铜耗那么大，效率那么低 43 zengxiaodong 齿磁密小意味着可以减小齿宽，就可以让出空间为铜所用，不就提高了效率？ 44 Edwin_Sun 回复43 zengxiaodong这里有点自相矛盾的东西，减小齿宽，如果磁密没有成倍比例增加的话，那么你的反电动势是下降的，同等转矩输出，需要的电流是增加的，I^2*R，电阻虽略减小，但电流平方却加倍增大，导致铜耗略增啊，所以现在的齿宽算是一个优化值了，我现在尽量想去提高永磁的性能，但已经到44了，往上也没了，貌似到了一个瓶颈 45 zengxiaodong 回复44 Edwin_Sun反电势怎么会下降呢？我不明白 46 Edwin_Sun 回复45 zengxiaodong简单的讲，反电动势跟磁链成正比，假设一个齿上的磁密是B，截面积是S，那么磁通是BS，减小了齿宽，磁密是增加了，但是截面积减小了，同时磁密的增加并没有截面积减小的比例大，所以会导致反电动势的降低的。。。 47 张老五 回复46 Edwin_Sun为啥“磁密的增加并没有截面积减小的比例大”？ 48 Edwin_Sun 回复47 张老五过拐点，进入饱和区了啊。。。 49 zengxiaodong 回复48 Edwin_Sun你把齿宽减少10%进行仿真试试，我可以保证你的反电势不会降低！！！ 50 张老五 回复48 Edwin_Sun你这个理论跨度有点大 51 Edwin_Sun 回复44 zengxiaodong不用保证，我早就试过了呢，9mm的齿宽，减小到8mm，是降低的，降2V 52 zengxiaodong 回复45 Edwin_Sun找到解决的办法了！只要增加齿宽就可以了，根据你的分析和试验，这样就可以增加磁通量和反电势，因此就会减小线圈电流，从而快速降低铜耗，这样就提高了效率。 53 Edwin_Sun 回复52 zengxiaodong我没明白你的意思。。。齿宽和铜耗的关系是有一个拐点的。。。 54 zengxiaodong 回复53 Edwin_Sun哈哈！难不成像《登徒子好色赋》说的，增一丝则宽，减一丝则窄？ 55 Edwin_Sun 回复54 zengxiaodong哎，如果你去推导一下给定转矩之下，铜耗和齿槽面积分配关系的话，你会看到当磁密不变的情况之下，当槽的面积占齿槽总面积的35%左右的时候，铜耗是最小的；当磁密变化的时候，这个百分点会变化；你也可以用有限元算几个分配关系，看看铜耗的变化趋势，是不是有个最低点，此贴封贴吧，免回。
56 forlink 如果功率不变，转速不变，只是电压小了电流大了的话，那么功率密度和转矩密度是不变的 57 天涯瞭望 回复56 forlink或许这么说吧，把预估的空载反电动势值取的低一些，这样定子齿的宽度可以有所减小，同样可以减小定子轭部的长度。当然在功率和转速一定的情况下，电流和匝数会相应提高，这样的结果就是，线圈窗口的面积较大，齿的宽度减少。不知道这样的设计，能否提高电机的转矩密度？ 58 forlink 回复56天涯瞭望先说说你是如何让反电势取低的，通过改变哪些参数实现的？ 59 zhaoranjun 转速和功率决定转矩那么单位体积转矩提高，转速不变情况下只能是增加永磁电机的功率密度就是电磁负荷调高，关键提高气隙磁密一个是减少齿宽一个是使用好的磁钢，同时注意减少反电动势估值，保证高气隙磁密下磁钢的稳定性。 60 天涯瞭望 回复58 forlink减小齿宽，降低匝数，这些都可以让空载反动电动势降低 61 forlink 回复60天涯瞭望那你这样的话，又怎么保证相电流增大呢? 62 天涯瞭望 回复59 zhaoranjun气隙磁密一般为0.8T，再高就不太容易了。这个时候为了追求在单位体积内出力更大，做法是把线圈窗口的面积增大，电流也增大，缩小齿的宽度，即增大电负荷，减小磁负荷，现在正按照这种思路做验证。您觉得有没有什么问题呢？ 63 天涯瞭望 回复61 forlink计算功率=相数×空载反动电势×相电流，功率不变，为了把预估的空载反动电势降低，会相应把相电流升高。 