作者：核动力蜗牛 转载自微信公众号《电机产品技术前哨》

“ 在需求倒逼下，追求高功率密度、高扭矩密度是电机开发的强诉求。在各自擅长的关键技术上，百家争鸣局势呈现，目前尚未形成统一性的技术路线。值此形势，正是对各家技术学习、消化、吸收的大好机会。本期给大家带来英国Equipmake公司的高密度电机技术。”

01

——————————

Equipmake的先进产品

Equipmake公司介绍

Equipmake是一家英国电机公司，企业不大，创新力很强。其产品以高扭矩密度、高功率密度、集成化、小型化为特色，下面简单介绍一下他们的一些拳头产品。

按扭矩从大到小命名的三款产品分别是APM-120、APM-200、HTM3500。APM-120早期比较出名，14kg的重量出125Nm@120kw，2017年就推出了，这指标在五年后仍然惊艳。后面他们又陆续推出了APM-200，和HTM3500等扭矩更大的电机，一如既往地保持了高密度的特色。今天我们详细介绍一下AMP-200这款产品。

APM-200电机介绍

初识该产品是通过官宣的介绍视频，第一眼觉得制造工艺精良，第二眼看到性能指标优异，第三眼细发现确实有料，值得花点时间细细道来。

对该电机的第一印象就是这是一个极其紧凑的集成系统，抛开背包控制器，电机同轴集成了一个速比5.5的行星减速器。减速器和电机共用机壳、端盖、轴承和冷却系统，如此大幅度减少尺寸。

同时从图示比例看，冷却机壳薄且短，电机结构设计也非常简洁。看得出设计者有追求极致简洁的偏执倾向。

仔细研究该电机的技术指标，电机+减速器总共49kg，出2475Nm的力矩，被50.5Nm/kg的总成扭矩密度惊艳到了。 数据要对比才有概念。我们在2019年设计的一款圆线驱动电机 2800Nm整机重量需要140kg，2020年采用了扁线等技术有所长进，1500Nm的扭矩做到了80kg，但相比APM-200差距甚远。当然这里很大区别在于是否集成减速器，但能够做出这么轻的大扭矩减速齿轮，并紧凑的和电机集成一体已经足够惊艳，有这金刚钻，必然会做这瓷器活。

其实抛开减速器，电机本体的扭矩密度也到11.3Nm/kg，功率密度达到5.5kw/kg，表现也不俗。

细看电机方案也有独特之处，它采用的是16极18槽的集中绕组，转子采用Spoke结构，国内也叫切向结构或者轮辐结构。这和国内采用的转子拓扑大相径庭。我们一般习惯采用V字或者双V、V一的转子拓扑，而且倾向于选择整数槽槽极比。这必然会带来一些不同。

APM-200的技术策略

现在我们不禁要问，Equipmake是如何做到如此高密度的设计的，我梳理了一下，他用了五种技术策略，且容慢慢道来。

策略一：电机高速化+减速器

将电机转速提高，从而同样功率下，电机尺寸和重量大幅度减小，同时集成减速器，使得扭矩放大。这里面最关键的问题是：减速器本身的重量和它换来的扭密提升相比是不是划算？答案是很划算， 我统计了一下Equipmake两款电机，APM200 增加了9kg的减速器重量，换来了4.49倍的扭密提升;APM120增加了5.5kg的重量，换来了4.31倍的扭密提升。但这么划算的买卖是有高门槛的。需要减速器“设计-制造-冷却-集成-可靠性”等关键技术支撑，非长期积累，功力深厚不能支撑。

策略二：极致的结构设计

这里说的是极致压缩的结构件的尺寸。以冷却水套机壳为例，该产品做到了9mm壁厚，在9mm的厚度中要构建出内壁、水道、外壁三层结构，对工艺的挑战极大。另外该电机的绕组端部尺寸也压缩致极矮，按照比例测绘绕组端部线包高度小于20mm。被压缩的这部分结构是不参与出力的， 为出力的定转子腾出了空间，使得同外形尺寸下扭矩得以上升。

策略三：多极集中绕组

APM200采用的是16极18槽的槽极配合,其实不仅这款，Equipmake的其它产品都倾向于采用多极的集中绕组架构。这种架构有两个好处，第一就是“大裂比”（定子内径相对较大），如下图所示，左侧是6极36槽分布绕组，右侧是16极18槽的集中绕组，明显后者的定子内径更大，更大的内径会带来更多的磁通，非常有利于提高扭矩密度。另外一方面集中绕组还会带来绕组端部高度的降低，使得结构紧凑化。

策略四：SPOKE聚磁结构

Equipmake确实对SPOKE结构情有独钟，这种结构有何独特？他们官方的说法是SPOKE结构漏磁较其它IPM结构更小，漏磁小则磁通增强，同样的扭矩，磁钢用量可以减少25%。当然反过来也成立，同样用量的磁钢用量扭矩也会增加。

其实这类结构还有一种优势没有点出，那就是“聚磁能力更强”，可以用较弱的磁材产生比较强的磁场和扭矩。如下图所示是另外一个单位的实践成果，他们充分利用了该结构的聚磁特性，即便采用铁氧体这类性能较弱的材料，也达到了Nissan2010leaf “V一”磁极相似的性能和尺寸，甚至还略小一点。当然逻辑反过来也成立，用同样强性能的磁性材料，该结构能够获得更大的扭矩。

