电动汽车牵引电机的新功能你都知道哪些？

前言：

电机是各类电池驱动汽车的重要部件。然而，电动汽车电机传统上需要磁铁和稀土材料，如钕和铌。为了解决这个问题，工程师们正在努力开发新的设计，以提高效率和可靠性，同时降低成本和噪音。

到2022 年，全球 82% 的电动汽车市场都在使用稀土永磁电机。无磁替代品包括开关磁阻电机和绕线转子同步电机。

今年早些时候，在拉斯维加斯举行的消费电子展上，Infinitum 首次推出了名为 Aircore Mobility 电机的新设计。这种下一代轴向磁通牵引装置可为各种电动汽车提供动力。除汽车和卡车外，该技术还可用于农业、航空、建筑和航海应用。

Aircore Mobility 电机具有高功率和高扭矩密度，可在很宽的速度和负载范围内运行。该技术的核心是一块轻质印刷电路板（PCB），它取代了传统电机中的铜绕铁定子。因此，噪音、振动和粗糙度（NVH）以及机械损耗得以降低，同时效率得到提高。

据 Infinitum 公司称，与传统设备相比，Aircore Mobility 电机的效率提高了 10%，体积减小了一半，铜用量减少了 66%。同时，由于采用了 PCB 定子设计，该电机的密度可达到传统液冷电机的五倍。

这种下一代轴向磁通牵引电机可提供高功率和高扭矩密度，同时可在很宽的速度和负载范围内运行。

插图由 Infinitum 提供

Aircore Mobility 电机可使冷却液与定子直接接触，从而在更大的表面积上减缓热量。

插图由 Infinitum 提供

液冷工艺可使冷却液与定子直接接触，从而在更大的表面积上减少热量。因此，过载能力更高，产品寿命更长。

Infinitum 公司技术副总裁 Paulo Guedes-Pinto 说："我们的电机拓扑结构消除了磁芯损耗，提供了更广泛的转速和负载条件，使电机能够以高效率水平运行。"[它]为扩大 1-8 级车辆、航空航天、船舶、建筑和农业机械的范围提供了一条新途径。

Infinitum 公司深知大规模生产电机所面临的挑战，但它声称已经做好了准备。

Infinitum 公司总裁 Rick Tewell 解释说："我们的地球每年新增 8 亿台电机，而且随着世界电气化的发展，对电机的需求将继续快速增长。"我们将领先的性能与可持续发展相结合，重新设计了具有百年历史的电机设计和结构，以满足下一代的需求。

Tewell称："我们的高效电机......由于采用了独特的模块化设计，因此可以使用更少的原材料进行生产，并能快速组装。"同样的设计便于维护，使外壳、转子和定子可以在电机中重复使用，并通过再制造服务于下一代"。

减少能耗、碳排放和废物正成为电动汽车制造商寻找可持续推进替代方案的重中之重。

Tewell 说："我们目前的重点是扩大和加快可持续电机的大规模生产，以满足需求。"我们的电机已经在暖通空调（HVAC）空气处理市场产生了巨大的积极影响，成为降低商业建筑、大型数据中心和工业应用能源需求的关键因素。

01

澳大利亚的奇迹

澳大利亚悉尼新南威尔士大学 (UNSW) 的工程师最近开发了一款电机，其灵感来自韩国最长的铁路桥的轮廓。Gyopo 桥是一座双曲拱桥，采用了基于复合曲线的机械应力分布技术。

Gyopo 铁路桥是一种双系拱结构，采用基于复合曲线的机械应力分布技术，激发了新型电机的开发。

插图由新南威尔士大学提供

原型电机的转速高达 100,000 rpm。这一功率超过了同类内部永磁同步电机装置的现有记录。

新南威尔士大学电气工程副教授 Rukmi Dutta 博士说："通过实施跨学科设计和基于遗传算法的电机设计优化，高速电机成功超越了内部永磁电机的技术指标，并将其速度提高了一倍。

最重要的是，高速和新颖的转子设计使[电机]在减少稀土磁铁的情况下实现了高效率和极高的比功率密度（每公斤 7 千瓦），"Dutta 声称。"高功率密度对重量敏感的应用（如电动汽车）极为有利"。

Dutta 指出："为氢气（能源系统）设计的微型燃气涡轮机和为......电网设计的机械电池飞轮系统......也可以从我们的高速机器中获益。

减少稀土磁铁的使用意味着关键材料消耗更少、成本更低和供应链更安全。在不久的将来，Dutta 和她的同事们计划探索能否在不影响性能提升和功率密度的情况下完全取消稀土磁铁。

到目前为止，我们已经成功地与电子涡轮充电器、暖通空调和电动汽车领域的行业合作伙伴建立了合作关系，"Dutta 解释说。"我们已从政府、行业和学术机构获得资金，以进一步开发和商业化这项技术。我们还吸引了[希望投资]该技术的公司的兴趣"。

新颖的转子和定子设计实现了高速运转。

02

贵重材料的管理

为生产电机而获取原材料会对环境造成破坏，而且会出现供需失衡、供应链管理问题以及成本压力不断增加等问题。这就是图拉科技公司自 2021 年以来一直致力于开发稀土磁铁替代品的原因。