64 forlink 回复63天涯瞭望你把齿宽减小，那么电机铁耗就得增大，在前后冷却条件不变的情况下，温升肯定提高，电机寿命减小 65 forlink 回复62天涯瞭望减小齿宽，只能是增加磁负荷，怎么能说是减小磁负荷。 66 天涯瞭望 回复65 forlink减小齿宽，的确是增加磁负荷，这个我可能没表述清楚。空载反电动势是与匝数和磁通的乘积相关的一个量，通过增加匝数（增加电负荷），减小空载磁通（降低磁负荷）来追求较大的转矩密度，我的意思是这样的，之前表述有些问题。 67 梦想在望 提高电机的转矩密度？----- 你的转矩设计目标一定，那就是要减小电机体积了．一般电机的力矩基本决定了电机尺寸（包括径向，轴向），若想减小其体积，可通过改变绕组形式，增加绕组反电势．你也说设计的反电势偏低了，可以设计高点． 68 forlink 回复66天涯瞭望匝数增加，空载磁通减小，那么反电势是二者的乘积，也可能会保持不变呀？你怎么能让反电势增加 69 cjj_7726 你设计的是异步起动的永磁电机，还是什么样式的？我有些异步起动永磁电机的设计制造经验，我们做了五年多。由于市场变动的缘故，暂时放下了。咱们可以交流一下。我们设计的这种异步起动的永磁电机是用在油田抽油机上的。另外，我的同学是跟唐任远老师读的研究生，方向也是永磁电机。 70 天涯瞭望 回复68 forlink我的目的不是让空载反电动势增加，而是设计的时候就预估一个偏低的空载反电动势。空载磁通自然就降下来了，齿宽也会减少，而计算功率不变，这样相电流就提高了，结果线圈窗口的面积会增大。 71 forlink 探讨到现在，你的前提是不是转矩一定，那转矩密度怎么会提高呢？ 72 天涯瞭望 回复67 梦想在望你的意思是提高空载反电动势有利于提高转矩密度吗？从我之前的研究看来，并不是这样的，我现在做的方案就是降低空载反电动势，现在也在探索中，不知道这样的想法到底对不对。你提到了径向和轴向磁路结构的电机，在转矩给定的情况下，电机的长径比和内外径比不会有大的变化，这一方面从主要尺寸公式可以看出来，大部分的书籍上也是这样写的。但是到具体的永磁电机设计上，也不会完全按照经验的长径比和内外径比来定吧。有电机设计的书提出过，主要尺寸之间的双曲线关系，也申明经验的长径比和内外径比，不会是最优的尺寸。以提高转矩密度为目标优化永磁电机的尺寸，我也是想探索一下，有没有可能整理出一些普适的设计方法。 73 天涯瞭望 回复71 forlink限定条件是，电机外径，转矩一定，其他自由设计。实际验证的时候，把功率和转速给定，同时不超过给定的定子外径。 74 天涯瞭望 回复69 cjj_7726谢谢你了，多交流吧。你在方面有五年的设计制造经验，很不错了。我做的也是永磁电机，非常欠缺制造经验，最近马上要做三台样机，可能有问题向你请教啊。哦，我们做的是横向磁通结构的永磁电机，沈工大的唐任远院士之前也做过这方面的研究，在一个方面应该是走到了国内研究的前面。 第三个问题“做过不少电动汽车电机，我觉得考虑电机大小是否合理，应该考虑转矩密度，而不是功率密度。因为对于低速电机来说，其转矩密度通常很大（因此重量做的也不会太小），但是功率不是太大，相应的功率密度也不高。而对于高速电机来说，由于高转速大功率，其功率密度通常很大（因此重量做的比较小），但事实上其出力不大，相应的转矩密度不高。不知道大家对于这个问题，有什么看法呢？” 讨论如下： 75 paopaoff 同意楼主的观点，其实功率密度是一个比较虚的概念，而转矩密度是有实在意义的。 76 pat 两个不同的指标，只能说明不同问题，比较而言可呢功率密度考虑得更多一些，比较车用电机都要求体积小，功率高，至于转矩不够，可以接一固定速比的机械变速箱，单级速比的变速箱体积和质量都不会太高。 77 flyersu 的确是两个不同的指标！这两个指标都和电机的散热有直接的关系。 78 凌之峰 只有转矩密度才能比较，才是基准，很多人谈如何如何我的电机很小，功率很大，你的电机那么大，功率那么小，这样说没有意义，给非专业人一看，好像对的，能把这么小的体积做这么大的功率，水平高，咋能这么骗人呢？ 