車用電機高速化是大勢所趨，高速化需要從電磁、結構、控制等多個維度下功夫去解決。
1、初見-它山之石
老外在高速車用電機開發(fā)上確實是走在了我們前面，他們的轉子結構值得借鑒。
豐田
車用永磁電機如何實現高速—結構篇
豐田公司發(fā)展出了Prius系列 Camry系列等多種車用永磁同步電機，可謂是該行業(yè)的領軍者。我們分析他們產品的年代序列，發(fā)現了轉速有逐步增高的趨勢，相應的轉子結構也有更替。
年份
轉子結構
最高轉速（rpm）
最大功率（kw）
2003
一字型
6000
---
2004
V字型
6400
50
2008
V一字型
10230
165
2010
改進V字型
13500
60
從他們的經驗可以看出，就高速的結構強度而言：
一字型不如V字型結構（2003VS2004），這是因為一字的極弧系數大于V字，轉子上軛部（產生離心力的部分）的面積更大，離心力更大，而且一字型的磁橋部位承受的彎矩更大。
無中間磁橋的V字不如有中間磁橋的V字（2004 vs2010），這是因為中部的磁橋，起到了分流離心應力的作用。
從豐田的經驗我們可以學習到，磁橋的設置非常關鍵，增加磁橋的數目和寬度能夠提高強度。
BMW
BMW的i系列汽車業(yè)采用永磁同步電機，他們走的是磁阻永磁混合轉矩的路線。其轉子結構非常復雜，也能承受高轉速， 較豐田prius，BMW增設了更多的磁橋，他們有兩層磁鋼，每一層的磁鋼有中間、兩端四個磁橋。
車用永磁電機如何實現高速—結構篇
從BMW的結構，我們學習到兩個分流離心力的方法：
增加更多的磁橋來分流應力，中間磁橋的承擔能力強于兩端磁橋
分設多層磁鋼，減小每一層的壓力，最外側的磁鋼，離心力越大，因此應該設計的最小。
2、深入-從樹木到深林
學習競爭對手能夠讓我們快速進步，少走彎路。但跟隨造就不了偉大的公司，也培養(yǎng)不出大師。想要更進一步，不但需要知其所以然，還要從更大的視角去觀察問題。永磁電機的高速化，不僅僅局限在汽車領域，在船用電機、電主軸電機、儲能電機等多領域都有應用需求。而且在其它領域，可能走的更遠。
目前的水平
在其它領域，高速電機已經發(fā)展到了非常高的水平，我們面臨的問題，前輩們全都經歷過，有些已經解決了，有些還在奮斗中。下面簡單介紹一些案例：
2005 年 Kenny 設計一臺應用于飛輪儲能的高速永磁同步電機，電機額定功率 1.5k W，最高轉速60000r/min，電機轉子采用表貼式轉子結構，利用碳纖維對永磁體進行保護
2009 年 Bailey 設計了一臺應用于石化工業(yè)離心壓縮機的高速永磁同步電動機，這臺電機的額定功率8MW，額定轉速15000r/min。電機定子采用低損耗的硅鋼片，轉子采用了兩種軸承方案，一種是磁力軸承，一種是滾動軸承。
韓國電工所Do-Kwan Hong 等學者在高速永磁同步電機方面也做了大量研究。Do-Kwan Hong 等人設計了一臺額定功率5k W，額定轉速120000r/min 高速永磁同步電機。
有個前輩把已有的成就，作了細致統(tǒng)計。
（在統(tǒng)計數據中，SPM指的是表貼式電機，他們一般用合金鋼或者碳纖維包裹包圍。IPM指的是內置式永磁電機。）
車用永磁電機如何實現高速—結構篇
車用永磁電機如何實現高速—結構篇
從介紹中我們能夠學習到比電動汽車電機更高功率更高速度的結構都已經實現了。包括了內置式IPM、表貼式SPM都已經解決。那么他們在解決過程中遇到的關鍵矛盾是什么？
轉子外徑的矛盾
高速永磁同步電動機的轉速較高，電機正常工作時轉子所受離心力較大。從減小離心力的角度出發(fā)，電機轉子設計的越小越好。然而要保證電機優(yōu)越的電磁性能，轉子要有足夠的空間放置永磁體和轉軸，因此轉子直徑又不可能太小。
漏磁和強度的矛盾
從豐田和BMW的經驗中我們知道磁橋變寬會增加強度，但從電磁角度出發(fā)，這是不利的，因為磁橋越寬，漏磁越大，相當于永磁利用率降低。下面的圖表就顯示了這個問題。
車用永磁電機如何實現高速—結構篇
