電動汽車牽引電機(jī)的新功能你都知道哪些？

前言：

電機(jī)是各類電池驅(qū)動汽車的重要部件。然而，電動汽車電機(jī)傳統(tǒng)上需要磁鐵和稀土材料，如釹和鈮。為了解決這個問題，工程師們正在努力開發(fā)新的設(shè)計，以提高效率和可靠性，同時降低成本和噪音。

到2022 年，全球 82% 的電動汽車市場都在使用稀土永磁電機(jī)。無磁替代品包括開關(guān)磁阻電機(jī)和繞線轉(zhuǎn)子同步電機(jī)。

今年早些時候，在拉斯維加斯舉行的消費電子展上，Infinitum 首次推出了名為 Aircore Mobility 電機(jī)的新設(shè)計。這種下一代軸向磁通牽引裝置可為各種電動汽車提供動力。除汽車和卡車外，該技術(shù)還可用于農(nóng)業(yè)、航空、建筑和航海應(yīng)用。

Aircore Mobility 電機(jī)具有高功率和高扭矩密度，可在很寬的速度和負(fù)載范圍內(nèi)運行。該技術(shù)的核心是一塊輕質(zhì)印刷電路板（PCB），它取代了傳統(tǒng)電機(jī)中的銅繞鐵定子。因此，噪音、振動和粗糙度（NVH）以及機(jī)械損耗得以降低，同時效率得到提高。

據(jù) Infinitum 公司稱，與傳統(tǒng)設(shè)備相比，Aircore Mobility 電機(jī)的效率提高了 10%，體積減小了一半，銅用量減少了 66%。同時，由于采用了 PCB 定子設(shè)計，該電機(jī)的密度可達(dá)到傳統(tǒng)液冷電機(jī)的五倍。

這種下一代軸向磁通牽引電機(jī)可提供高功率和高扭矩密度，同時可在很寬的速度和負(fù)載范圍內(nèi)運行。

插圖由 Infinitum 提供

Aircore Mobility 電機(jī)可使冷卻液與定子直接接觸，從而在更大的表面積上減緩熱量。

插圖由 Infinitum 提供

液冷工藝可使冷卻液與定子直接接觸，從而在更大的表面積上減少熱量。因此，過載能力更高，產(chǎn)品壽命更長。

Infinitum 公司技術(shù)副總裁 Paulo Guedes-Pinto 說："我們的電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)消除了磁芯損耗，提供了更廣泛的轉(zhuǎn)速和負(fù)載條件，使電機(jī)能夠以高效率水平運行。"[它]為擴(kuò)大 1-8 級車輛、航空航天、船舶、建筑和農(nóng)業(yè)機(jī)械的范圍提供了一條新途徑。

Infinitum 公司深知大規(guī)模生產(chǎn)電機(jī)所面臨的挑戰(zhàn)，但它聲稱已經(jīng)做好了準(zhǔn)備。

Infinitum 公司總裁 Rick Tewell 解釋說："我們的地球每年新增 8 億臺電機(jī)，而且隨著世界電氣化的發(fā)展，對電機(jī)的需求將繼續(xù)快速增長。"我們將領(lǐng)先的性能與可持續(xù)發(fā)展相結(jié)合，重新設(shè)計了具有百年歷史的電機(jī)設(shè)計和結(jié)構(gòu)，以滿足下一代的需求。

Tewell稱："我們的高效電機(jī)......由于采用了獨特的模塊化設(shè)計，因此可以使用更少的原材料進(jìn)行生產(chǎn)，并能快速組裝。"同樣的設(shè)計便于維護(hù)，使外殼、轉(zhuǎn)子和定子可以在電機(jī)中重復(fù)使用，并通過再制造服務(wù)于下一代"。

減少能耗、碳排放和廢物正成為電動汽車制造商尋找可持續(xù)推進(jìn)替代方案的重中之重。

Tewell 說："我們目前的重點是擴(kuò)大和加快可持續(xù)電機(jī)的大規(guī)模生產(chǎn)，以滿足需求。"我們的電機(jī)已經(jīng)在暖通空調(diào)（HVAC）空氣處理市場產(chǎn)生了巨大的積極影響，成為降低商業(yè)建筑、大型數(shù)據(jù)中心和工業(yè)應(yīng)用能源需求的關(guān)鍵因素。

01

澳大利亞的奇跡

澳大利亞悉尼新南威爾士大學(xué) (UNSW) 的工程師最近開發(fā)了一款電機(jī)，其靈感來自韓國最長的鐵路橋的輪廓。Gyopo 橋是一座雙曲拱橋，采用了基于復(fù)合曲線的機(jī)械應(yīng)力分布技術(shù)。

Gyopo 鐵路橋是一種雙系拱結(jié)構(gòu)，采用基于復(fù)合曲線的機(jī)械應(yīng)力分布技術(shù)，激發(fā)了新型電機(jī)的開發(fā)。

