西门子电机的大小取决于什么？

        有时会看到有人提出一种新的结构电机，称这种电机实现了很高的功率密度，只要用很少的体积和重量就可以实现多大功率的机电能量转换。如何初步判断这些新方案是否可行呢？下面我们就来介绍一下***主要的方法。

        电机的主要尺寸是指电机电枢铁心的直径D和长度L。确定电机的主要尺寸是电机设计的***步。但什么是电机的电枢铁心呢？一般对于***普通的内转子径向磁场旋转电机来说，电枢铁心直径就是定子铁心内径，长度就是定子铁心长度。

         这个电机的转矩T与D和L组成的圆柱体的体积（V=π/4*D2*L）成正比，上面这个体积V还与电负荷A和磁负荷B成反比。

可以用下面公式表示：

V = k *T/ (A*B)

        A是线负荷，也叫做电负荷，表示沿电枢圆周单位长度上的安培导体数（总的电流）；B是磁负荷，也就是气隙磁密的***大值。k是比例系数。

        可以看到电机的体积决定于转矩、电负荷和磁负荷。只有电机内有很大的电流或者磁密很高才能用较小体积的电机产生较大的转矩。而电机内要通过大电流，就会产生电阻损耗和热量，当电流大到一定程度，电机的热量就散发不出去，温度就会升高到超过电机绕组绝缘能承受的***高温度（比如F级绝缘是155℃），电机就会烧毁。所以电流不能无限增大，有个极限。当然，如果采用超导线圈，那么这个电流就可以很大，也就可以实现很高的转矩密度。但是现在我们普通电机经济的导电材料还是铜、铝为主。如果采用金、银做导线，电流是可以大一点，但付出的成本与效益不成比例。在一些特殊场合，为了追求性能，可能不惜成本。提高转矩密度另一个方法，就是提高磁负荷。提高磁负荷，就要有好的导磁材料。目前经济的导磁材料就是电工钢叠片。由于饱和作用，电工钢片内的***大磁密仅能达到2T左右。由于齿槽的存在，所以气隙磁密也就不到2T，一般就在1T左右。为了实现较高的磁密，需要大电流的电磁线圈来励磁或者用高剩磁的永磁体励磁。大电流的电磁线圈本身会发热存在电流上限，高剩磁的永磁体都是采用稀有金属，非常贵。所以磁负荷也存在上限。

           从上可以看出，A和B如果没有较大的增加，这个T/V转矩密度也不会有大的提升。A和B的增加都需要材料技术的革命，所以电机的新材料发展是一个重要的方面。导电材料方面没有革命性的新材料，目前有增加槽内铜面积的发卡结构和降低涡流损耗的利兹线技术。导磁材料方面主要是励磁的永磁体性能提高，以及低损耗薄规格硅钢片的应用。还有一方面就是冷却技术的进步，比如采用内冷、内部喷油冷却、机壳水冷、蒸发冷却等强化冷却的技术手段。这样才能提高电机的转矩密度。

当然，还有一个手段，就是在电机的内部叠加多个V，就像俄罗斯套娃一样。他们的气隙互相不干扰。这种多气隙设计，可以增加转矩密度，但也带来了更复杂的支撑结构和更大的散热压力。

            轴向磁场电机可以把盘等效为一个圆筒，所以相当于在一个空间内叠加了多个V，成倍地增加了转矩密度。所以现在轮毂电机为了提高功率密度，采用了轴向磁场电机结构，它需要解决好冷却的问题，还要设计好支撑轴向磁场所引起的轴向电磁力的机械结构。

           所以，如果是单气隙的结构，那么不论采用何种方法，如果没有大幅增加磁负荷和电负荷，那么这个电机转矩密度的大幅提升就没有可能。

           功率密度正比于转矩密度与转速的乘积。所以转矩密度不变的情况下，提高转速可以提高功率密度。目前出现的高速、超高速电机就