策略五：独特的转子冷却方式

最后一个策略是他们采用了一种独特的转子冷却结构，如下图所示在每块磁钢和铝合金轮毂“hub”之间设计了一个冷却流道。这个流道成了转子冷却的关键，冷却液会通过这16个流道从电机的一端贯穿到转子另一端，使得磁钢得以冷却。这样构成了一个良性循环，它的逻辑是这样的：磁钢被直接冷却→磁钢温度一直小于100℃→选择低矫顽力高剩磁的磁钢→磁钢的工作点更高→更大的磁通→更高的扭矩。

小结：这五个技术策略，其实是一个有机的整体。用了减速器，电机转速上升，用转速换扭矩，这会使得磁钢的温度会提高，因此他们采用了转子磁钢冷却技术作补充。采用Spoke结构磁通得以增强，扭密会加大。但这种结构容易产生局部退磁，因此也需要更好的转子冷却用来补充，使得磁钢工作在不易退磁的低温环境。另外使用多极集中绕组，使得绕组端部有可能更紧凑，使得极致化设计成为可能。可以看出设计者作了系统性的思考和规划，这是值得我们学习的地方。

02

————

对标分析

纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。了解事物的最好路径就是想办法自己造一个。因此我们就按公开的资料，重新构建它的电磁模型，以便更深入地学习。下面就是我们大致比例构建的初始模型，外径300mm叠高100，气隙1mm，绕组、槽型和磁钢参数都是估算的。

在给定了650Vdc，380Arms约束条件后，我们分析了初始模型的map后，可以确认最高扭矩450Nm、最大功率220kw、最高效率96%+以上是比较容易满足的。说明这种磁极结构确实存在高输出能力的优点。但也发现一个缺点，磁钢上的涡流损耗非常大，特别在高速峰值功率曲线上，涡流损耗超过了10kw，这是集中绕组带来的缺点。显然这是没法用的。

针对这种情况，Equipmake采取了一种简单的策略：“磁钢轴向分段”。它的原理是碎片化磁钢涡流环路，使得环流阻抗增加，从而损耗降低。这个型号轴向分了两端，我计算了一下分五段之后涡流损耗抑制系数大致是0.2117，相当于抑制了80%的涡流损耗。

加了修正系数后，重新仿真，可以确认利用磁钢分段大幅度抑制磁钢涡流损耗。

初步模型和真实模型肯定有差距，也不保证Equipmake在披露资料时会留一手。因此我们有必要对这种结构充分优化，以发现其完整特性。我们采用自研软件VMDesigner从四个视角进行多目标优化，分别是：

这里面扭矩密度视角来看，我这里用了电机重量“Mall”和“单位扭矩总损耗”这一对目标，内在的含义是什么呢？“单独追求扭矩大小没有意义，峰值扭矩及其维持的时间合起来才重要”。而时间的长度和损耗有关系，因此要优化的目标是“单位扭矩损耗”，这个值越小，同样的冷却条件所能维持的时间越长，反过来同样的热时间下，转矩也能更大。

另外一对目标从可靠性的角度来看也很重要，就是磁钢的工作点和磁钢上的涡流损耗，这是因为SPOKE这种结构磁钢靠近气隙处容易产生局部低点，而且分数槽配合也会带来磁钢上的损耗过大。这两种状态都不利于磁钢安全，因此有必要加入考量范围。当然还有其它视角也很重要，考虑主题聚焦，在这里不展开。

当设置了这些目标后，我们通过扫描定转子结构参数绕组参数通过3天的逐代优化我们能够观察到优化效果。

从扭矩密度的视角来看，初始方案在电机重量19.5kg时单位转矩损耗在28w/Nm左右，而优化后的前沿解，存在单位转矩损耗在20w/Nm以内的解，扭矩密度将会更大。

从磁钢可靠性视角来看，初始方案处于非常不利的位置。峰值扭矩下的磁钢工作点 0.18Tesla,高速下磁钢涡流损耗6000w。而在前沿解上磁钢最低工作点可以到0.3Tesla以上，磁钢损耗可以在4000w以内，优化效果明显。

从效率视角来看，最高效率、高小面积都有很大的优化空间。

从输出功率的视角来看，在保证反电动势1000~1100Vrms以内，存在较多的功率超过220kw的解。

从NVH的视角来看，转矩脉动和齿槽转矩也能优化到较低水平。

最后我们选择了其中一个方案，作为研究个体。优化前后扭矩密度、 高效面积和磁钢安全性、NVH四个维度的性能都得提升。这说明这种Spoke-16P18S的拓扑结构方案好坏差异性很大， 需要精准设计， 简单模仿容易出问题。

这里稍微提一下上表中的“峰值转矩维持时间”，优化完后它能维持49.85s，这是什么概念呢？就是在不考虑任何散热的条件，500Nm的出力状态绕组能维持安全运行50s。在实际散热条件下，运行时间可以达到2分钟以上。这说明该结构具备很强的扭矩输出能力。

对比优化前后的方案，它的结构非常接近， 在磁钢形状、磁钢槽口尺寸、定子槽型、绕组匝数上略有不同程度的区别。但性能相差较大。

以磁钢最低工作点为例，如下图中表所示，略微调整了磁钢顶部结构的尺寸 就能使得磁钢最低工作点从0.16提高到0.27Tesla，但反过来也一样，设计不当也容易产生退磁风险。

回到主题，通过对标分析我们学到了什么？大致可以总结出如下几点：

03

————

总结

Equipmake公司高密度产品的学习，我们学到了很多知识，但让我感受最深刻的是创新并不是那么容易的。作为在一线的工作者，深知创新来自长期的积累和极致的追求。什么是极致追求？是为了目标，毫厘比较，融合各关键技术，形成强强互补的策略组合。所谓“念念不忘必有回响”，希望国内同行也能参考借鉴，勉励同行。