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50余款新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)展趨勢(shì)!

發(fā)布時(shí)間：2023年4月3日 | 文章來(lái)源：電機(jī)行業(yè)觀察 | 瀏覽次數(shù)：2,262 | 訪問(wèn)原文
? ?本文梳理了電動(dòng)汽車用電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，根據(jù)目前已經(jīng)量產(chǎn)的50多家電動(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，從不同的方向進(jìn)行一個(gè)描述總結(jié)。從電機(jī)的角度主要的研發(fā)現(xiàn)狀可以總結(jié)為以下幾點(diǎn)：
電機(jī)類型永磁化
? ? ? ?永磁化已經(jīng)成為了行業(yè)的標(biāo)配，電勵(lì)磁及感應(yīng)電機(jī)的研發(fā)應(yīng)用逐漸增多。另外，一些特種電機(jī)的研發(fā)也在持續(xù)的進(jìn)行。如開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)、軸向電機(jī)、無(wú)稀土永磁電機(jī)等。目前市場(chǎng)上的各種純電和混動(dòng)新能源汽車，永磁同步電機(jī)占多數(shù)，感應(yīng)電機(jī)占一小部分。相比永磁同步電機(jī)，交流感應(yīng)電機(jī)體積較大，但是價(jià)格適中，但是感應(yīng)電機(jī)可以做得功率很大并且不存在退磁問(wèn)題，所以一些大型車或者追求性能的電動(dòng)汽車，比如特斯拉Model S和蔚來(lái)ES8，都采用感應(yīng)電機(jī)?？偟内厔?shì)來(lái)講，永磁化是一個(gè)方向，不過(guò)在大功率以及高速的應(yīng)用下感應(yīng)電機(jī)還是有自己的一席之地。
其他類型的電機(jī)主要是在特種車輛上進(jìn)行應(yīng)用；開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)：Turntide Technologies公司通過(guò)在電機(jī)中放置傳感器來(lái)追蹤轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)，已經(jīng)克服了很多此類電機(jī)的問(wèn)題。工程師使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法來(lái)確定開(kāi)關(guān)電流的正確時(shí)間。工程師設(shè)計(jì)出一種無(wú)傳感器開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)，將振動(dòng)最小化。

軸向磁通電機(jī)：比利時(shí)Magnax公司的產(chǎn)品減少電機(jī)重量、尺寸和成本。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。電機(jī)使用了SRS的方式，兩個(gè)轉(zhuǎn)子，各位于定子的一邊。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。軛是一個(gè)占定子質(zhì)量三分之二的鋼制圓筒。若沒(méi)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%。

雙向磁通電機(jī)：Linear Labs公司（位于美國(guó)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)”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。

扁線電機(jī)or圓線電機(jī)
? ? ? ?扁線電機(jī)滲透率快速提升。2021 年特斯拉換裝國(guó)產(chǎn)扁線電機(jī)，帶動(dòng)滲透率大幅提升，扁線電機(jī)的趨勢(shì)已經(jīng)確定。眾多潛在爆款車型使用扁線電機(jī)，預(yù)計(jì)?2025 年滲透率將快速提升至 95%。眾多高端車型均搭載扁線電機(jī)，比亞迪的 DMI 車型和 e++平臺(tái)全系都是扁線電機(jī)，大眾 MEB、蔚來(lái) ET7、智己 L7、極 氪 001 等明星車型采用的都是扁線電機(jī)。扁線電機(jī)能大幅度提升轉(zhuǎn)換效率。在WLTC工況，扁線電機(jī)比傳統(tǒng)圓線電機(jī)的轉(zhuǎn)換效率高 1.12%；在市區(qū)工況（低速大扭矩），兩者效率值相差10%。按照典型的續(xù)航500km的 A 級(jí)轎車（搭載 60kwh電池包和 150kw 電機(jī)）計(jì)算，WLTC 工況下，搭載扁線電機(jī)的電池成本節(jié)約 672 元，市區(qū)工況下，電池成本節(jié)約 6000 元。

