自制 EV 的电机设计，基本步骤如图 1 所示。

图1

图 1 为 2000 年开发太阳能车比赛专用 DD 电机时整 理的思路。当时，太阳能车使用的电机中，有一些是 DD 电机。它的价格特别贵，因此， 有很多车队用的是减速电机。链条 减速产生的损失（磨损）很大，颇受关注。在定速 行驶占主要地位的节能比赛中，DD 电机承载了很多期待。在图中，出现了“负荷”这样一个难于理解的 词汇。首先，我们来看看什么是“电负荷”和“磁负荷”。 

 电机是将电能转换为力学（机械）能量①的装置。设计电机时，实现电机机械能的输出，必须要考虑的参数有以下 3 个。

 ·电负荷（Electric Loading）：流过线圈的  电流 × 匝数（AT）

 ·磁负荷（Magnetic Loading）：每极有效磁  通量，或气隙平均磁通量（Wb 或 T）

 ·转速（Revolutions）：电机的旋转速度 通过图 1 我们不难看出，电机的设计其实都是 围绕这 3 个参数进行的。让电能和磁能发挥出作用，并将它们的作用有 效地整合起来，就形成了电机的机械能。而这些不 同种类的能量是按照什么样的比例进行整合的呢？它们转化为机械能的比例又是多少？这些都是由设 计电机的人来决定的。而且，这些能量之间有着互 偿关系，可以进行任何形式的组合。

 所谓电负荷，顾名思义，就是与电能相关的参 数（要素），也叫做电机的“电要素”。在电路中， 电流流过线圈时，线圈内的铁心产生磁力。磁力的 大小与线圈匝数及流过的电流大小有着密切的关系。“线圈匝数 × 电流”就是我们说的“安匝”值，单 位是“AT”，不能写成“A·T”。

 磁负荷是电机的“磁要素”，表示流过线圈的 电流与磁通之间的相互关系，也可以理解为磁路中 的磁力（有效磁通）。永磁体励磁型无刷同步电机 的磁负荷，与磁场强度、磁路中的磁通量有关。

可能有些抽象。这句话在电机设计中意味着什 么呢？我们来看看图 2。

图2

它展示的是外转子型无刷 电机的铁心（绕线的铁心）（模仿“CQ 无刷电机和 逆变器套件”的形式）。图 2（a）为磁负荷大、电 负荷小的电机铁心。图 2（b）为电负荷大、磁负荷 小的电机铁心。它们都可以满足我们对电机性能的 需求，如达到某种转矩和转速。但是，作为电机特 性，效率被诸多因素所左右。因此，两者构成的电 机的特性曲线是不同的。而且达到同样的性能要求，它们的规格（大小和重量）也是不同的。制作出的电机究竟是什么样子，虽然取决于电 机的设计者，但电负荷与磁负荷这两个概念也十分 重要。

 转速这个指标也是与电负荷、磁负荷相互关联的。例如，有效磁通越大（磁负荷越大），转速越 低；磁通越小，转速越高。另外，如果铁心材质为 钕等稀土元素，是强力磁铁，则电机转速会变低。（是 不是很惊讶？怎么会更慢呢？） 在电负荷与转速的关系中，线圈匝数越多，转 速越低；匝数越少，转速越高。也就是说，电机线 圈的匝数变多，就会使之变成低速电机。 

 回到 EV 电机设计与制作的话题。电机的输出功率与电机的 3 个要素的乘积成正 比（实际上还包含一个常数）。说起来简单，而这 在电机设计中是需要解决的一个难点。因为电机的 3 个要素无法单独确定的，三者之间是相互关联和 影响的。例如，我们来看看电负荷与磁负荷。如图 2 所示， 铁心的外径和线圈槽的数量都是相同的。由于是外转 子电机，所以它的槽口向外。图 2（a）中铁心的凸极（绕 线的部分）较宽，而图 2（b）中的相同位置较窄。前面我们讲过，不管用哪一种铁心都可以制作出电 机，但是做出来的电机会有什么样的差别呢？图 2（a）中的铁心，磁路宽，通过的磁通（来 自永磁体的磁通和线圈电流产生的磁通）多。我们 把这叫做“磁负荷大”。但是，由于凸极较宽，用于绕线的空间就变窄了。相反，图 2（b）中的凸极 较窄，用于绕线的空间很充足，线圈可以使用更粗 的导线绕制。也就是说，与图 2（a）正好相反，图 2（b） 的“电负荷大”。像这样，以铁心这一个点来考虑，电负荷与磁 负荷为此消彼长的关系。

