本文選自中國工程院院刊《Engineering》2022年第1期

作者：Chris Palmer

來源：The Drive for Electric Motor Innovation[J].Engineering,2022,8(1):9-11.

編者按

電機(jī)是電動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。隨著電動(dòng)汽車的普及，對電機(jī)的需求不斷增長，汽車制造商大多將研發(fā)精力集中在電池上以提高續(xù)航能力，然而，提升電機(jī)自身效能也可以提升續(xù)航能力并且使電池組更小、更輕便。

中國工程院院刊《Engineering》2022年第1期刊發(fā)《電動(dòng)汽車用電機(jī)的創(chuàng)新發(fā)展》一文，介紹了電動(dòng)汽車用電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，梳理了目前電動(dòng)車用電機(jī)的典型電機(jī)設(shè)計(jì)與應(yīng)用進(jìn)展情況，如開關(guān)磁阻電機(jī)、永磁同步電機(jī)、軸流式電機(jī)、無稀土永磁電機(jī)等。此外，文章還指出，在電機(jī)生產(chǎn)領(lǐng)域，可以在定子內(nèi)部的銅繞組創(chuàng)新、冷卻技術(shù)等方面進(jìn)行創(chuàng)新。

自2018年起，Turntide Technologies公司的高效電機(jī)（基于19世紀(jì)早期設(shè)計(jì)的升級(jí)版本）已經(jīng)驅(qū)動(dòng)美國各地乳制品倉庫的冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)起來；此外，包括寶馬和亞馬遜在內(nèi)的十多家公司，已經(jīng)使用Turntide Technologies公司的“智能電機(jī)系統(tǒng)”（smart motor system）來改造頂部供熱、通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，估計(jì)為公司平均節(jié)約了64% 的供熱和制冷成本。這家位于美國加利福尼亞州森尼維爾的公司獲得了比爾·蓋茨和亞馬遜公司的支持。在獲得2.25億美元資金，并收購分別生產(chǎn)電池、動(dòng)力系統(tǒng)和電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)的Hyperdrive Innovation、BorgWarner Gateshead和Avid Technology這三家創(chuàng)業(yè)公司后，Turntide Technologies公司正如2021年6月和7月宣布的那樣，準(zhǔn)備將業(yè)務(wù)重點(diǎn)轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車。

對于電動(dòng)汽車用電機(jī)（圖1），Turntide Technologies公司從一種近兩百年歷史的技術(shù)——由 W.H. Taylor在1838年設(shè)計(jì)的開關(guān)磁阻電機(jī)——開始研發(fā)。這種開關(guān)磁阻電機(jī)的制造成本相對較低。原因有二：第一，轉(zhuǎn)子簡單，由帶凹槽的實(shí)心鋼塊制成，放置在兩端；第二，定子由均勻分布的螺線管電磁鐵組成。相比之下，標(biāo)準(zhǔn)交流感應(yīng)電機(jī)的繞組必須符合復(fù)雜的模式，需契合定子的插槽。

圖1. Turntide Technologies公司基于開關(guān)磁阻電機(jī)研發(fā)的電動(dòng)汽車用電機(jī)。如圖所示，目前用于工業(yè)應(yīng)用，如谷倉冷卻及供熱、通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)。來源：Turntide Technologies (public domain)。

直到最近，開關(guān)磁阻電機(jī)還沒有被廣泛接受，原因是其難以被控制，產(chǎn)生的噪聲和震動(dòng)較大。Richard Hellinga說，Turntide Technologies公司的工程師在原型電機(jī)中放置傳感器來追蹤轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)，已經(jīng)克服了這些挑戰(zhàn)。這樣工程師便可以使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法來確定開關(guān)電流的正確時(shí)間。這一過程獲得的知識(shí)幫助工程師設(shè)計(jì)出一種無傳感器開關(guān)磁阻電機(jī)，將振動(dòng)最小化。

雖然招攬了一批商用車和鐵路領(lǐng)域的客戶，包括Aston Martin公司和Hitachi Rail 公司，但是Turntide Technologies公司依然面臨著激烈的競爭。隨著各國都試圖逐步淘汰燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)，全球各地的公司都在探索全新電機(jī)方案，并且都選擇通過人工智能輔助設(shè)計(jì)以及材料、自動(dòng)化領(lǐng)域的最新成果等，讓電機(jī)更高效、電機(jī)購買和操作成本更低、電機(jī)制造過程更環(huán)保。

