新能源汽车驱动电机的发展趋势
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➢ 电力电子集成，实现功率密度倍增，降低成本。
三 新能源汽车永磁电机的发展趋势
性能发 展趋势
功率密度
更 高
调速范围
性价比
技术发 展趋势
新材 料
新原 理
新工艺
Tem
Pem
mpE0U X d
sin
mpU 2 ( 1 2 X q
1
源自文库Xd
)sin
2
第一项由永磁气隙磁场与定子电枢反应磁场相互作用产生 的基本电磁转矩，又称永磁转矩 第二项由电动机d、q轴磁路不对称而产生的磁阻转矩
二 新能源汽车驱动用电机的设计技术
宝马i3 多层结构
V一结构
三 新能源汽车永磁电机的发展趋势
二 新能源汽车驱动用电机的设计技术
水冷技术
一 新能源汽车永磁同步电机技术发展现状
油冷技术
油冷技术可使驱动电机转矩和功率密 度得到进一步提升。 采用电机绕组端部冷却可以使电机绕 组温度降低68%以上，大大提升了电 机的功率密度和转矩密度水平。
二 新能源汽车驱动用电机的设计技术
3 高性能材料的选择使用 1）铁心叠片材料的选择
磁滞损耗 ph kh fB2G
kh是与硅钢片性能有关的一个常数，含硅量的多少影 响数值大小
pe ke ( fB)2G 涡流损耗
二 新能源汽车驱动用电机的设计技术
高速电机供电频率在几百赫兹，随着频率的提高， 铁心损耗会迅速增加，铁心损耗占高速电机总损耗的比 重增大，所以不能采用50Hz供电的普通电机的磁性材 料，而应选用高导磁，低损耗的薄片磁性材料。为了减 少铁心损耗，可选用各向同性的0.35mm甚至更薄（ 0.2mm）的硅钢片。
二 新能源汽车驱动用电机的设计技术
2）高性能永磁材料选用
为提高电机转矩密度和功率密度 ，选择永磁材料时应该选用剩余 磁通密度、矫顽力和最大磁能积 较大的永磁材料。还可选用聚磁 结构以增加气隙的磁通密度（如 HALBACH阵列）。
HALBACH阵列结构
二 新能源汽车驱动用电机的设计技术
4 轻量化结构技术
二 新能源汽车驱动用电机的设计技术
（一）高功率密度和高效率设计技术 1 合理优化电磁设计和好的生产工艺相结合 1）极槽配合的选择
永磁电机主要有集中绕组和分布绕组之分 分布绕组 优点：省材料；
在不增加成本情况下磁阻转矩多； 散热容易； 缺点：电机转子位置允许误差比较小。
二 新能源汽车驱动用电机的设计技术
为减轻电动汽车用电机的重量，提高电机的功率 密度，在电机设计时，电机的机壳采用比重较轻的 铝壳，同时，为减轻转子的重量，一方面采用空心 轴承代替实心轴承；另一方面，在磁路允许的情况 下，采用转子铁心去重，即以转子铁心开孔的方式 降低重量。
二 新能源汽车驱动用电机的设计技术
（二）低成本设计技术 降低电机成本主要是减少永磁体用量 反电动势
二 新能源汽车驱动用电机的设计技术
（一）高功率密度和高效率设计技术
功率密度（kW/kg）： 它是电动汽车电机设计及制造水平的重要指标。电
动汽车中的功率密度一般是指峰值功率密度。 国家“十一五”期间为≥1kW/kg 国家“十二五”期间为≥2.5kW/kg 国家“十三五”期间为≥4.0kW/k
二 新能源汽车驱动用电机的设计技术
永 影响 磁 体
直轴电感 抗失磁能力
过载能力
二 新能源汽车驱动用电机的设计技术
1 设计裕量控制永磁体用量
永磁材料不同温度下的退
永磁体的工作图
磁曲线 对于钕铁硼永磁同步电动机，在最大电流时永磁体的工作点必
须高于最大工作温度时退磁曲线的膝点,完全有别于传统的设
计理论与计算方法。
二 新能源汽车驱动用电机的设计技术
（一）高功率密度和高效率设计技术 集中绕组 优点：工作区比较宽； 绕组端部短； 电机转子位置允许误差比较大； 缺点：不易散热。
根据车用高功率密度电机发展趋势，多极和高速是 未来发展方向，因此对于集中绕组慎用。
二 新能源汽车驱动用电机的设计技术
（一）高功率密度和高效率设计技术
