高速电机开发的关键要素

以下文章来源于RIO电驱动 ，作者小凌

随着全球新能源汽车市场的蓬勃发展，驱动电机的转速也呈现出了惊人的增长态势。从数年前的18000rpm，到如今的轻松超越20000rpm，这不仅仅是数字上的突破，更是对电机设计和制造技术的一次次严峻考验。本文就高速电机开发的几个点与大家探讨下。

01 #转子极对数的选择

在高速电机中， 铁损成为了一个不可忽视的关键因素， 尤其是在高转速区间。电机的极数与铁损之间存在着密切的关联，这是因为随着电机转速的提升，铁芯中的磁通变化频率也会相应增大，进而引发铁损的显著增加。以下是铁损的计算公式：

以20000rpm的电机为例，6极电机的工作频率达到1000Hz，而8极电机的工作频率则提升至1333Hz。根据上述铁损的计算公式，工作频率的升高直接导致铁损的增大。

在高速电机的设计趋势中，我们可以看到8/48的极槽配合正在逐渐减少，而6/54的极槽配合则逐渐增多。

这一转变的原因正是基于上述的铁损考量。为了降低高速运转时的铁损，设计师们倾向于选择6/54的极槽配合，以实现更优的电磁性能和更高的效率。

02 #冷却系统的选择

对于高速永磁电机，温度对其性能的影响至关重要。由于永磁体的工作点会随温度而漂移，过高的温度甚至可能引发永磁体失磁的风险。加之新能源汽车驱动电机的高功率密度，使得散热面积受限，因此，散热设计成为确保电机性能稳定的关键。

首先在考虑散热方式时，我建议对于转速超过18000rpm的电机，采用油冷方式。这是因为，当转速超过16000rpm时，转子的发热问题变得尤为突出。水冷电机，其主要冷却对象是定子，而在高转速下，转子的热量难以通过水冷方式有效散发。

其次对于温度监控，目前电机设计中通常在定子内部嵌入温度传感器。对于水冷电机，由于流道结构稳定，定子绕组的温度分布相对均匀，定子温度能得到很好的控制。然而，对于油冷电机，流道的设计自由度较大，导致绕组间的温度差异较水冷电机更为明显。因此，在选择温度传感器的位置时，需要特别考虑绕组温升较高的地方，以确保所监控的温度与绕组最高点的温度差异尽量小，从而准确反映电机的实际热状态。

03 #高速轴承的技术挑战

转子支承系统是高速电机研制的核心组件，其中轴承技术的选择尤为关键，目前电机轴承用的为深沟球轴承，这里我就不讲什么保持架设计，滚到设计，就聊一聊应用的一些问题。

在高转速环境下，球轴承面临着严重的发热和跑圈风险。这是因为随着转速的提升，轴承内部的摩擦和热量产生也会急剧增加，从而导致轴承性能下降甚至失效，因此高速轴承的润滑十分关键。

上文提到驱动电机转速超过18000rpm后建议选择油冷的另一个重要原因便是轴承润滑。对于水冷电机，其轴承通常采用自润滑球轴承，然而，在高速运转时，这种轴承面临着漏脂问题以及内外圈温差过大的挑战。

相比之下，油冷系统中使用的开式球轴承能够有效地冷却轴承的内外圈，避免了漏脂问题，并且具有较低的滚动摩擦系数。但是要注意轴承润滑油道的设计，避免轴承冷却不充分，下图为特斯拉早先油冷示意图（后续取消内置突出结构，应该是发现内置突出结构比较鸡肋又比较花钱），在轴肩开孔，内置突出结构保证冷却油流速比较均匀的进入前后轴肩（后来取消应该是发现均不均匀对冷却影响不大，国内大多数油冷电机也没有内部突出结构。）