從供熱、通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)到硬盤、自動(dòng)扶梯和各種制造設(shè)備，所有一切都由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。電機(jī)消耗了全球40%以上的電力。而且，對電機(jī)的需求將在21世紀(jì)繼續(xù)增長。據(jù)預(yù)測，到2025年，電動(dòng)汽車將占全球乘用車銷量的10%，到2030年將占28%，到2040年將占58%。

隨著制造商將重點(diǎn)轉(zhuǎn)向電動(dòng)汽車，大多數(shù)研發(fā)工作都集中在電池上——一般來說，電池是最貴也是決定電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航的組件。然而，提升電機(jī)自身效能也可以提升續(xù)航能力并且（或者）使電池組更小、更輕便。

目前所有的商用電動(dòng)汽車電機(jī)都基于交流電、永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)。永磁同步電機(jī)主要有兩個(gè)組成部分：一個(gè)外殼，因?yàn)槠浔３朱o止，所以被稱作定子；一個(gè)轉(zhuǎn)子，通常在定子內(nèi)旋轉(zhuǎn)，有時(shí)在外面旋轉(zhuǎn)。銜接在轉(zhuǎn)子和定子上的磁鐵依次相互排斥或吸引，從而引發(fā)旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生扭矩。自19世紀(jì)末誕生以來，這種簡單的設(shè)備一直在不斷地被改進(jìn)。根據(jù)Turntide Technologies公司的首席技術(shù)官Hellinga的介紹，這種設(shè)計(jì)能長久存在的原因是其制造簡單。

Hellinga說：“許多工廠采用此類設(shè)計(jì)，原因是這種設(shè)計(jì)相對便宜。不過價(jià)格因素讓人忽視了電機(jī)消耗的大量能源，并且供應(yīng)鏈的設(shè)置方式意味著電機(jī)的制造者并非實(shí)際能源消耗者。此外，由于能源價(jià)格走高，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)前急需電機(jī)技術(shù)創(chuàng)新?！?

雖然大多大型汽車制造商仍然在觀望該領(lǐng)域的創(chuàng)新，但規(guī)模較小的公司和初創(chuàng)公司早已積極推動(dòng)對電機(jī)概念的重塑。

總部位于比利時(shí)科特賴克的Magnax公司所做的創(chuàng)新便是重新思考電機(jī)內(nèi)的電磁相互反應(yīng)，從而減少電機(jī)重量、尺寸和成本。由于空氣傳輸磁通量效果不佳，他們的設(shè)計(jì)旨在把轉(zhuǎn)子和定子齒部的空氣間隙減到最小。傳統(tǒng)的徑向磁通電機(jī)將轉(zhuǎn)子置于定子內(nèi)，而Magnax公司的軸向磁通電機(jī)的布局則相反。該設(shè)計(jì)使用了兩個(gè)轉(zhuǎn)子，各位于定子的一邊，將其圍住。在這種配置中，定子支撐起電磁齒輪，但并不充當(dāng)轉(zhuǎn)子的支撐或軛（圖2）。

圖2. Magnax公司的軸流式電機(jī)有兩個(gè)轉(zhuǎn)子包圍著中間的定子，沒有軛，并且將定子重量減少三分之二，從而提高了電機(jī)的功率密度。來源：Magnax (public domain)。

軛是一個(gè)占定子質(zhì)量三分之二的鋼制圓筒。若沒有軛，電機(jī)重量可大大減輕，該公司估計(jì)這一做法可讓電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航能力提升7%。相比于老式有軛軸流式電機(jī)，無軛電機(jī)的功率密度提升一倍多，比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)功率密度高4倍。無軛軸流設(shè)計(jì)還有其他優(yōu)點(diǎn)，比如，與功率和扭矩相似的徑向流電機(jī)相比，定子只需要60%左右的銅，轉(zhuǎn)子只需80%左右的磁性材料。該公司稱其計(jì)劃于2022年開始每年生產(chǎn)25 000臺(tái)電機(jī)。