79 conejone 汽车最关注的是转矩。。。。。。。。 80 kyj8619 转矩密度和功率密度都是不能忽略的。转矩密度高，则低速时转矩大，汽车启动力矩大，加速度高。功率密度高，则电机高速功率高，汽车功率高。其实对于汽车来说，转矩要求和功率要求都是必须满足的。对于同样磁路结构的电机，可以通过改变绕组形式即匝数，来改变转矩和功率的分配。匝数高最大力矩大，但是同时最大功率降低。所以需要寻求转矩和功率的平衡。 81 avrgb 机械变速器完全可以解决的。 82 cqlyj2008 同意这个观点，其实汽车需求的直接物理量是转矩，只是根据转速不同，才导致了功率不一样，所以我一向都认为提转矩是更合理的 83 wangweip 同意，但这个问题应该是电机和减速机一体来考虑，对一个已经设计好的整车来讲，减速电机的功率和扭矩应该是确定的，要解决的是电机和减速机的整体体积大小的问题，当然同样功率的前提下电机转速越高，电机体积越小，要获得同样输出扭矩减速机的速比要放大，而减速机速比增大带来的减速机体积增大要比电机缩小的比例要小得多，因而在一些体积要求小得场合，均希望电机转速高些。但这样也会带来问题，电机要解决高速轴承的问题，减速机要作到高速也不是国内技术能解决的。另外还要考虑减速电机效率的问题。 84 wolfsky1982 回复83 wangweip的确是这样的。 85 ch095990 这个问题不能绝对，我觉得应该更偏重于功率密度，同样大的电机功率大才是王道，扭矩的问题通过减速机构可以解决，当然扭矩密度也不能忽视。综合考虑。 86 wenk2506 楼上的朋友认为功率密度更有意义，转矩可以通过减速机构解决，其实减速机构也占空间也有重量，一旦加上减速机构，原来功率密度高的电机就可能密度不高了。 87 hubei_zhf 比较同意3楼观点，因为汽车电机都是带减速的，额定转速至少也在5~6转，其功率密度都是比较大的 88 5525 如果一车只有一台电机那么怎么安排都麻烦的。日本人的思路，开关磁阻电机和感应电机分别在不同轴上，感应电机调速能力低，可以做成高功率的，感应电机只负责高速行驶，这样，两者矛盾迎刃而解。日本人最重视成本。 89 caohongfei 一切都是整车的需求，在满足整车需求下，成本（包括减速器）越低越好，电机的成本正比于电机的重量，因此电机越轻往往成本越低。整车往往要求了电机的拐点参数和最高转速，因此对于整车需求来说，电机的力矩及功率需求是一定的，我认为，相对而言的功率密度的描述上比转矩密度更直观点。 90 zh2206 两个指标都要兼顾，虽然高速电机功率密度高，但是有很多因素也限制了将电机转速做高。建议高速电机比较功率密度，低速电机比较转矩密度。其实也可以不用比，只要能满足要求，看哪个电机轻就行。。。。 91 yuanzhrng 前些天我们做了一个1.2kw的直流无刷电机，但是和别人的比在恒转矩的情况下，转速讲的很快，正在试图减匝数来解决这个问题 92 zyh1-9-8 同意，我也做过很多汽车用驱动电机，不停的总结，我都跟我同事们说功率密度没有什么用，虚的东西，还有为什么一个电机谁都能做出来，好象没有多少其别，可能你基本懂电机怎么设计了。 第四个问题“看到很多文章上写高转矩密度高功率密度，那高转矩密度它是界定的呢，就是说有没有什么公式或者经验公式来说明功率密度？” 讨论如下： 93 pat 现在还没有规范的公式，一般用kW/kg或kW/m^3来衡量功率密度，用Nm/kg或Nm/m^3来衡量转矩密度。因为液冷电机的热负荷较高，与系列化的风冷电机相比，可能会大个1~2倍数。 94 cqlyj2008 回复93 pat863关于电动汽车电机的，1.3kW/kg 95 寒宇 回复94 cqlyj2008这个数值包括冷却系统吗。 96 老电机 采用内置式磁钢的永磁电机理论上转矩密度比较高，因为有磁阻转矩的存在。 |
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