插圖由新南威爾士大學(xué)提供

原型電機(jī)的轉(zhuǎn)速高達(dá) 100,000 rpm。這一功率超過了同類內(nèi)部永磁同步電機(jī)裝置的現(xiàn)有記錄。

新南威爾士大學(xué)電氣工程副教授 Rukmi Dutta 博士說："通過實施跨學(xué)科設(shè)計和基于遺傳算法的電機(jī)設(shè)計優(yōu)化，高速電機(jī)成功超越了內(nèi)部永磁電機(jī)的技術(shù)指標(biāo)，并將其速度提高了一倍。

最重要的是，高速和新穎的轉(zhuǎn)子設(shè)計使[電機(jī)]在減少稀土磁鐵的情況下實現(xiàn)了高效率和極高的比功率密度（每公斤 7 千瓦），"Dutta 聲稱。"高功率密度對重量敏感的應(yīng)用（如電動汽車）極為有利"。

Dutta 指出："為氫氣（能源系統(tǒng)）設(shè)計的微型燃?xì)鉁u輪機(jī)和為......電網(wǎng)設(shè)計的機(jī)械電池飛輪系統(tǒng)......也可以從我們的高速機(jī)器中獲益。

減少稀土磁鐵的使用意味著關(guān)鍵材料消耗更少、成本更低和供應(yīng)鏈更安全。在不久的將來，Dutta 和她的同事們計劃探索能否在不影響性能提升和功率密度的情況下完全取消稀土磁鐵。

到目前為止，我們已經(jīng)成功地與電子渦輪充電器、暖通空調(diào)和電動汽車領(lǐng)域的行業(yè)合作伙伴建立了合作關(guān)系，"Dutta 解釋說。"我們已從政府、行業(yè)和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)獲得資金，以進(jìn)一步開發(fā)和商業(yè)化這項技術(shù)。我們還吸引了[希望投資]該技術(shù)的公司的興趣"。

新穎的轉(zhuǎn)子和定子設(shè)計實現(xiàn)了高速運轉(zhuǎn)。

02

貴重材料的管理

為生產(chǎn)電機(jī)而獲取原材料會對環(huán)境造成破壞，而且會出現(xiàn)供需失衡、供應(yīng)鏈管理問題以及成本壓力不斷增加等問題。這就是圖拉科技公司自 2021 年以來一直致力于開發(fā)稀土磁鐵替代品的原因。

圖拉公司首席執(zhí)行官斯科特-貝利（Scott Bailey）說："電動汽車行業(yè)渴求盡可能高的效率。"與此同時，內(nèi)部永磁（IPM）電機(jī)對稀土磁鐵的需求所帶來的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)--采礦對環(huán)境的影響、供應(yīng)有限導(dǎo)致成本上升以及供應(yīng)來源不安全--也不容忽視。

因此，大多數(shù)公司都在尋找既能降低成本又不影響效率的 IPM 電機(jī)替代品，"Bailey 解釋說。"外激式同步電機(jī)（EESM）是最主要的候選產(chǎn)品。

寶馬和雷諾等汽車制造商正在引領(lǐng)這一潮流。不過，Bailey 聲稱，該行業(yè)的大部分企業(yè)都在計劃或評估這項技術(shù)。"他指出："幸運的是，這正是我們的動態(tài)電機(jī)驅(qū)動（DMD）技術(shù)產(chǎn)生最大影響的地方。

貝利說："經(jīng)過優(yōu)化的 EESM 和 [我們的] DMD 控制裝置可減少高達(dá) 19% 的損耗，這相當(dāng)于在 EPA 的多循環(huán)測試中提高了 3% 的效率。"更重要的是，EESM 和 DMD 的組合比 IPM 電機(jī)效率更高，而且系統(tǒng)成本低 150 到 200 美元。

Bailey 指出："我們努力在不對 NVH 或驅(qū)動質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響的情況下獲得最高效率。"鑒于電動汽車需要安靜、平穩(wěn)的運行，這一點至關(guān)重要。

我們已經(jīng)成功地在 IPM 車輛上演示了 DMD 的能力，雖然增效不大（0.4%），但我們已經(jīng)證明，我們的創(chuàng)新控制技術(shù)能夠完美地工作，并產(chǎn)生所宣傳的增效效果，"Bailey 聲稱。

圖拉目前正在制造一輛配備 EESM 的特斯拉 Model 3 演示車，以展示 DMD 的全部能力。該車將于明年年初進(jìn)行測試。

圖拉的一項重要發(fā)展是正在進(jìn)行的新型 EESM 設(shè)計工作。這些機(jī)器需要繞線轉(zhuǎn)子（而不是帶磁鐵的金屬疊片），因此 EESM 通常被稱為繞線轉(zhuǎn)子機(jī)器。不過，從裝配的角度來看，EESM 更加復(fù)雜一些。