矩形导体绕组；优点：绕组排列布置紧密，体积小； 槽满率比传统绕组可提高15%，效率 高； 磁阻转矩高 导热和散热能力好； 绕组刚度好，可降低振动噪声； 端部不用绑扎，可降低成本。
1、高功率密度： 国家“十三五”新能源汽车重点研发计划明确指出 到2020年峰值功率密度达到4.0kW/kg，连续功率密度达到2.2kW/kg。 2、集成化发展： 驱动电机系统向高速电机与系统集成化方向发展，减小系统重量和体 积，有效降低系统制造成本。
➢ 机电集成，即电机与发动机总成或电机与变速箱 集成，提升驱动系统功率密度并降低成本。
二 新能源汽车驱动用电机的设计技术
3)转子结构设计
二 新能源汽车驱动用电机的设计技术
3)转子结构设计
谐波幅值占基波比例/%
E0 /V
200 "V"型结构 "V一"型结构
100
0
-100
-200
0
1
2
3
4
5
6
7
t/ms
100
90
"V"型结构
"V一"型结构
80
70
60
4
50
3
40
2
30
1
20
0 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25
电机局部工作点分布曲线
用传统的计算方法计算的最大退 磁工作点是平均值，不能反映不同位 置的实际工作点。
为了解决这个问题，用有限元法 计算最大退磁情况下各局部工作点。
二 新能源汽车驱动用电机的设计技术
某台电机突然短路电流
气隙磁密的分布图 永磁体工作点的分布图
二 新能源汽车驱动用电机的设计技术
2 增加磁阻转矩，提高电机出力 永磁电机的电磁转矩
10
0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25
谐波次数
波形形畸变 率分别为 1.91%和
4.55%
二 新能源汽车驱动用电机的设计技术
2 冷却方式设计技术 电机一般有以下四种冷却方式 自然风冷（不适用高功率密度电机） 强迫风冷（结构复杂） 定子水冷（普遍应用） 油内冷或者有内冷+水冷 （少数应用）
（一）高功率密度和高效率设计技术 转矩密度： 电动汽车中的转矩密度一般是指峰值转矩密度。 国家“十一五”期间为≥20Nm/L 国家“十二五”期间为≥45Nm/L
国家重点研发计划2017年“新能源汽车”专项指 南中提出商用车电机峰值转矩密度≥20Nm/kg
二 新能源汽车驱动用电机的设计技术
（一）高功率密度和高效率设计技术 高效区： 考虑到续航里程及节能的问题，一般电动汽 车驱动电机都会提出高效区的要求。 国家“十一五”期间为系统高效区（η>80%） ≥ 50% 国家“十二五”期间为系统高效区（η>80%） ≥ 70%
新能源汽车永磁同步电机 发展现状与趋势
目录 1 新能源汽车永磁同步电机发展现状 2 新能源汽车永磁电机设计技术 3 新能源汽车永磁同步电机的发展趋势
一 新能源汽车永磁同步电机技术发展现状
永磁电机
高转矩和功率密度，体积小、重量轻； 高效率 优 高功率因数； 点 良好的散热性； 结构多样； 转子的机电时间常数较低，加速较快。
一 新能源汽车永磁同步电机技术发展现状
永磁电机
•由于采用永磁体励磁，成本较高；
•在电负荷受限时弱磁相对困难；
缺 点
•由于磁通减弱所需的附加电流分量，在 高速下效率相对较低；
•由于温度、高退磁电枢磁场或振动导致
PM不可逆退磁的风险；
•故障情况下高速反电动势高；
一 新能源汽车永磁同步电机技术发展现状
二 新能源汽车驱动用电机的设计技术
2）定子绕组处理工艺 电机绕组产生的热量是电机热源的主要组成部
分，为更好地散热，在定子绕组端部采用灌封工艺 ，既采用导热性能良好的灌封胶将端部热量通过机 壳有效的散出。如采用耐高温的环氧类灌封胶或有 机硅型灌封胶，在采用合适的添加剂条件下，其导 热系数可达2.0（空气的导热系数为0.23）
2016年我国新能源汽车驱动电机占比图
1% 23%
76%
永磁同步电机 交流异步电机 其它
二 新能源汽车驱动用永磁电机的设计技术