 前面我们提到，电机的输出功率是由“电负荷 × 磁负荷 × 转速”决定的。通常电机的体格（电机的 大小或体积）是受其安装位置限制的。因此，在电 机设计中，如何找到这些要素之间的平衡点非常重 要。我们把寻找平衡点叫做电机“负荷分配”。而 如何进行分配，就要看电机设计者的技巧了。此外，电负荷大的电机（发电机也一样）叫做“铜 机”，磁负荷大的电机叫做“铁机”。在电机设计中， 如何将相互关联和影响的设计参数进行组合是非常 重要的。要根据使用目的，来改变参数之间的平衡。例如，汽车发动机启动时使用的启动机，其电机设 计偏重磁负荷；像万宝至马达生产的用于模型的小 型电机，它们的设计偏重电负荷。这是因为，只有在高速旋转的状态下，汽车发 动机才能启动。而对于发动机来说，低速旋转是很 困难的（无法延缓汽缸内爆燃的发生速度）。启动 机的作用，就是在很短的时间内让发动机高速旋转 起来，这就要求电机瞬间提供给发动机大转矩和高 转速。为此，汽车启动机上的线圈只有寥寥数圈而 已（时间十分地短暂，电机是不会烧坏的）。而模 型用电机，考虑到儿童使用时的安全性，即使是在 通电状态下堵转也不会起火。因为它的电负荷很高。也就是说，线圈匝数越多，内部阻抗越大，大电流 无法通过，从而使电机不会被烧坏。模型用电机采 用的是这样的一种设计（当然，其代价就是电机转 速受限）。

接下来，看看 EV 节能比赛用的电机，它的负 荷该如何分配？这里关注的，既不像汽车启动机那样重视的是 磁负荷，也不像模型用电机那样重视的是电负荷。那么，如何来进行电机的负荷分配呢？节能比 赛用电机，应该考虑电负荷（特别是线圈匝数）与 转速之间的相互影响，然后根据其结果来决定电机 的负荷分配。

 在表示电机规格的术语中，我们会使用到“电 机容量”这个词。一般情况下，电机容量被认为是 电机的输出功率。但是，输出功率的单位是 W（瓦 特），而电机容量的单位是 kV·A（千伏安）。严 格意义上讲，这两个术语所包含的意义是不同的。改变施加给电机的电压 和线圈导线规格，会导致电机的输出功率发生很大 的变化。例如，“CQ 无刷电机和逆变器套件”中的 电机，其输出功率的可调节范围是 50W ～ 3kW。这 个范围虽然也是电机的一个指标，但我们需要另一 个指标来表示电机本身所具备的潜力。这个指标就 是电机容量。

 有的文献中使用了“（电机）比容量”一词（《电 气工程学手册》，欧姆社）。电机容量除以电机转 速就得到电机比容量［kV·A/( r/min)］。我们用电 机比容量来表示刚才提到的电机本来具备的潜力， 理解起来会更容易一些。综上所述，即使是同样的电机，通过调整参数， 它的输出功率就会发生很大的变化。而且，无一例 外都提高了转速。这里顺便提一下，电机的体格（大小）也决定 了电机的转矩。因为提高电机功率就是要提高电机 转速。也就是说，无论怎么调整，使得电机的输出 功率增加或减少，但平均到每转上的容量，如果用“比 容量”来考虑，电机的潜能几乎是不变的。举例来说，就像发动机的排气量。即使是排气量 相同的发动机，也可以通过调整改变其输出功率。从 大的方面来理解，就是排气量与发动机特性的关系。 

