为了实现美国能源部DOE指定的新能源驱动2025目标，美国各高校、机构、企业正不遗余力的进行电机技术创新。我们能够观察到这种创新是系统性的。在组织层面表现出上下游企业的合作联盟，在技术层面表现出设计技术、原材料技术的遍地开花，相互呼应。本期我们继续介绍这些技术创新进展。”
ElT243项目
ELT243项目是DOE最新资助的一个驱动项目，涉及一个电机电控集成技术平台开发，项目在2019年立项，计划2024年结题，2020年是完成系统概念可行性论证的关键一年。项目由Wisconsin大学负责、NREL和ORNL提供技术支持。该项目的在四个方面作了技术创新，分别是：“电机电控的多物理场集成”、“高温低成本SiC平台驱动器”、“高性能低成本电机”、“先进热管理”。采用这些新技术组合的目的是实现DOE2025的技术指标，该指标的关键在于三点：
低成本，电机成本要低于3.3$/kw（按15s峰值功率计算），电控要低于2.7$/kw；
高密度，电机的功率密度要达到50kw/L(我们开发的常规水冷120kw扁线电机大概在17kw/L,油冷的在20kw/L左右)；
高效率，电机的最高效率>97%；
为了实现上述三个目标，该项目采用了一系列较激进的技术创新，下面我们慢慢道来。
电机方面，为了实现高功率密度采用了20000rpm高速电机，同时为了提高转矩体积密度，项目组比较了“表贴式集中绕组”、“SPOKE集中绕组”、“V集中绕组”、“V分布绕组”四种电机拓扑方案， “表贴式集中绕组方案”在体积、成本、重量上都具备较明显优势。脱颖而出成为Number 1备选方案。
这个结论值得深思，长期以来车用驱动电机以IPM永磁电机为主，因为IPM具备磁阻转矩和良好的性能，几乎成立乘用车、商用车电机的标准选项。高速化趋势兴起后， 转速 从16000rpm继续往上提高，就需要重新检讨IPM是否仍具备优势。 该项目采用的策略：SPM+集中绕组+20000rpm高速这更像是一个高速电机的解决方案。 是否意味着，今后我们要更多的以高速电机的视角去审视驱动电机。（文末有高速电机拓展阅读链接）除了高速化策略，电机上还利用了一系列新技术。如下图所示：
采用轻稀土磁钢，这是一种无Dy型N38钕铁硼磁钢，无Dy磁钢有两种类型，一种是高剩磁低矫顽型，一种是低剩磁高矫顽力型。从B-H数据看这种材料属于前者，而且相比2018年,技术又有精进，矫顽力有明显提升。这种低矫顽力型磁材有个问题就是高温时拐点高，很容易退磁，也就意味着这种磁材虽然能降成本，但必须要有相应的转子冷却技术相配合。
采用高温超薄绝缘，这种绝缘制成品具备高导热，导热系数达到1.9个单位，介电强度高，每mm达到18.5kV，也就意味着这种材料做成的绝缘纸可以做的更薄，槽满率得以提升，同时热阻降低，绕组的热能快速传递到铁芯。
电机应用了上述新技术提升效率和功率密度，通过高速化后降低材料用量，减少成本。如此构成了一个具备性能和成本优势的技术组合。与之相匹配控制器也有类似的技术策略组合。控制器最大的创新在于采用了电流源型逆变器架构CSI。现在主流的逆变器是电压源型VSI，电压源型在高频领域有个核心的问题，就是PMW谐波含量高，即便采用多电平结构也会产生明显的PWM谐波，使得电机的高频损耗和噪音提高，同时较高的dv/dt 容易引起线圈绝缘疲劳破坏。而CSI型则能获得光滑的电流波形，克服上述缺点。另外CSI架构采用电感作为储能元件，相比VSI的电容，具备耐高温的特性，也就是说这种驱动器可以做成高温平台，特别适合电机+电控集成的工作环境（电机的热会传递给电控，使得电控基础环温提高）。CSI架构还有另外一个优点，那就是具备一定的升压能力，如下图所示相比VSI，在高速时的电压提高，使得电机的调速比提高，高速输出功率提升，这个特点刚好弥补SPM弱磁能力较弱的缺点，电机-电控形成互补。