貝利解釋說："在 IPM 中，金屬薄片通常在生產(chǎn)過程中沖壓成型，然后與永久磁鐵一起堆疊組裝到轉(zhuǎn)子軸上。"EESM或繞線轉(zhuǎn)子設(shè)計也需要堆疊金屬薄片，但外形與 IPM 有很大不同。

有幾種電動汽車電機(jī)技術(shù)可以避免使用永久磁鐵。

插圖由 IDTechEx 提供

Bailey 補充說："繞線轉(zhuǎn)子不是將磁鐵壓入疊片中，而是將線圈纏繞在轉(zhuǎn)子疊片設(shè)計中固有的一些磁極上。Bailey 補充說："雖然這有點簡單化，但繞線轉(zhuǎn)子機(jī)器實質(zhì)上是用銅線取代了永久磁鐵。向 EESM 的過渡將影響生產(chǎn)和裝配流程。

幸運的是，Marsilli 等供應(yīng)商在銅線繞線方面有著悠久的歷史，并已開發(fā)出一些針對 EESM 生產(chǎn)優(yōu)化的創(chuàng)新工藝。

Bailey 說："從開發(fā)的角度來看，完成特斯拉 EESM 展示車的工作是我們的首要任務(wù)。"雖然客戶對我們從電機(jī)測功機(jī)和 IPM 車輛演示器獲得的測試數(shù)據(jù)表示贊賞，但我們還需要能夠展示 EESM 在車輛中的驅(qū)動性能，并提供獨立的實驗室測試結(jié)果，以證實我們的預(yù)期增效。

貝利說："考慮到行業(yè)的變化速度，我們正集中精力，以令人難以置信的速度在全球范圍內(nèi)部署 DMD。"這一進(jìn)展需要資金、資源和全球影響力。為了滿足這一需求，我們目前正在為我們的 DMD 業(yè)務(wù)籌集更多資金，重點關(guān)注那些也能成為業(yè)務(wù)合作伙伴并幫助我們加速發(fā)展的戰(zhàn)略投資者。

03

創(chuàng)新產(chǎn)品

隨著電動汽車時代的到來，許多新創(chuàng)公司紛紛進(jìn)入汽車行業(yè)，而許多傳統(tǒng)的一級供應(yīng)商也在開發(fā)新產(chǎn)品。例如，德國大陸集團(tuán)（Continental AG）最近推出了一種電動馬達(dá)傳感器，它有助于提高效率和實現(xiàn)更平穩(wěn)的運行。

這種電動馬達(dá)轉(zhuǎn)子位置傳感器（eRPS）比傳統(tǒng)設(shè)備更緊湊，重量輕 40%。它將于 2025 年底投入商用。

大陸集團(tuán)被動安全和傳感器部門主管勞倫特-法布雷（Laurent Fabre）表示："汽車電氣化的發(fā)展意味著汽車中將使用更多的同步電機(jī)。"從牽引電機(jī)等大功率電機(jī)到電動泵等小型電機(jī)，不一而足。我們的標(biāo)準(zhǔn)化 eRPS 技術(shù)在電動汽車中有著廣泛的潛在應(yīng)用"。

這種電機(jī)通過減少稀土磁鐵實現(xiàn)了高效率和高功率密度。

與此同時，西門子股份公司已將其在德國的電機(jī)和大型驅(qū)動器業(yè)務(wù)有效分拆，新名稱為 Innomotics。這家電機(jī)和大型驅(qū)動器供應(yīng)商將把低壓至高壓電機(jī)、減速電機(jī)、中壓變流器和電主軸等業(yè)務(wù)活動整合在一起。

德國的分拆工作已經(jīng)完成，Innomotics 預(yù)計全球業(yè)務(wù)過渡將于下月完成。未來，Innomotics 將包括西門子大型驅(qū)動應(yīng)用和數(shù)字行業(yè)的相應(yīng)業(yè)務(wù)，以及單獨管理的西門子公司 Sykatec 和 Weiss Spindeltechnologie。

Innomotics首席執(zhí)行官Michael Reichle表示："我們的新品牌代表了我們成為電機(jī)和大型驅(qū)動業(yè)務(wù)領(lǐng)域領(lǐng)先創(chuàng)新者的愿望，也表達(dá)了我們作為一家與客戶保持密切聯(lián)系并擁有150多年歷史的公司的理念。

憑借高效的電動大驅(qū)動系統(tǒng)，我們可以取代可持續(xù)性較差的傳統(tǒng)系統(tǒng)，"Reichle 解釋說。"這樣，我們就可以幫助客戶減少溫室氣體排放，尤其是在當(dāng)今碳排放量仍然很高的地區(qū)。

審核編輯：劉清