不同的方案，都是在不同層面上去平衡這些矛盾，下面介紹各類結構。
3、表貼式結構(SPM)
第一代表貼式
表貼式結構，漏磁很小，是應用較多的結構。但這種結構，本身不具備抗高速能力，需要在外層包裹一層保護套。保護套一般有兩類一類是碳纖維，一類是不導磁的合金鋼。
車用永磁電機如何實現高速—結構篇
車用永磁電機如何實現高速—結構篇
在溫度不高的場合碳纖維的強度更好，不但強度更高而且電導率更低，但由于工藝難度和溫度限制，很多場合還是使用合金鋼保護套。
第二代表貼式
我們看到很多
伺服電機采用第一代表貼式結構，但這種結構有個問題：由于表面磁鋼不是均勻分布的，在保護套圓周方向形成了不均勻的離心力，導致保護套出現彎曲，承受彎矩。而對碳纖維等材料，承受彎矩是非常不利的，因此有必要解決離心力均勻分布問題。于是又了第二代改進結構
車用永磁電機如何實現高速—結構篇
第二代結構，作了兩重改進，第一重就是在磁鋼和磁鋼之間增加了不導磁的填充物，這樣離心力的均勻性給解決了。第二重改進是：將永磁體的多塊化。為什么如此？因為高性能的永磁體一般都是粉末冶金而成的,它們能承受較大的壓應力, 但不能承受大的拉應力, 其抗拉強度低于抗壓強度的十分之一。永磁體在受離心力時，由于圓周跨距角較大，不同角度下的材料受的離心力方向不一致，會形成內應力，這種內應力是拉應力，因此容易碎裂。分塊化就很好的解決了這個問題。
車用永磁電機如何實現高速—結構篇
第三代表貼式
如果第二代表貼式即解決了漏磁，又解決了強度問題。那么第三代就更上一層，它還解決了氣隙磁密的正弦性問題，讓表貼式電機也擁有了類似內置式電機的聚磁效應。
車用永磁電機如何實現高速—結構篇
在第二代的基礎上，將分塊的磁鋼的充磁方向略作調整區(qū)分，就形成了Halbach轉子結構。這類結構具備磁場正弦性好，聚磁效應好，漏磁小等優(yōu)點，使得表貼式電機的性能幾乎接近內置式了。
4、內置式結構（IPM）
盡管升級后的表貼式結構性能已經很優(yōu)異了，但很多場合還是偏向于內置式電機。這是因為：
第一: 內置式電機結構簡單可靠，不需要保護套、填充物等附加結構，簡單即是美。
第二：內置式電機有磁阻轉矩，可以產生更大的轉矩密度和功率密度。
第三：內置式的磁鋼更安全，磁鋼埋在硅鋼里面，不用直面復雜的氣隙磁場，減小了渦流損耗和退磁風險。
因此豐田、BMW等各大企業(yè)，都不約而同的選擇了內置式結構，除此之外我再介紹幾種內置式電機結構。
車用永磁電機如何實現高速—結構篇
第一種結構是一字結構的高速化改造，將永磁體分成幾段，一方面，每段的內應力減小，另一方面多出了兩條加強筋，強度高了很多。但這種結構的漏磁很大，聚磁效應不好，性能和表貼式相仿。
第二種結構是V字結構的高速化改良，將V分成了三段，這種結構的漏磁很大，但氣隙磁密正弦性很好。
第三種結果是切向結構的高速化升級版，它繼承了切向結構凸極比大，磁阻轉矩大，聚磁效應好的優(yōu)點，而且磁鋼受力均勻，沒有拉應力。這種結構幾乎完美的解決了機械和電磁之間的兩大矛盾。缺點是軸的結構復雜，對裝配精度要求很高。
第四種結構 一般用在有更高要求的場合，將一極的磁鋼，沿水平方向和豎直方向雙向分塊。形成了磁鋼陣列。這類結構有很大的發(fā)展空間，可以分化出許多變種，設計的好可以擁有磁阻轉矩大、氣隙磁場好的優(yōu)點。但這種結構非高手難以駕馭。
內置式結構的種類有很多，可以多種結構混合組合，在這方面用功非常容易出成果，是車用永磁電機高速化的主要研究方向。
5、總結-始于足下
看到前人的成就，也許能讓你大受啟發(fā)，產生創(chuàng)新的沖動。我們就像在海邊的小孩，總是為撿到一兩塊貝殼而歡心雀躍。我們所了解的只是滄海一粟， 高速電機的結構挑戰(zhàn)不僅僅局限于磁極結構，還有軸承問題、護套渦流損耗問題、熱變形問題、散熱問題、材料問題、設計手段問題，每一塊都足夠我們馳騁。沒有關系，我們就從當下做起，一步一積累。多年以后，當我們再回首時，會發(fā)現，不知不覺間，自己也成了前輩。