Linear Labs公司（位于美國得克薩斯州達(dá)拉斯-沃斯堡）采用了另一種方式，該公司選擇在一個(gè)電機(jī)中結(jié)合軸向和徑向磁通設(shè)計(jì)。該公司的“三維（3D）周向通量電機(jī)”（three-dimensional circumferential flux motor）包括圍繞定子的4個(gè)轉(zhuǎn)子。中央轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)部旋轉(zhuǎn)，而第二個(gè)轉(zhuǎn)子在定子外部旋轉(zhuǎn)。另外兩個(gè)轉(zhuǎn)子分別位于定子的左右兩端，總共有4個(gè)磁通源，各個(gè)轉(zhuǎn)子在運(yùn)動(dòng)的方向上都會(huì)產(chǎn)生扭矩。據(jù)該公司介紹，這樣一來，在低轉(zhuǎn)速下的電機(jī)產(chǎn)生的扭矩輸出是其他電機(jī)的2~3倍，并且電機(jī)保持扭矩和速度范圍的整體效率是標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)平均效率的2倍。此外，由于在低轉(zhuǎn)速下也可以高效工作，Linear Labs公司在電機(jī)設(shè)計(jì)上并不需要減速齒輪箱（減速齒輪箱從驅(qū)動(dòng)電機(jī)中獲取每分鐘10 000轉(zhuǎn)左右的轉(zhuǎn)速，并且增加扭矩的同時(shí)降低車輪的速度），從而減少汽車重量，降低成本。Linear Labs公司稱其已經(jīng)開始大規(guī)模生產(chǎn)該電機(jī)，并計(jì)劃到2021年年底時(shí)共制造100 000臺(tái)電機(jī)。

其他制造商設(shè)計(jì)的電機(jī)已經(jīng)完全摒棄了大多數(shù)電機(jī)都有的一個(gè)組件——永磁體。這些以稀土為原材料的磁體可以自行創(chuàng)造連續(xù)磁場，從而產(chǎn)生高扭矩密度。然而，稀土價(jià)格昂貴，在2020年6月至2021年8月，一種電機(jī)中更為常用的稀土——釹的價(jià)格翻了一番。此外，稀土開采還會(huì)產(chǎn)生有毒化學(xué)物質(zhì)，導(dǎo)致環(huán)境問題。

即便面臨這些問題，一些專家認(rèn)為永磁體仍會(huì)被廣泛使用。德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院（Karlsruhe Institute of Technology in Germany）混合動(dòng)力電汽車專業(yè)教授Martin Doppelbauer說：“坦白說，我目前沒有看到脫離永磁體的趨勢，因?yàn)橛来朋w功率密度最高、性能最佳，大多數(shù)人都會(huì)使用。也就是說，我確實(shí)看到大多數(shù)制造商正在開發(fā)永磁電機(jī)的替代品，以防稀土材料價(jià)格再次上漲時(shí)需要它們?！?

美國威斯康星州密爾沃基的馬凱特大學(xué)（Marquette University）的電氣和計(jì)算機(jī)工程學(xué)教授Ayman EL-Refaie正和通用汽車公司合作，開發(fā)不含稀土的傳動(dòng)系統(tǒng)。雖然他發(fā)現(xiàn)了無稀土永磁電機(jī)有潛在需求，但是實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)依然困難。他說：“設(shè)計(jì)上試圖移除這些磁體時(shí)遇到了種種困難，比如加大機(jī)器尺寸以彌補(bǔ)功率損失時(shí)，使用不含稀土材料的磁體將有永久退磁的風(fēng)險(xiǎn)?！?

還有一種電機(jī)替代方案，即選擇使用永磁體來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子，使用過程中僅使用電磁力。但該轉(zhuǎn)子中放置銅繞組的設(shè)計(jì)還需要將電力傳輸?shù)揭苿?dòng)目標(biāo)身上，且接觸點(diǎn)會(huì)隨時(shí)間產(chǎn)生磨損。位于德國斯圖加特的Mahle公司試圖克服這一挑戰(zhàn)。這家汽車零部件公司已經(jīng)建造出的電機(jī)既不需要稀土也不需要物理接觸。以無線方式將動(dòng)力傳送給轉(zhuǎn)子，從而激發(fā)繞組產(chǎn)生電磁場（圖3）。該公司預(yù)計(jì)在2023年或2024年開始大規(guī)模生產(chǎn)用于乘用車的電機(jī)。其他初創(chuàng)公司，包括Powdermet公司（位于美國俄亥俄州）和Turntide Technologies公司，正在設(shè)計(jì)不依賴永磁體的電機(jī)，而汽車行業(yè)的中堅(jiān)力量，如東風(fēng)日產(chǎn)、寶馬、豐田和大眾也正在研究如何盡量減少電機(jī)中永磁體的使用。

