50kW／L功率密度的电机实现难点是什么？

美国能源部旗下有一个叫做U.S. DRIVE的组织，专门负责汽车技术的规划，它的全称是U.S. Driving Research and Innovation for Vehicle Efficiency and Energy Sustainability， 这个组织既有政府背景也有企业支持，成员包括福特、通用UQM等生产企业，以及Electric Power Research Institute，橡树岭国家实验室（OAK RIDGE National Laboratory）等研究机构。该组织在2017年的时候发布了一个电动汽车发展2025年路线图规划。

在该规划中，他们给电机和电控的发展定了一个目标，那就是到2025年时，电机控制器的效率不能低于98%；功率密度要达到100kW/L；成本要降到2.7美元/kW。电机的效率不能低于97%；功率密度要达到50kW/L或5.7kW/kg；成本要低于3.3美元/kW。

单看这些数字，可能感觉不到这些数字对电机控制器和电机厂商的要求有多高，要是跟U.S. DRIVE在2013年定的目标比较一下的话，你的感触可能会更深一点（见表1）。而且这个目标目前只有少数几家企业能够达到。

表1：U.S. DRIVE发布的电机控制器和电机的目标规划。（数据来源：U.S. DRIVE，电子发烧友制表）

从表1中，我们可以清楚地看到提升最大的当属功率密度，功率密度有两个数值，一个是相对于体积的，一个是相对于重量的。汽车用的电机更加侧重于功率体积比，因为体积涉及到汽车的有效空间利用和乘客的体验。电机控制器的功率密度从2020年的13.4kW/L提升到了100Kw/L，提升了7.46倍。电机的功率体积比功率密度则提升了8.77倍。

《中国制造2025重点领域技术路线图》中也提到了国内驱动电机的发展目标：2020年、2025年和2030年乘用车20秒有效比功率要分别达到3.5、4和5kW/kg以上，商用车30秒有效比扭矩要分别达到18、19和20N·m/kg以上。

也就是说功率密度将会成为未来电机控制器和电机设计中一个非常重要的指标。为什么功率密度会受到如此重视？因为高功率密度的电机可以让电机本体的体积更小，重量更轻，效率更高。高功率密度的电机一般在汽车、航空、航天、航海和工业应用中应用更多。

高功率密度就是在一定体积下输出更大的功率，为了实现这一目标，一般采用两种方法来实现，一是提高电机的速度，把电机设计成高速电机（转速一般会超过1000rpm）；二是设计新型机构电机。

目标容易的难点在哪里？

这个目标容不容易实现呢？我们可以看看在电动汽车领域技术积累很丰富的丰田。其普锐斯（Prius）的驱动总成Pruis2010的总体成本需要34.9美元/kW，电机的功率密度为2.6kW/L，电机效率还只有85%，离2020年的目标还有很大差距，根据丰田的规划，估计要到2020年才能实现预定目标。

表2：丰田汽车的电机动力总成的成本、功率密度，以及效率参数。 

从丰田的案例来看，这个目标并不那么容易实现，那实现的主要技术障碍在哪里呢？要实现目标，其实最大的障碍是原材料和组件的成本、这些组件封装后的体积、重量和损耗，以及在电机工作时产生的大量热量如何处理。

原材料和组件的成本

为了降低电机的成本，最容易让人想到的肯定是降低最昂贵组件的成本。

在过去的几年中，随着稀土磁体成本的增加，让稀土磁体的成本显著增加，比如一个典型的IPM电机中，稀土磁体占了电机成本的53%。当然电机的具体成本还是取决于电机的结构设计，这只是一个参考。 

表3：典型IPM电机的原材料和组件的成本估算。