每分鐘超十萬(wàn)轉(zhuǎn)，創(chuàng)世界紀(jì)錄的新款電動(dòng)機(jī)由人工智能設(shè)計(jì)

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/黃山明）近日，據(jù)澳大利亞新南威爾士大學(xué)網(wǎng)站報(bào)道，該校研究生開(kāi)發(fā)出了一款新型電機(jī)，實(shí)現(xiàn)每分鐘達(dá)10萬(wàn)次轉(zhuǎn)速，創(chuàng)下了新的世界紀(jì)錄。這種新設(shè)計(jì)的出現(xiàn)，可以通過(guò)高功率密度來(lái)減少電動(dòng)汽車(chē)重量，從而實(shí)現(xiàn)增加電車(chē)的續(xù)航里程，并且顯著降低了制造成本。

電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航看什么？

隨著新能源車(chē)越來(lái)越普及，消費(fèi)者對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航也越來(lái)越關(guān)注。而電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)主要依賴于電驅(qū)系統(tǒng)，包括電池、電驅(qū)以及電控。功能主要是作為電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)將電池輸出的直流電轉(zhuǎn)化，驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，并通過(guò)軸齒系統(tǒng)的減速增扭，將動(dòng)力傳遞給車(chē)輪，從而驅(qū)動(dòng)車(chē)輛的行駛。

因此續(xù)航一方面主要看電池能量密度和材質(zhì)，電池能量密度決定了電池的帶電量，比如三元鋰電池能量密度要比磷酸鐵鋰高，續(xù)航更久，但安全性上有所不足。此外如寧德時(shí)代所發(fā)布的麒麟電池，思路同樣是增大電池包內(nèi)的體積利用率與能量密度來(lái)延長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間。

另一個(gè)影響續(xù)航的重要因素在于汽車(chē)的重量，比如動(dòng)力電池可以做得足夠大，但是負(fù)重越大，車(chē)輛續(xù)航反而會(huì)越短，這就需要有一個(gè)平衡。此外，風(fēng)阻同樣會(huì)影響電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航，通常轎車(chē)的風(fēng)阻要小于SUV的風(fēng)阻。其他因素還有如環(huán)境溫度、自動(dòng)駕駛等，都會(huì)對(duì)續(xù)航造成干預(yù)。

同時(shí)，由于主要依靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)，而電機(jī)能量效率極高，目前已經(jīng)可以達(dá)到95%以上，對(duì)比燃油發(fā)動(dòng)起能量效率普遍在30%左右，可以認(rèn)為已經(jīng)完全不可同日而語(yǔ)，也非常節(jié)能。

根據(jù)工信部新能源汽車(chē)公告目錄中的資料顯示，大多數(shù)純電動(dòng)汽車(chē)能耗水平在110-160Wh/Km，也就是0.396-0.576MJ/Km。不過(guò)在實(shí)際使用中，許多人會(huì)發(fā)現(xiàn)標(biāo)稱能耗與實(shí)際使用能耗差別非常大，并且能耗的波動(dòng)也非常大，換算過(guò)來(lái)可以認(rèn)為電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程與標(biāo)稱值也有較大的差距，即便用最嚴(yán)格的EPA測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，同樣會(huì)有較大偏差。

燃油車(chē)的差異基本在10%-20%左右，而電動(dòng)汽車(chē)卻可以達(dá)到50%-100%左右。比如電動(dòng)汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)可以行使500KM，夏天使用加空調(diào)，可能只會(huì)跑400KM左右，而在氣溫較低的冬天，續(xù)航甚至可以低到200KM，這種巨大的波動(dòng)與燃油車(chē)有顯著區(qū)別。

一個(gè)原因在于電動(dòng)機(jī)效率高，所以導(dǎo)致能耗非常敏感。這個(gè)很好理解，舉個(gè)例子，許多電動(dòng)汽車(chē)都是單級(jí)變速箱，因此隨著車(chē)輛速度的變化，電機(jī)轉(zhuǎn)速變化也非常大。假定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在0-8000轉(zhuǎn)（最高速度在120km/h），并且電動(dòng)機(jī)最佳熱效率區(qū)間并非在日常行駛速度上，而是中高速，因此日常行駛中的效率區(qū)間大概會(huì)在60-90%之間波動(dòng)，綜合整車(chē)能耗波動(dòng)也將在30%-40%左右。

并且，由于電動(dòng)機(jī)的特性，百公里加速時(shí)間已經(jīng)堪比燃油車(chē)的百萬(wàn)豪車(chē)級(jí)別，而動(dòng)力性越強(qiáng)，也讓百公里電耗越大。在城區(qū)內(nèi)的多次啟停，也會(huì)加快能量的消耗。不過(guò)許多電動(dòng)汽車(chē)已經(jīng)安裝了能量回收系統(tǒng)，可以回收車(chē)輛制動(dòng)時(shí)的動(dòng)能，重新用于驅(qū)動(dòng)，來(lái)節(jié)省電能的損耗。