图拉公司首席执行官斯科特-贝利（Scott Bailey）说："电动汽车行业渴求尽可能高的效率。"与此同时，内部永磁（IPM）电机对稀土磁铁的需求所带来的严峻挑战--采矿对环境的影响、供应有限导致成本上升以及供应来源不安全--也不容忽视。

因此，大多数公司都在寻找既能降低成本又不影响效率的 IPM 电机替代品，"Bailey 解释说。"外激式同步电机（EESM）是最主要的候选产品。

宝马和雷诺等汽车制造商正在引领这一潮流。不过，Bailey 声称，该行业的大部分企业都在计划或评估这项技术。"他指出："幸运的是，这正是我们的动态电机驱动（DMD）技术产生最大影响的地方。

贝利说："经过优化的 EESM 和 [我们的] DMD 控制装置可减少高达 19% 的损耗，这相当于在 EPA 的多循环测试中提高了 3% 的效率。"更重要的是，EESM 和 DMD 的组合比 IPM 电机效率更高，而且系统成本低 150 到 200 美元。

Bailey 指出："我们努力在不对 NVH 或驱动质量产生负面影响的情况下获得最高效率。"鉴于电动汽车需要安静、平稳的运行，这一点至关重要。

我们已经成功地在 IPM 车辆上演示了 DMD 的能力，虽然增效不大（0.4%），但我们已经证明，我们的创新控制技术能够完美地工作，并产生所宣传的增效效果，"Bailey 声称。

图拉目前正在制造一辆配备 EESM 的特斯拉 Model 3 演示车，以展示 DMD 的全部能力。该车将于明年年初进行测试。

图拉的一项重要发展是正在进行的新型 EESM 设计工作。这些机器需要绕线转子（而不是带磁铁的金属叠片），因此 EESM 通常被称为绕线转子机器。不过，从装配的角度来看，EESM 更加复杂一些。

贝利解释说："在 IPM 中，金属薄片通常在生产过程中冲压成型，然后与永久磁铁一起堆叠组装到转子轴上。"EESM或绕线转子设计也需要堆叠金属薄片，但外形与 IPM 有很大不同。

有几种电动汽车电机技术可以避免使用永久磁铁。

插图由 IDTechEx 提供

Bailey 补充说："绕线转子不是将磁铁压入叠片中，而是将线圈缠绕在转子叠片设计中固有的一些磁极上。Bailey 补充说："虽然这有点简单化，但绕线转子机器实质上是用铜线取代了永久磁铁。向 EESM 的过渡将影响生产和装配流程。

幸运的是，Marsilli 等供应商在铜线绕线方面有着悠久的历史，并已开发出一些针对 EESM 生产优化的创新工艺。

Bailey 说："从开发的角度来看，完成特斯拉 EESM 展示车的工作是我们的首要任务。"虽然客户对我们从电机测功机和 IPM 车辆演示器获得的测试数据表示赞赏，但我们还需要能够展示 EESM 在车辆中的驱动性能，并提供独立的实验室测试结果，以证实我们的预期增效。

贝利说："考虑到行业的变化速度，我们正集中精力，以令人难以置信的速度在全球范围内部署 DMD。"这一进展需要资金、资源和全球影响力。为了满足这一需求，我们目前正在为我们的 DMD 业务筹集更多资金，重点关注那些也能成为业务合作伙伴并帮助我们加速发展的战略投资者。

03

创新产品

随着电动汽车时代的到来，许多新创公司纷纷进入汽车行业，而许多传统的一级供应商也在开发新产品。例如，德国大陆集团（Continental AG）最近推出了一种电动马达传感器，它有助于提高效率和实现更平稳的运行。

这种电动马达转子位置传感器（eRPS）比传统设备更紧凑，重量轻 40%。它将于 2025 年底投入商用。

大陆集团被动安全和传感器部门主管劳伦特-法布雷（Laurent Fabre）表示："汽车电气化的发展意味着汽车中将使用更多的同步电机。"从牵引电机等大功率电机到电动泵等小型电机，不一而足。我们的标准化 eRPS 技术在电动汽车中有着广泛的潜在应用"。

这种电机通过减少稀土磁铁实现了高效率和高功率密度。

与此同时，西门子股份公司已将其在德国的电机和大型驱动器业务有效分拆，新名称为 Innomotics。这家电机和大型驱动器供应商将把低压至高压电机、减速电机、中压变流器和电主轴等业务活动整合在一起。

德国的分拆工作已经完成，Innomotics 预计全球业务过渡将于下月完成。未来，Innomotics 将包括西门子大型驱动应用和数字行业的相应业务，以及单独管理的西门子公司 Sykatec 和 Weiss Spindeltechnologie。

Innomotics首席执行官Michael Reichle表示："我们的新品牌代表了我们成为电机和大型驱动业务领域领先创新者的愿望，也表达了我们作为一家与客户保持密切联系并拥有150多年历史的公司的理念。

凭借高效的电动大驱动系统，我们可以取代可持续性较差的传统系统，"Reichle 解释说。"这样，我们就可以帮助客户减少温室气体排放，尤其是在当今碳排放量仍然很高的地区。

审核编辑：刘清