圖3. 馬勒（Mahle）公司的無永磁體電機(jī)中，以無線方式傳入轉(zhuǎn)子的電力給繞組通電，僅靠電磁力便可轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子。這種無觸點(diǎn)感應(yīng)的方式節(jié)省了耗損。這種設(shè)計(jì)還可以調(diào)整轉(zhuǎn)子的磁性，從而在工作速度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的效率。來源：Mahle (public domain)。

一些公司，包括日本電產(chǎn)株式會(huì)社（日本東京）和Protean（英國法納姆），并不追求為中央傳動(dòng)系統(tǒng)制造更強(qiáng)大、更高效的電機(jī)，而是探索在車輪上放置更小的電機(jī)。該方法將優(yōu)化電動(dòng)汽車重力分配，消除電機(jī)艙需求，最大限度減少扭矩傳輸帶來的損失，由此提高效率以及可操作性。日本電產(chǎn)株式會(huì)社聲稱，僅一個(gè)輪轂電機(jī)便可實(shí)現(xiàn)100 kW的最大功率輸出——相當(dāng)于一個(gè)1.8 L的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)這樣一個(gè)電機(jī)僅重32 kg并且適用于50 cm的輪子，而Protean公司稱其重36 kg的輪轂電機(jī)就可輸出80 kW的功率。

除了設(shè)計(jì)上的根本性變化，Doppelbauer認(rèn)為電機(jī)最重要的創(chuàng)新在生產(chǎn)領(lǐng)域，特別是定子內(nèi)部的銅繞組創(chuàng)新?！半姍C(jī)生產(chǎn)需要許多手工作業(yè)，并且有幾道工序難以保障質(zhì)量控制。以繞組為例，絕緣層可能存在缺陷，這個(gè)潛在的危險(xiǎn)有可能導(dǎo)致電機(jī)壽命縮短并最終使電機(jī)失效?！?

用有矩形截面的發(fā)夾式繞組替代傳統(tǒng)圓形繞組，讓熱應(yīng)力更高，并且優(yōu)化定子內(nèi)部空間的使用方式，以確保產(chǎn)生更高的扭矩和持續(xù)的輸出。彎曲過程自動(dòng)化也比圓形繞組更簡單，有利于大規(guī)模生產(chǎn)。Doppelbauer說：“發(fā)夾式繞組的缺點(diǎn)在于，對自動(dòng)化水平要求非常高，因此生產(chǎn)的前期成本很高。”他補(bǔ)充道：“保時(shí)捷公司在其Taycan電動(dòng)汽車的電機(jī)自動(dòng)化方面做得特別成功（圖4）?！?

圖4. 保時(shí)捷公司已經(jīng)為其Taycan電動(dòng)汽車開發(fā)了一種自動(dòng)化工藝，該工藝用于制造發(fā)夾式繞組而非圓形繞組的電機(jī)，這些繞組具有更高的熱應(yīng)力，并優(yōu)化了定子內(nèi)部空間以確保電機(jī)產(chǎn)生更高的扭矩。來源：Porsche (public domain)。

Doppelbauer指出，另外一個(gè)和生產(chǎn)相關(guān)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)是冷卻技術(shù)。一般來說，盤繞在定子外殼上的水管會(huì)有水循環(huán)。像Equipmake（英國諾里奇）等公司正在探索增材制造技術(shù)來增加電機(jī)內(nèi)部的表面積，從而減少冷卻。

不論創(chuàng)新是優(yōu)化生產(chǎn)設(shè)計(jì)或是從頭開始再設(shè)計(jì)，EL-Refaie說制造商都需要采取長期方法?！耙恍┕疽恢敝恢塾诙唐谛б?，選擇采取循序漸進(jìn)的方式實(shí)現(xiàn)變革。然而，如果要提出完全不同的電機(jī)設(shè)計(jì)，或者開發(fā)新的材料或制作工藝，開發(fā)人員需要具有前瞻性，并且開放地采取一些技術(shù)手段，以便在激烈的競爭中取勝。”

注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整，若需可查看原文。

改編原文：

Chris Palmer.The Drive for Electric Motor Innovation[J].Engineering,2022,8(1):9-11.