? ? ???扁線的槽滿率大于圓線，當(dāng)槽滿率越高時(shí)相同功率電機(jī)所需要的銅線更短，進(jìn)而電阻降低發(fā)熱減少。從理論上來(lái)說(shuō)，圓線的凈槽滿率一般在約40%左右，而扁線則可以提升至70%。由于圓線的截面為圓形，不可避免在導(dǎo)線間存在不規(guī)則縫隙，而扁線間的間隙更小，槽滿率更高。扁線電機(jī)的高效率區(qū)間比圓線電機(jī)高出許多，圓線電機(jī)的高效區(qū)一般要求是效率＞85%的區(qū)間占比不低于 85%，被稱為“雙 85”。而扁線電機(jī)的效率>90%的 區(qū)間占比不低于 90%，被稱為“雙 90”。電機(jī)的效率與轉(zhuǎn)速和扭矩相關(guān)，市區(qū)工況中出現(xiàn)的頻繁啟停工況屬于低轉(zhuǎn)速 高扭矩工況，而這正是圓線電機(jī)的低效率區(qū)間，而扁線電機(jī)在該工況下的轉(zhuǎn)換效率更高。
扁線電機(jī)散熱性能好：溫升相對(duì)圓線電機(jī)降低10%。因扁線相對(duì)圓線更為緊密的接觸，散熱性提升，研究發(fā)現(xiàn)高槽滿率下繞組間的導(dǎo)熱能力是低槽滿率的150%。繞組在熱傳導(dǎo)能力上具有各向異性，軸向的熱傳導(dǎo)能力是徑向方向的100倍。更低的溫升條件下，整車可以實(shí)現(xiàn)更好的加速性能。電磁噪音低：整車更安靜。?扁線電機(jī)導(dǎo)線的應(yīng)力比較大，剛性比較大，電樞具備更好的剛度，對(duì)電樞噪 音具有抑制作用；可以取相對(duì)較小的槽口尺寸，有效降低齒槽力矩，進(jìn)一步降低 電機(jī)電磁噪音。

小體積帶來(lái)高集成效率，契合多合一電驅(qū)發(fā)展趨勢(shì)：因扁線更高的槽滿率，同功率電機(jī)銅線用量和對(duì)應(yīng)定子較少，體積有望下降30%。此外，扁線電機(jī)因更為先進(jìn)繞線方式帶來(lái)更易裁剪的電機(jī)端部，與圓線電 機(jī)相比減少15-20%的端部尺寸，空間進(jìn)一步降低，實(shí)現(xiàn)電機(jī)小型化和輕量化。

扁線電機(jī)大規(guī)模應(yīng)用也需要克服一些缺點(diǎn)，比如良品率低，轉(zhuǎn)速上不去，標(biāo)準(zhǔn)化難以及專利壁壘等。在高端車型中為滿足對(duì)高性能的追求，搭配扁線電機(jī)數(shù)量也開(kāi)始由原來(lái)的單電機(jī)增加到雙電機(jī)，例如保時(shí)捷首款純電動(dòng)跑車Taycan，甚至部分車型會(huì)搭配三電機(jī)。
絕緣?車規(guī)級(jí)新能源汽車用扁線對(duì)耐熱性要求高，主要采用耐溫≥180℃的聚酯亞胺漆包線漆、聚酰胺酰亞胺漆包線漆、聚酰亞胺漆包線漆這三種耐高溫絕緣材料進(jìn)行漆包。聚酯亞胺漆具有較好的電氣性能和機(jī)械強(qiáng)度，且耐熱沖擊和耐軟化擊穿。在180級(jí)及以上復(fù)合涂層漆包線制造中作為底漆涂層的主要材料，在高附著和耐氟利昂的家用電器中得到廣泛應(yīng)用。聚酰胺酰亞胺漆耐熱性高，不僅漆膜硬度和非軟化性很大，并且對(duì)導(dǎo)體粘合力較高，最先得到產(chǎn)業(yè)化，可在 210℃下長(zhǎng)期使用。用于耐高溫電機(jī)電氣電子元件的線圈繞組，被用作電磁線的絕緣涂層。聚酰亞胺漆耐熱性能優(yōu)異，同時(shí)能夠耐老化，耐高壓電擊穿等。其主要運(yùn)用 于絕緣漆覆包電磁線，或作為耐高溫涂料應(yīng)用于電氣行業(yè)、航空航天、石油管道 等。
高壓化
研究方向：800V 被認(rèn)為是下一代電動(dòng)車必經(jīng)之路，2019 年保時(shí)捷發(fā)布全球首款 800V 車型 Taycan?，F(xiàn)代 E-GMP5、奔馳 EVA、通用第三代純電動(dòng)平臺(tái)以及大眾 Trinity， 都選擇了800V 電壓平臺(tái)。吉利SEA浩瀚平臺(tái)、廣汽、奇瑞、上汽等車企都在規(guī)劃800V的方案，800V成為車企新一輪競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)。優(yōu)勢(shì)：800V能顯著降低高壓線束線徑，減少發(fā)熱，降低質(zhì)量，節(jié)約線束成本。電壓等級(jí)從400V提高800V，根據(jù)最簡(jiǎn)單的P=UI，在輸出相同功率的情況下，800V系統(tǒng)所傳輸?shù)碾娏骶透?，線纜線徑和重量就可以降低，節(jié)省線束的成本及安裝空間。