电机设计要求 效率高——节能 ，续航里程长 体积小——高功率密度和转矩密度 振动噪声低——提高乘用车的舒适度 宽调速范围——3-4倍弱磁，具有高峰值转矩 低成本，高可靠性和容错能力
三 新能源汽车永磁电机的发展趋势
性能发 展趋势
功率密度
更 高
调速范围
性价比
技术发 展趋势
新材 料
新原 理
新工艺
Tem
Pem
mpE0U X d
sin
mpU 2 ( 1 2 X q
1
源自文库Xd
)sin
2
第一项由永磁气隙磁场与定子电枢反应磁场相互作用产生 的基本电磁转矩，又称永磁转矩 第二项由电动机d、q轴磁路不对称而产生的磁阻转矩
二 新能源汽车驱动用电机的设计技术
宝马i3 多层结构
V一结构
三 新能源汽车永磁电机的发展趋势
二 新能源汽车驱动用电机的设计技术
水冷技术
一 新能源汽车永磁同步电机技术发展现状
油冷技术
油冷技术可使驱动电机转矩和功率密 度得到进一步提升。 采用电机绕组端部冷却可以使电机绕 组温度降低68%以上，大大提升了电 机的功率密度和转矩密度水平。
二 新能源汽车驱动用电机的设计技术
3 高性能材料的选择使用 1）铁心叠片材料的选择
磁滞损耗 ph kh fB2G
kh是与硅钢片性能有关的一个常数，含硅量的多少影 响数值大小
pe ke ( fB)2G 涡流损耗
二 新能源汽车驱动用电机的设计技术
高速电机供电频率在几百赫兹，随着频率的提高， 铁心损耗会迅速增加，铁心损耗占高速电机总损耗的比 重增大，所以不能采用50Hz供电的普通电机的磁性材 料，而应选用高导磁，低损耗的薄片磁性材料。为了减 少铁心损耗，可选用各向同性的0.35mm甚至更薄（ 0.2mm）的硅钢片。
二 新能源汽车驱动用电机的设计技术
2）高性能永磁材料选用
为提高电机转矩密度和功率密度 ，选择永磁材料时应该选用剩余 磁通密度、矫顽力和最大磁能积 较大的永磁材料。还可选用聚磁 结构以增加气隙的磁通密度（如 HALBACH阵列）。
HALBACH阵列结构
二 新能源汽车驱动用电机的设计技术
4 轻量化结构技术
二 新能源汽车驱动用电机的设计技术
（一）高功率密度和高效率设计技术 1 合理优化电磁设计和好的生产工艺相结合 1）极槽配合的选择
永磁电机主要有集中绕组和分布绕组之分 分布绕组 优点：省材料；
在不增加成本情况下磁阻转矩多； 散热容易； 缺点：电机转子位置允许误差比较小。
二 新能源汽车驱动用电机的设计技术
为减轻电动汽车用电机的重量，提高电机的功率 密度，在电机设计时，电机的机壳采用比重较轻的 铝壳，同时，为减轻转子的重量，一方面采用空心 轴承代替实心轴承；另一方面，在磁路允许的情况 下，采用转子铁心去重，即以转子铁心开孔的方式 降低重量。
二 新能源汽车驱动用电机的设计技术
（二）低成本设计技术 降低电机成本主要是减少永磁体用量 反电动势
二 新能源汽车驱动用电机的设计技术
（一）高功率密度和高效率设计技术
功率密度（kW/kg）： 它是电动汽车电机设计及制造水平的重要指标。电
动汽车中的功率密度一般是指峰值功率密度。 国家“十一五”期间为≥1kW/kg 国家“十二五”期间为≥2.5kW/kg 国家“十三五”期间为≥4.0kW/k
二 新能源汽车驱动用电机的设计技术
永 影响 磁 体
直轴电感 抗失磁能力
过载能力
二 新能源汽车驱动用电机的设计技术
1 设计裕量控制永磁体用量
永磁材料不同温度下的退
永磁体的工作图
磁曲线 对于钕铁硼永磁同步电动机，在最大电流时永磁体的工作点必
须高于最大工作温度时退磁曲线的膝点,完全有别于传统的设
计理论与计算方法。
二 新能源汽车驱动用电机的设计技术
（一）高功率密度和高效率设计技术 集中绕组 优点：工作区比较宽； 绕组端部短； 电机转子位置允许误差比较大； 缺点：不易散热。
根据车用高功率密度电机发展趋势，多极和高速是 未来发展方向，因此对于集中绕组慎用。
二 新能源汽车驱动用电机的设计技术
（一）高功率密度和高效率设计技术
矩形导体绕组；优点：绕组排列布置紧密，体积小； 槽满率比传统绕组可提高15%，效率 高； 磁阻转矩高 导热和散热能力好； 绕组刚度好，可降低振动噪声； 端部不用绑扎，可降低成本。
