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每分钟超十万转,创世界纪录的新款电动机由人工智能设计

Simon观察 来源:电子发烧友网 作者:黄山明 2022-09-21 07:49 次阅读
电子发烧友网报道(文/黄山明)近日,据澳大利亚新南威尔士大学网站报道,该校研究生开发出了一款新型电机,实现每分钟达10万次转速,创下了新的世界纪录。这种新设计的出现,可以通过高功率密度来减少电动汽车重量,从而实现增加电车的续航里程,并且显著降低了制造成本。

电动汽车的续航看什么?

随着新能源车越来越普及,消费者对于电动汽车的续航也越来越关注。而电动汽车的驱动主要依赖于电驱系统,包括电池、电驱以及电控。功能主要是作为电动汽车的驱动系统,负责将电池输出的直流电转化,驱动电机旋转,并通过轴齿系统的减速增扭,将动力传递给车轮,从而驱动车辆的行驶。

因此续航一方面主要看电池能量密度和材质,电池能量密度决定了电池的带电量,比如三元锂电池能量密度要比磷酸铁锂高,续航更久,但安全性上有所不足。此外如宁德时代所发布的麒麟电池,思路同样是增大电池包内的体积利用率与能量密度来延长续航时间。

另一个影响续航的重要因素在于汽车的重量,比如动力电池可以做得足够大,但是负重越大,车辆续航反而会越短,这就需要有一个平衡。此外,风阻同样会影响电动汽车的续航,通常轿车的风阻要小于SUV的风阻。其他因素还有如环境温度、自动驾驶等,都会对续航造成干预。

同时,由于主要依靠电机驱动,而电机能量效率极高,目前已经可以达到95%以上,对比燃油发动起能量效率普遍在30%左右,可以认为已经完全不可同日而语,也非常节能。

根据工信部新能源汽车公告目录中的资料显示,大多数纯电动汽车能耗水平在110-160Wh/Km,也就是0.396-0.576MJ/Km。不过在实际使用中,许多人会发现标称能耗与实际使用能耗差别非常大,并且能耗的波动也非常大,换算过来可以认为电动汽车的续航里程与标称值也有较大的差距,即便用最严格的EPA测试标准,同样会有较大偏差。

燃油车的差异基本在10%-20%左右,而电动汽车却可以达到50%-100%左右。比如电动汽车标准可以行使500KM,夏天使用加空调,可能只会跑400KM左右,而在气温较低的冬天,续航甚至可以低到200KM,这种巨大的波动与燃油车有显著区别。

一个原因在于电动机效率高,所以导致能耗非常敏感。这个很好理解,举个例子,许多电动汽车都是单级变速箱,因此随着车辆速度的变化,电机转速变化也非常大。假定电动机转速在0-8000转(最高速度在120km/h),并且电动机最佳热效率区间并非在日常行驶速度上,而是中高速,因此日常行驶中的效率区间大概会在60-90%之间波动,综合整车能耗波动也将在30%-40%左右。

并且,由于电动机的特性,百公里加速时间已经堪比燃油车的百万豪车级别,而动力性越强,也让百公里电耗越大。在城区内的多次启停,也会加快能量的消耗。不过许多电动汽车已经安装了能量回收系统,可以回收车辆制动时的动能,重新用于驱动,来节省电能的损耗。

因此,电池容量、材料、风阻、自动驾驶等,都会客观影响到电动汽车的续航表现,而电动机对于电动车续航的影响相对主观,取决于司机自己的驾驶习惯。

十万转电机是如何被设计的

此次澳大利亚新南威尔士大学所研发的每分钟十万次转速的电机,则是通过人工智能技术,从工程角度增加了电动汽车的续航表现。

增加电池重量的方法,同样会减少电动汽车的续航,那么反过来,减少车内器件体积,就能在同样电池容量下增加续航。因此可以看到许多汽车使用了新型材料的车架,或者采用了SiC等材料,来提升续航。

新型电动机由于超高的转速,让电机可以缩小尺寸,不仅能减轻重量,还能极大地降低功耗。同时,电动汽车中的电驱系统使用内置永磁同步电机(IPMSM),即将磁铁嵌入转子中来产生巨大的扭矩。

但现如今的IPMSM由于转子中的金属薄板部分或烧结部分组成的叠片芯彼此连接,因此机械强度较低,从而限制了电子的速度。研究人员通过使用一种新的转子拓扑结构,进一步提升了电机的稳定性,同时还让电机生产所需的稀土减少70%。

新的设计主要基于韩国双系拱结构Gyopo铁路桥的工程特性,以及符合曲线的机械应力分布技术实现的。最终让新型电机实现了近每公斤7kW功率密度,是现有层压IPMSM的两倍,极大地增强了电动汽车的性能。

得益于转子结构的显著增强,新型高速电机的机械安全系数可以达到目前市场销售电机的1.5-2倍,推断其使用寿命也将比普通电机更长。

这一新型电动机如果投入市场,将很快便能与消费者见面。据研究团队透露,以特斯拉为代表的制造商想要运用这套电机,规格修改与调试只需要耗费6-12个月。

与当前的电动机相比,这款新型电动机能够为电动汽车提供更多的续航。研究团队预测,通过对电动应用扩展和优化电机设计,预计新款电动机相比市场中的同类产品轻10-20%,效率提升2%-5%。

并且逆变器也受益于高速而变得更轻、更小,重量减轻与能效提升有望将为电动汽车续航延长5%-10%。

值得注意的是,这款新型电机的设计使用了人工智能辅助优化程序,从电、磁、机械和热等各方面性能以优化电动机设计。研究团队对90种方案进行了评估,然后选择其中前50%来生成新的设计,直到当前的最佳效果,而这一款已经是该程序分析的第120代产品。

小结

从这款新设计的电动机来看,不仅有了高转速、长寿命、成本低、重量轻的特点,同时还能进一步帮助电动汽车节省内部空间,降低车身整体重量,从而实现续航增强的效果。一个亮点是,研究团队通过人工智能辅助多次优化迭代了相关设计,直至达成最佳效果。这不仅是电动机产品的革新,也是人工智能技术应用落地的又一硕果。




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