 电机所具有的潜能究竟是什么？如果这个潜能 真的存在，它与电机的体格又是怎样的关系？接下 来，我们来研究电机容量与电机体格之间的关系。关于电机体格与电机容量的关系，可以在很多 文献或书籍中找到相应的讲解（如：《电机设计学》， 竹内寿太郎，欧姆社）。在这里，笔者以上述书籍中多达两三页的内容 进行整理，并在此基础上加入前面反复提到的“电 负荷”“磁负荷”，以期能让读者更清楚明了地理 解相关的内容。

将各部分的尺寸变为 原来的 2 倍 我们来看看改变电机体格的具体实例。首先， 我们将电机各个组成部分的尺寸（长、宽、高）变 为原来的 2 倍（图 3）。

图3

（1）电负荷 铁心尺寸变为原来的 2 倍，也就是说铁心面积 为原来的 4 倍，可以用于绕线的空间也变成了原来 的 4 倍。假设线圈匝数保持不变，线圈截面积变成 原来的 4 倍，在电流密度不变的情况下，流过线圈 的电流是原来的 4 倍。也就是说，电机的电负荷为 原来的 4 倍。 

（2）磁负荷 电机尺寸变为原来的 2 倍，铁心的截面积变为 原来的 4 倍。如果电流密度和通过铁心的磁通密度 不变，则铁心通过磁通的能力为原来的 4 倍。电机 的磁负荷也为原来的 4 倍。由以上可知，与原来相比，尺寸变为 2 倍的电机， 它的输出功率（准确来说应为电机具备的输出功率 的潜力，即容量）为 4×4=16 倍。也就是说，10kW 的电机，如果尺寸变为原来的 2 倍，输出功率就会 变成 160kW。当然，电机各部分的尺寸变为原来的 2 倍的话， 它的体积为原来的 2×2×2=8 倍。电机的体积变为 原来的 8 倍，在各个部分材料不变的情况下，电机 的质量、材料成本应该也是原来的 8 倍。也就是说，我们用 8 倍的材料，获得了 16 倍的 电机容量。这很划算吧？

为什么电机的体格越大，效率越高？电机的体格变为原来的 8 倍，那么它的损耗会 发生什么样的变化？　 假设它的铜损和铁损不变（因为电流密度、磁 通密度没变），则电机的损耗与质量也是原来的 8 倍。到这里，我们知道：电机容量（功率）增加到 16 倍，电机损耗增加了 8 倍。因此，电机的体格越大， 效率就越高。这也是工业电机大部分又大又重的原因。同时 也可以解释为，电机越大、越重，就越容易获得高 效率。 

 电机的体格越大，效率越高。那么，EV 上使用 尺寸更大的电机不就可以了吗？这里，汽车用电机 与 EV 用电机的区别就出现了。前面我们就提到过， 搭载在汽车上的电机，它本身的质量会消耗能量。因此，就算电机的效率再高，质量增加导致能量消 耗增加，大体格的电机并不适合搭载在汽车上。电机的种类有很多，在某种意义上也可以说， 汽车用电机都是经过特别设计的。也可以说，正是 因为汽车用电机存在体格、形状、质量等诸多限制， 才在这诸多限制中获得了进化。 

电机体格越大，效率越高。同时，也存在发热 的问题。各部分尺寸为原来 2 倍的电机，其表面积为原 来的 2×2=4 倍，散热面积也是原来的 4 倍。这是一个严峻的问题。想一想看，电机容量为 原来的 16 倍，损耗（发热）为原来的 8 倍，而散热面积只有原来的 4 倍。很明显，电机的冷却是不充 分的，电机温度会升得更高。因此，为了应对电机的发热，就需要增加散热 风机或者水冷设备等。尽管如此，电机的散热问题 依然是一个课题。

