2022美国DOE先进电机技术最新进展一

“ 本系列文章介绍美国电机技术最新进展，分析自2019年以来美国DOE主导下电驱动电机技术主要突破方向和思路，希望能对国内同行起到印证、启发的作用。”

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ELT253

具有高功率密度和集成冷却的先进概念的电机

本期介绍 DOE主持下的编号为ELT253的项目，研发方为美国雷神技术中心，DOE支持了近60万美元，意图开发一种新的先进概念电机，具备更高功率密度、更先进冷却方式等关键特征。项目起始于2019年4月，预期2022年完成，现在处于延期状态。

ELT253项目的目标是将电机的体积功率密度提高8倍，其参考指标数据是功率密度从2020年的5.7kw/L，提升到超过50kw/L。这个大概是个什么量级呢？要做对比才有概念。2016年的明星产品BMWI3电机功率密度大概是9.5kw/L，2020年的明星产品Tesla Model3 的功率密度大概是14.8kw/L。功率密度分别只有 2025年的目标的 20%和30%，因此必须要有新的技术突破，才能达到如此高的功率密度。

电机项目

峰值功率\kw

体积\L

功率密度kw\L

BMW I3

125

13.1

9.5

Tesla Model3

200

13.5

14.8

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ELT253

技术突破方向

该项目电机的基本拓扑结构和参数如下图所示，看上去其貌不扬。仅仅是一款表贴式集中绕组电机。

那是如何达到50kw/L的？关键在于雷神公司的研究团队采用了一系列新技术组合，概况一下用了七种策略，分别是：

【高速化】雷神公司这款电机的转速最低在20000rpm，最高在24000rpm，在不考虑扭矩密度的前提下，高速化是提高功率密度的优先选项，也是近几年车用驱动电机的明确的发展方向；

【超级硅钢】ELT253项目采用了高Si合金钢，硅含量超过6%，也就是“超级硅钢”作为铁芯材料，这种材料特别适合降低因高速高频带来的铁耗；

★【分瓣式高槽满率集中绕组】这是雷神公司在电机电磁设计层面主要的创新;

【碳纤维+表贴式转子】这是高速电机常用技术组合， SPM能够避免应力集中，再加上碳纤维的应用能够实现更高的转子线速度；

★【槽内水管冷却】这是ELT253项目热管理方面最重要的创新，高功率密度导致热功率密度也超高，传统的水冷、油冷方式很难满足需求，必须要有换热效率更高的冷却方式。

【高压宽能隙器件】，其实就是用了一款额定700V 最高1500V 的SiC控制器，供应商是John Deere Electronics ；

【轻稀土磁钢】，雷神公司用了一款无重稀土Dy的牌号为N55的磁钢、这个纯粹是政治问题，和高功率密度没有关系。

这种技术搭配大概的思路是这样的，首先通过高速化大幅度提高功率密度，从对标基础样机的5.7kw/L（一款不到4000rpm的低速电机，起点低，改进效果明显，有利于申请项目），通过提高转速到20krpm+，功率密度马上到了42kw/L，但效率损失严重，从95%下降到了93%；然后通过使用超级硅钢大幅度降低铁耗，因此效率又升到了96%。关键难点在于体积减小88%,效率只提升了1个百分点，这么多热量堆在如此小的空间内，散热是最大的考验，因此采用了槽内冷却技术来应对，如此构成了至少看上去自洽的策略组合。

在这一系列技术组合中，有很多是常规技术、其中有重要创新意义的仅有两种，分别是“分瓣式高槽满率集中绕组” 和“槽内油冷”。

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分瓣式高槽满率集中绕组

ELT253这个项目采用的是10极12槽的分数槽架构，每个齿都是独立分瓣的，绕完绕组后再拼接成一个完整的定子。这里面有两个疑问：一、为什么不用整数槽架构；二、为什么铁芯要一个齿一个齿分瓣？

第一个问题，雷神的研究团队认为集中绕组分数槽结构的功率密度大于整数槽，他们给出的数据和理由如下图所示：

雷神团队在2019年到2020年度主要的工作就是各种槽极比结构的优化对比，比较的结论就是在同“电密*热负荷”下集中绕组结构的功率密度略大于整数槽结构（前者峰值79.1kw/L，后者的峰值是71.9kw/L）。原因是集中绕组结构的槽满率更高、绕组端部更紧凑。后者好理解，而槽满率的问题涉及到了绕线方式和分瓣式结构了。

如上图所示，该项目的绕线采用了压制绕组相比普通绕组导体被挤压成了六边形，线间间隙大幅度减小，能够获得更高的槽满率，槽满率可以在82%以上。更高的槽满率不但能够获得比整数槽更高的功率密度，而且能够提高铜线到铁芯的导热系数

，有利于散热。但压制绕组有个先决条件，就是必须采用集中绕组分瓣式铁芯结构，只有绕组绕制在独立的齿上方便工装施加压力。现在我们能够理解前面两个疑问了。

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槽内水管冷却技术

什么是槽内水管冷却技术？如下图所示直接将水管嵌入绕组和绕组之间的间隙，然后注入导热树脂，使得槽内导体产生的热量能够直接通过冷水管散走。

如何理解这种水管冷却技术为什么比其它冷却方式更有优势？是因为改变了热的传递路径。传递路径更短了，最大的热源（铜线）的热能够被直接带走。如下图所示，槽内冷却下温度从低到高的梯度是：槽内导体→槽边缘导体→铁芯，温度差范围从0.59到0.77；而普通冷却的温度梯度是反过来的，槽内导体温度最高，温度梯度差从0.55到0.99，显然后者的温度场分布更不均匀，在槽内形成了热孤岛，而电机的寿命和性能是由温度最高点决定的。相比之下槽内冷却温度更均匀，最高温度更低，是一种更有效的冷却方式。

查看不同年度的报告，能够发现该项目的槽内冷却技术有明显的进化痕迹。2020年采用的一字型方案，到了2021年改进成了T字型方案，T字型方案绕组和冷管的交接面更大，冷却效果更明显，但相应的绕线工艺更复杂。因为项目未结题，尚不清楚他们最后的定稿方案，但最后的方案肯定需要平衡好性能和工艺性。

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总结

可以看出ELT253的高密度电机方案本质上的创新在于槽内冷管技术，分瓣式集中绕组是为了实现该技术必要的选择。高速化+超级硅钢+碳纤维是常规技术路线，这些组合在一起形成了一个高功率密度解决方案。雷神技术中心是一家军工企业，在DOE企业联盟中不算突出，相应的技术方案没有那么惊艳，但我们仍然能够获得一些启发：

高功率密度的核心难点是如何更有效的散热，必须要在散热上有所创新；

高功率密度必须要提高用铜量，可以是扁线也可以是压制绕组，也可以是其它方案；

高速化仍然是一种有效的路径，但需要有一系列策略来克服高速化带来挑战；