1、高功率密度： 国家“十三五”新能源汽车重点研发计划明确指出 到2020年峰值功率密度达到4.0kW/kg，连续功率密度达到2.2kW/kg。 2、集成化发展： 驱动电机系统向高速电机与系统集成化方向发展，减小系统重量和体 积，有效降低系统制造成本。
➢ 机电集成，即电机与发动机总成或电机与变速箱 集成，提升驱动系统功率密度并降低成本。
二 新能源汽车驱动用电机的设计技术
3)转子结构设计
二 新能源汽车驱动用电机的设计技术
3)转子结构设计
谐波幅值占基波比例/%
E0 /V
200 "V"型结构 "V一"型结构
100
0
-100
-200
0
1
2
3
4
5
6
7
t/ms
100
90
"V"型结构
"V一"型结构
80
70
60
4
50
3
40
2
30
1
20
0 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25
电机局部工作点分布曲线
用传统的计算方法计算的最大退 磁工作点是平均值，不能反映不同位 置的实际工作点。
为了解决这个问题，用有限元法 计算最大退磁情况下各局部工作点。
二 新能源汽车驱动用电机的设计技术
某台电机突然短路电流
气隙磁密的分布图 永磁体工作点的分布图
二 新能源汽车驱动用电机的设计技术
2 增加磁阻转矩，提高电机出力 永磁电机的电磁转矩
10
0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25
谐波次数
波形形畸变 率分别为 1.91%和
4.55%
二 新能源汽车驱动用电机的设计技术
2 冷却方式设计技术 电机一般有以下四种冷却方式 自然风冷（不适用高功率密度电机） 强迫风冷（结构复杂） 定子水冷（普遍应用） 油内冷或者有内冷+水冷 （少数应用）
（一）高功率密度和高效率设计技术 转矩密度： 电动汽车中的转矩密度一般是指峰值转矩密度。 国家“十一五”期间为≥20Nm/L 国家“十二五”期间为≥45Nm/L
国家重点研发计划2017年“新能源汽车”专项指 南中提出商用车电机峰值转矩密度≥20Nm/kg
二 新能源汽车驱动用电机的设计技术
（一）高功率密度和高效率设计技术 高效区： 考虑到续航里程及节能的问题，一般电动汽 车驱动电机都会提出高效区的要求。 国家“十一五”期间为系统高效区（η>80%） ≥ 50% 国家“十二五”期间为系统高效区（η>80%） ≥ 70%
新能源汽车永磁同步电机 发展现状与趋势
目录 1 新能源汽车永磁同步电机发展现状 2 新能源汽车永磁电机设计技术 3 新能源汽车永磁同步电机的发展趋势
一 新能源汽车永磁同步电机技术发展现状
永磁电机
高转矩和功率密度，体积小、重量轻； 高效率 优 高功率因数； 点 良好的散热性； 结构多样； 转子的机电时间常数较低，加速较快。
一 新能源汽车永磁同步电机技术发展现状
永磁电机
•由于采用永磁体励磁，成本较高；
•在电负荷受限时弱磁相对困难；
缺 点
•由于磁通减弱所需的附加电流分量，在 高速下效率相对较低；
•由于温度、高退磁电枢磁场或振动导致
PM不可逆退磁的风险；
•故障情况下高速反电动势高；
一 新能源汽车永磁同步电机技术发展现状
二 新能源汽车驱动用电机的设计技术
2）定子绕组处理工艺 电机绕组产生的热量是电机热源的主要组成部
分，为更好地散热，在定子绕组端部采用灌封工艺 ，既采用导热性能良好的灌封胶将端部热量通过机 壳有效的散出。如采用耐高温的环氧类灌封胶或有 机硅型灌封胶，在采用合适的添加剂条件下，其导 热系数可达2.0（空气的导热系数为0.23）
2016年我国新能源汽车驱动电机占比图
1% 23%
76%
永磁同步电机 交流异步电机 其它
二 新能源汽车驱动用永磁电机的设计技术
电机设计要求 效率高——节能 ，续航里程长 体积小——高功率密度和转矩密度 振动噪声低——提高乘用车的舒适度 宽调速范围——3-4倍弱磁，具有高峰值转矩 低成本，高可靠性和容错能力