因此，電池容量、材料、風(fēng)阻、自動(dòng)駕駛等，都會(huì)客觀影響到電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航表現(xiàn)，而電動(dòng)機(jī)對(duì)于電動(dòng)車(chē)?yán)m(xù)航的影響相對(duì)主觀，取決于司機(jī)自己的駕駛習(xí)慣。

十萬(wàn)轉(zhuǎn)電機(jī)是如何被設(shè)計(jì)的

此次澳大利亞新南威爾士大學(xué)所研發(fā)的每分鐘十萬(wàn)次轉(zhuǎn)速的電機(jī)，則是通過(guò)人工智能技術(shù)，從工程角度增加了電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航表現(xiàn)。

增加電池重量的方法，同樣會(huì)減少電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航，那么反過(guò)來(lái)，減少車(chē)內(nèi)器件體積，就能在同樣電池容量下增加續(xù)航。因此可以看到許多汽車(chē)使用了新型材料的車(chē)架，或者采用了SiC等材料，來(lái)提升續(xù)航。

新型電動(dòng)機(jī)由于超高的轉(zhuǎn)速，讓電機(jī)可以縮小尺寸，不僅能減輕重量，還能極大地降低功耗。同時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)中的電驅(qū)系統(tǒng)使用內(nèi)置永磁同步電機(jī)（IPMSM），即將磁鐵嵌入轉(zhuǎn)子中來(lái)產(chǎn)生巨大的扭矩。

但現(xiàn)如今的IPMSM由于轉(zhuǎn)子中的金屬薄板部分或燒結(jié)部分組成的疊片芯彼此連接，因此機(jī)械強(qiáng)度較低，從而限制了電子的速度。研究人員通過(guò)使用一種新的轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提升了電機(jī)的穩(wěn)定性，同時(shí)還讓電機(jī)生產(chǎn)所需的稀土減少70%。

新的設(shè)計(jì)主要基于韓國(guó)雙系拱結(jié)構(gòu)Gyopo鐵路橋的工程特性，以及符合曲線的機(jī)械應(yīng)力分布技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。最終讓新型電機(jī)實(shí)現(xiàn)了近每公斤7kW功率密度，是現(xiàn)有層壓IPMSM的兩倍，極大地增強(qiáng)了電動(dòng)汽車(chē)的性能。

得益于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的顯著增強(qiáng)，新型高速電機(jī)的機(jī)械安全系數(shù)可以達(dá)到目前市場(chǎng)銷(xiāo)售電機(jī)的1.5-2倍，推斷其使用壽命也將比普通電機(jī)更長(zhǎng)。

這一新型電動(dòng)機(jī)如果投入市場(chǎng)，將很快便能與消費(fèi)者見(jiàn)面。據(jù)研究團(tuán)隊(duì)透露，以特斯拉為代表的制造商想要運(yùn)用這套電機(jī)，規(guī)格修改與調(diào)試只需要耗費(fèi)6-12個(gè)月。

與當(dāng)前的電動(dòng)機(jī)相比，這款新型電動(dòng)機(jī)能夠?yàn)殡妱?dòng)汽車(chē)提供更多的續(xù)航。研究團(tuán)隊(duì)預(yù)測(cè)，通過(guò)對(duì)電動(dòng)應(yīng)用擴(kuò)展和優(yōu)化電機(jī)設(shè)計(jì)，預(yù)計(jì)新款電動(dòng)機(jī)相比市場(chǎng)中的同類(lèi)產(chǎn)品輕10-20%，效率提升2%-5%。

并且逆變器也受益于高速而變得更輕、更小，重量減輕與能效提升有望將為電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航延長(zhǎng)5%-10%。

值得注意的是，這款新型電機(jī)的設(shè)計(jì)使用了人工智能輔助優(yōu)化程序，從電、磁、機(jī)械和熱等各方面性能以優(yōu)化電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)90種方案進(jìn)行了評(píng)估，然后選擇其中前50%來(lái)生成新的設(shè)計(jì)，直到當(dāng)前的最佳效果，而這一款已經(jīng)是該程序分析的第120代產(chǎn)品。

小結(jié)

從這款新設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)來(lái)看，不僅有了高轉(zhuǎn)速、長(zhǎng)壽命、成本低、重量輕的特點(diǎn)，同時(shí)還能進(jìn)一步幫助電動(dòng)汽車(chē)節(jié)省內(nèi)部空間，降低車(chē)身整體重量，從而實(shí)現(xiàn)續(xù)航增強(qiáng)的效果。一個(gè)亮點(diǎn)是，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)人工智能輔助多次優(yōu)化迭代了相關(guān)設(shè)計(jì)，直至達(dá)成最佳效果。這不僅是電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的革新，也是人工智能技術(shù)應(yīng)用落地的又一碩果。