劣勢(shì)：800V平臺(tái)下電暈腐蝕出現(xiàn)概率增加，電暈腐蝕會(huì)對(duì)電機(jī)絕緣造成重大危害。電暈放電是指氣體介質(zhì)在不均勻電場(chǎng)中的局部自持放電，是最常見(jiàn)的一種氣體放電形式。通常發(fā)生在在曲率半徑很小的尖端電極附近，如繞組出槽口處、繞組絕緣層內(nèi)部等。電暈即氣隙放電，部分能量轉(zhuǎn)換為光、熱、聲、 電磁等，會(huì)造成

1）熱效應(yīng)局部溫度升高，絕緣老化等；

2）機(jī)械損壞，大量帶電 離子“電子和正負(fù)離子”以高能量和高速度撞擊，造成絕緣層機(jī)械強(qiáng)度降低、局部放電區(qū)域絕緣層出現(xiàn)麻點(diǎn)、麻坑、孔眼等絕緣失效問(wèn)題；

3）化學(xué)損壞，氣體局部 放電形成臭氧，臭氧化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，易生成氧化氮，再與水蒸氣反應(yīng)生成硝酸， 腐蝕絕緣層。

技術(shù)路線：要滿足800V的技術(shù)要求，主要通過(guò)兩種技術(shù)路線：1）厚漆膜工藝，2）薄 漆膜+PEEK 膜包工藝；提升漆膜厚度是最簡(jiǎn)單有效的途經(jīng)，漆包線的絕緣性能與漆膜厚度成正比，?現(xiàn)在主流的新能源扁線的結(jié)構(gòu)是：內(nèi)層為銅扁線導(dǎo)體，根據(jù)扁線性能要求和使用 領(lǐng)域不同，銅扁線導(dǎo)體外涂設(shè)有二層或者三層絕緣漆膜，漆膜具體包括底漆層、 耐電暈漆層和面漆層。第一層為聚酯亞胺或者聚酰胺酰亞胺漆膜，第二層為耐電 暈漆膜，第三層為聚酰胺酰亞胺或者聚酰亞胺漆膜。

冷卻形式多樣化
? ? ??電動(dòng)機(jī)主要冷卻方式有自然冷卻、風(fēng)冷和液冷。在電機(jī)必須封閉防護(hù)，或者無(wú)強(qiáng)風(fēng)的應(yīng)用環(huán)境中，采用最多的是內(nèi)油冷方式，比如AVL設(shè)計(jì)的高速電機(jī)采用的定子槽內(nèi)油冷的方式的組合。有些電機(jī)也采用繞組噴油冷卻+定子油冷+轉(zhuǎn)子油冷等多種方式的組合。

液冷的形式：電機(jī)冷卻系統(tǒng)處于較低溫度時(shí)，冷卻液泵不工作。溫度上升后，冷卻液泵工作。冷卻液泵的工作溫度不能超過(guò)75℃，最合適的工作溫度應(yīng)該低于65℃。電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)與控制器的冷卻系統(tǒng)主要依靠冷卻水泵帶動(dòng)冷卻液在冷卻管道中循環(huán)流動(dòng)，通過(guò)在散熱器的熱交換等物理過(guò)程，冷卻液帶走電動(dòng)機(jī)與控制器產(chǎn)生的熱量。為使散熱器熱量散發(fā)更充分，通常還在散熱器后方設(shè)置風(fēng)扇。電動(dòng)機(jī)在工作時(shí)，總是有一部分損耗轉(zhuǎn)變成熱量，它必須通過(guò)電動(dòng)機(jī)外殼和周圍介質(zhì)不斷將熱量散發(fā)出去，這個(gè)散發(fā)熱量的過(guò)程，我們就稱為冷卻。

