起重電機專業生產廠家無錫宏達2022年6月21日訊 有時會看到有人提出一種新的結構電機，稱這種電機實現了很高的功率密度，只要用很少的體積和重量就可以實現多大功率的機電能力轉換。如何初步判斷這些新方案是否可行呢？下面我們就來說一下最主要的方法。電機的主要尺寸是指電機電樞鐵心的直徑D和長度L。
確定電機的主要尺寸是電機設計的第一步。但什么是電機的電樞鐵心呢？一般對于最普通的內轉子徑向磁場旋轉電機來說，電樞鐵心直徑就是定子鐵心內徑，長度就是定子鐵心長度。
由這個電機的轉矩T與D和L組成的圓柱體的體積（V=π/4*D2*L）成正比，上面這個體積V還與電負荷A和磁負荷B成反比。可以用下面公式表示：V = k *T/ (A*B)A是線負荷，也叫做電負荷，表示沿電樞圓周單位長度上的安培導體數（總的電流）；B是磁負荷，也就是氣隙磁密的最大值。k是比例系數。可以看到電機的體積決定于轉矩、電負荷和磁負荷。
只有電機內有很大的電流或者磁密很高才能用較小的體積的電機產生較大的轉矩。而電機內要通過大電流，就會產生電阻損耗和熱量，當電流大到一定程度，電機的熱量就散發不出去，溫度就會升高到超過電機繞組絕緣能承受的最高溫度（比如F級絕緣是155℃），電機就會燒毀。
所以電流不能無限增大，有個極限。當然，如果采用超導線圈，那么這個電流就可以很大，也就可以實現很高的轉矩密度。但是現在我們普通電機經濟的導電材料還是銅、鋁為主。如果采用金、銀做導線，電流是可以大一點，但付出的成本與效益不成比例。在一些特殊場合，為了追求性能，可能不惜成本。提高轉矩密度另一個方法，就是提高磁負荷。提高磁負荷，就要有好的導磁材料。目前經濟的導磁材料就是電工鋼疊片。由于飽和作用，電工鋼片內的最大磁密僅能達到2T左右。
由于齒槽的存在，所以氣隙磁密也就不到2T，一般就在1T左右。為了實現較高的磁密，需要大電流的電磁線圈來勵磁或者用高剩磁的永磁體勵磁。大電流的電磁線圈本身會發熱存在電流上限，高剩磁的永磁體都是采用稀有金屬，非常貴。所以磁負荷也存在上限。從上可以看出，A和B如果沒有較大的增加，這個T/V轉矩密度也不會有大的提升。A和B的增加都需要材料技術的革命，所以電機的新材料發展是一個重要的方面。導電材料方面沒有革命性的新材料，目前有增加槽內銅面積的發卡結構和降低渦流損耗的利茲線技術。導磁材料方面主要是勵磁的永磁體性能提高，以及低損耗薄規格硅鋼片的應用。還有一方面就是冷卻技術的進步，比如采用內冷、內部噴油冷卻、機殼水冷、蒸發冷卻等強化冷卻的技術手段。這樣才能提高電機的轉矩密度。
當然，還有一個手段，就是在電機的內部疊加多個V，就像俄羅斯套娃一樣。他們的氣隙互相不干擾。這種雙氣隙設計，可以增加轉矩密度，但也帶來了更復雜的支撐結構和更大的散熱壓力。
軸向磁場電機的V是把盤式等效為一個圓筒，所以相當于在一個空間內疊加了多個V，成倍地增加了轉矩密度。所以現在輪轂電機為了提高功率密度，采用了軸向磁場電機結構，它需要解決好冷卻的問題，還有設計好支撐軸向磁場所引起的軸向電磁力的機械結構。
所以，如果是單氣隙的結構，那么不論采用何種方法，如果沒有大幅增加磁負荷和電負荷，那么這個電機轉矩密度的大幅提升就沒有可能。
功率密度正比于轉矩密度與轉速的乘積。所以轉矩密度不變的情況下，提高轉速可以提高功率密度。目前出現的高速、超高速電機就是功率密度較高的，在汽車驅動電機領域驅動電機也提高了速度的上限以提高功率密度。高速的電機，不一定有高速的負載。
如果負載是高速風扇，那還是匹配的，例如環保行業的曝氣風機等，還有高速的壓縮機。如果負載是低速的，比如車輪，那么高速電機還有配上減速器才能驅動負載，例如特斯拉的高速驅動電機。目前最高的高速電機轉速達到了12萬轉以上，電機的基頻也達到了2000Hz以上。
超高速的電機需要相應的支撐軸承，目前有主動磁懸浮的軸承和空氣動壓軸承等。提高電機的旋轉速度，能提高電機的功率密度，降低電機的體積和重量。同時有些負載設備（例如高速渦輪風扇）在高速時效率提高，對電驅動系統整體的能效提升就更明顯了。
但電機轉速的提高也不是沒有限制的，高頻帶來了定子鐵耗急劇增加，發熱也越來越嚴重。設計時采用降低磁密和采用高效低損薄規格電工鋼片的手段來提高這個極限。
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