 说 电机是一个拥有悠久历史的装置，但直到现在 仍然有很多谜题未解。与天文学中的“三体问题” 一样，电机涉及电、磁、力学三大与能量相关的问 题，它们之间的关系错综复杂。在这里，我们来探 讨一下与电机体格 / 容量相关的话题。说到电机体格， 重要的并不是体积容量。因为，即使体积容量相同， 也还存在外径与轴长两个影响要素。在电机领域，存在着 D2L 说：电机的容量与直 径（准确地说，应该是电机的转子与定子之间存在 的气隙的直径）平方成正比，与轴长（准确地说， 应该是铁心的长度）成正比。实际上，还存在着 D3L 说。笔者认同的是后者。但是，这又与电机的种类 和容量有关，并不能断言哪种说法正确，哪种说法 不正确。从笔者使用过的电机来看，更接近 D3L 说。这是一个很有趣的话题，下面结合电机的体格问题 （直径、轴长）进行简单说明。

 图 4（a）与（b）显示了电机体格的差别。

图4

首先， 我们从电负荷与磁负荷的角度来推理。直径为原来的 2 倍时，电负荷为原来的 4 倍。再来看磁负荷，直径变为原来的 2 倍，铁心的截面 积（磁路的截面积）在径向上变为原来的 2 倍，在 轴向上面积不变。也就是说，磁负荷变成了原来的 2 倍。电机容量变为 4×2=8 倍。

 接下来，我们让直径保持不变，将轴长变为原 来的 2 倍［图 4（c）］。这就是笔者制作电机时经 常使用的“积厚向上”方法。这种情况下，电机容 量会发生怎样的变化？首先，电负荷因直径不变而不会发生改变（因 为绕线空间不变）。磁负荷因轴长变为原来的 2 倍（磁路截面积为原来的 2 倍）增至原来的 2 倍。因此，电机容量为原来的 1×2=2 倍。综上所述，电机容量与 D3L 成正比。当然，我 们也同样要考虑电机的散热措施。

前面提到，电机容量与 D3L 成正比。而一般情 况下，D2L 说更占主流。推测其原因，就在于电负 荷的计算方法不同。在以往的有刷电机及感应电机 上，绕线空间在某种意义上是被限定的。例如，在有刷电机上，即使直径变成了原来的 2 倍，绕线空间也不会简单地就变成原来的 4 倍。因 为在有刷电机上，铁心圆周方向上的尺寸虽然可以 变成原来的 2 倍，但是径向尺寸几乎是改变不了的。另外，感应电机也一样。在分布式线圈中，嵌 线深度过大导致连接线增加。这除了会引起的弊害 （质量、体积增加，效率降低），还会引起线圈感 应出现差异（距离铁心中心越近的线圈比距离表面 越近的线圈的感应更强）等问题。还有，工业领域中使用的大型电机也是一样的。即使加大了转子的直径，线圈还是安装在靠近其表 面的位置为好。这就使得电机在圆周方向上变大， 而在径向上几乎不变。这样一来，电负荷就不是与 D2 成正比，而是与 D 成正比了。同时，磁负荷也与 D 成正比。因此， 变成了容量 N 与 D2L 成正比． 就电机的规模（体格）而言，如果以笔者使用 过的无刷电机（同心绕线）为考察对象，则 D3L 说 更有说服力。 

 《电气工程学手册》（日本电气学会编）记载的名为输出功率方程的公式中，也有关于电机容量 的内容。详情如下：

N=KD2Ln （1） 

N=K'D3Ln （2） 

N=K"DxLyn （3）  

（2.0 ＜ｘ＜ 3.0，1.0 ＜ｙ＜ 1.5） 

式中，N 表示输出功率（kW）或容量（kVA）；D、 L 分别表示电枢铁心直径、长度（m）；K、K'、K" 表示各种学说的输出系数。关于输出系数，其变化 趋势如图 5 所示。

图5

 式（1）为 D2L 说，式（2）为 D3L 说。通过对 图 5 中两种学说的比较可知，比容量小的区域内（小 型电机）D3L 的系数基本不变，D2L 的系数变化幅度 大；相反，在比容量大的区域（大型电机）内，D2L 的系数变化幅度反而变小了。式（3）是对两种学说 进行改良后得到的，它能套用在不同的电机上，可 以认为在某一区域内具有通用性。这段描述也是笔者推荐 D3L 说的根据所在。

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