?水道設(shè)計(jì)要點(diǎn)：水道截面尺寸增大，其冷卻水流速將下降，水道對(duì)流傳熱系數(shù)也將減小，受冷卻水套機(jī)械強(qiáng)度的限制，水道截面尺寸不能無(wú)限制增大；若水道截面尺寸減小，冷卻水流速將增加，其對(duì)流傳熱系數(shù)增大，但流動(dòng)阻力也將增大。水道截面尺寸增大，其冷卻水流速將下降，水道對(duì)流傳熱系數(shù)也將減小，受冷卻水套機(jī)械強(qiáng)度的限制，水道截面尺寸不能無(wú)限制增大；若水道截面尺寸減小，冷卻水流速將增加，其對(duì)流傳熱系數(shù)增大，但流動(dòng)阻力也將增大。可見(jiàn)，在設(shè)計(jì)冷卻水套時(shí)，除了工藝實(shí)施性和造價(jià)因素之外，更需要考慮括冷卻水套水頭損失分析、水道內(nèi)的對(duì)流傳熱分析以及整個(gè)水套的機(jī)械應(yīng)力分析與計(jì)算。利用熱流仿真分析軟件可以對(duì)電機(jī)的冷卻水套進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)最佳散熱性能和最小泵功消耗的最佳匹配。
高功率化
高功率密度，整車動(dòng)力更強(qiáng)勁。?電機(jī)的功率與銅含量成正相關(guān)，扁線電機(jī)槽滿率提升，相同體積下銅線填充量增加20-30%，輸出功率有望提升20-30%，整車動(dòng)力 更強(qiáng)勁。國(guó)外如大眾、沃爾沃、克萊斯勒等驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速不斷提升，最高達(dá)到14k~16krpm；從繞組結(jié)構(gòu)上看，發(fā)卡式繞組/扁導(dǎo)線繞組（通用、豐田、本田、戴姆勒等）成為明確的技術(shù)方向之一，電機(jī)功率密度均達(dá)到3.8~4.5kW/L以上；無(wú)/低重稀土材料已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用。國(guó)家政策層面倡導(dǎo)高電機(jī)功率密度。“十三五”規(guī)劃中提出，新能源乘用車電 機(jī)功率密度應(yīng)滿足4.0kw/kg，高于當(dāng)前圓線電機(jī)約 3.5kw/kg 的水平。在圓線電機(jī) 功率密度提升進(jìn)入困難模式的當(dāng)前，發(fā)展扁線電機(jī)是必然之路，根據(jù)摩恩電氣的 公告顯示，當(dāng)前領(lǐng)先企業(yè)的扁線電機(jī)的功率密度約4.5kw/kg。美國(guó)DOE2025的電機(jī)功率密度指標(biāo)大于等于5.7kW/kg。英國(guó)的Equipmake號(hào)稱要研制峰值功率密度20kW/kg的破紀(jì)錄電機(jī)。不過(guò)最后做了幾輪的嘗試，第一臺(tái)電動(dòng)機(jī)稱為APM120，重量?jī)H為14 kg，可在12，000 rpm下獲得125 kW的峰值功率。此外，連續(xù)功率為75kW，峰值扭矩為130Nm。計(jì)算可知，功率密度約為9 kW/kg。第二臺(tái)電動(dòng)機(jī)性能更強(qiáng)勁，稱為APM 200，重達(dá)40 kg，可在10，000 rpm下獲得220 kW的峰值功率。此外，連續(xù)功率為110 kW，峰值扭矩為450 Nm。計(jì)算可知，功率密度約為5.5 kW/kg。
高速化
? ? ? ? 在電驅(qū)動(dòng)總成輸出轉(zhuǎn)矩和功率不變約束下，通過(guò)提高驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速器最高轉(zhuǎn)速，降低電機(jī)體積和重量，提高功率密度水平。大眾、沃爾沃、克萊斯勒等國(guó)外汽車企業(yè)通過(guò)不斷提升電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)降低電機(jī)體積和重量，大眾汽車模塊化電驅(qū)動(dòng)平臺(tái)（MEB 平臺(tái)）電機(jī)最高達(dá)到16000rpm，沃爾沃與克萊斯勒電機(jī)最高轉(zhuǎn)速需求達(dá)到14000rpm，特斯拉Model3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速達(dá)到17900rpm。??我國(guó)驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率密度、效率等整體技術(shù)提升很快，技術(shù)水平與國(guó)外同類產(chǎn)品相當(dāng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)重量比功率已達(dá)到 4.0kW/kg 以上新能源電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)呈高速化發(fā)展趨勢(shì)，轉(zhuǎn)速水平從主流的15000rpm升級(jí)到18000rpm甚至20000rpm轉(zhuǎn)以上。但是高速化帶來(lái)的散熱、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、振動(dòng)噪音、高效設(shè)計(jì)、軸承等問(wèn)題又不得不去解決。高速電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)必須要克服的離心應(yīng)力，一般在“高速”的范圍內(nèi)采用金屬護(hù)套、轉(zhuǎn)子本身結(jié)構(gòu)等，而在超過(guò)18000的范圍內(nèi)采用碳纖維纏繞。