电机电控的集成原理图如下所示，电控做成了一个类似披萨的结构，强电、弱电各占一个扇区，电控直接装在电机内部，共用一套冷却系统，免去了所有的结构件，这降低许多成本，但集成的技术难度也非常高。看花容易绣花难，虽然原理简单，电机电控的集成是高难度技术，因为涉及多物理场的集成。首先是电气集成，电机和电控要作特性匹配，包括浅层的反电动势、电流、电感的匹配，还有更深层次的匹配，比如高速电机和SiC平台在频率上的匹配，SPM和CSI在调速比上的匹配；其次是热集成，电机和电控安装在一起不仅仅是共用一套热环境和一套冷却结构，还要解决两者之间耐温能力不一致的问题，一般电子器件耐温特性要劣于电机器件，因此要抑制或者阻断形成电机→电控的热传递。
最后是结构集成，电机电控封装在一个壳子里，要解决线束和接插件等一系列细节问题。
这 个项目给我们带来很大的启发，提供了一套新的策略组合，可以归纳为高速化电机+电流源型逆变器+电机电控集成+高温强冷却系统。这套策略组合通过高速和集成来既能降低成本 又能提高功率密度。强冷却系统能进一步提升功率密度，而电流源型逆变器能提高电机的性能。另外一套技术策略组合
无独有偶，DOE资助的另外一个项目，也是走高速化+高集成路线。这是NC STATE大学负责的项目。目标是完成DOE2025路线图技术目标，NC STATE大学提高了三套解决方案。其中第三套解决方案达到了功率密度50KW/L的目标，因此我们单独拿出来学习。这台电机采用的也是表贴式结构，转速也同样达到了20000rpm，也是采用SiC平台驱动。不同的是，外转子结构，转子采用Halbach磁钢阵列，（这是一种高速电机常用的磁极结构，能够改善正弦性、提高磁密）。通过SiC平台的支持，该SPM也实现了3的调速比，峰值功率达到100kw。
更深入我们能发现该电机还应用了一系列新技术，其中轻稀土磁钢和超薄硅钢几乎是老美的必配选项，不再复述。和上一个项目不同的新技术也有很多：首先应用到了超级铜线，这是一种导电导热能力都高于纯铜的纳米晶体管材料，它的应用能够极大的提高电机的电流密度，从而使得转矩密度功率密度得以提高。（文末有链接）。其次是无槽定子电机，这种技术在航空领域不算新东西，但用在驱动电机上比较少，下图是我找到的一个2kw的无槽定子电机，结构和这个项目的电机是一样的，供大家参考。如下图所示 ，所谓无槽定子，就是定子没有齿，绕组直接贴合在定子表面，然后用绝缘材料将其圆周紧固。这样的好处一是没有了铁耗， 二是增加了用铜量这样效率和功率密度都得以提高。缺点是为了维持绕组处高磁密，必须要增强永磁体磁场强度，因此需要和Halbach阵列这类转子结构相匹配。最后一种是齿内冷却技术，和上一个项目的槽内冷却技术类似，也是直接带走热源处的热量。在该方案中有两套冷却管道，一套是通过定子齿部（其实就是很小一个用来定位绕组的台阶），另外一套是通过定子轭部，如此电机的两大热源的热量被直接带走。
该项目的电控集成技术，没有明确描述出来，我们能够推测概念原理和下图类似，利用定子轴孔的空间，将电控安装在内。这样做有两大好处：NC STATE大学组织的该项目是目前已知的唯一能够达到DOE2025功率密度和效率水平的技术路线，虽然还需要克服工艺复杂和高成本的缺陷，但不影响它的参考价值。他们应用的技术组合，可以简单的描述为：高速SPM+无槽定子+先进热管理+电机电控集成+超级铜线。总结·下一代电机的定义？
在研究过这两个案例之后相信很多人都会产生一个疑问:“这就是电机的发展方向吗？” 更进一步可以引申出一个新问题： “下一代电机的标准如何定义？ ”要回答这个问题，首先要回答下一代电机的目标是什么？美国人的目标很明确 就是实现DOE2025技术目标，追求高功率密度、高效率、低成本。如果以此为目标，那么我们可能的选项就只能聚焦在低成本和高性能的交集区域。在这个交集，其实可能选型很少，其中之一就是高速化，追求20000rpm+以上的高速，高速化能降低有效材料用量，提高功率密度。但电机的发热不会少，必须采用更高冷却效率的散热方式，因此先进的冷却方式必须要跟进。
在这个大格局下，各种电机类型如SPM、 Halbach SPM、IPM等；各种新材料如超级硅钢、超级铜线、高温绝缘等都会竞相发展，找到各自的最佳技术组合搭档，形成不同竞争力的产品。
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