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电机(电驱)热点技术盘点!

2024-08-01 18:01

1  自粘接铁芯


自粘结电机铁芯具有提高电机高功率密度、降低振动、减少噪音、降低温升、增加定转子铁芯强度、精度高、清洁度高、设计灵活、高效节能等优点。


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自粘接铁芯50年前就发明了,早期核心技术被国外垄断,广泛应用于航海探测、航空、轨道交通、军事航天、精密机床电主轴、高速电机等领域。最近几年,随着新能源汽车行业的快速发展,欧洲、美国、日本等国家开始应用在驱动电机上。国内目前也已有较多企业在用自粘接铁芯打样进行验证了,相信很快就有批量应用。


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黑田的点胶技术路


2 无稀土电机


2023年的3月2日,特斯拉动力系统和能源工程高级副总裁德鲁·巴格里诺(Drew Baglino)在公司投资者日活动上表示,新能源汽车大规模推广需要更便宜的价格,特斯拉的下一代永磁电机将完全不使用稀土材料,以降低电子设备的复杂性和成本。


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所谓稀土,虽然有个土字,但其实是指特定种类的稀有金属,一共有镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)、钇(Y)和钪(Sc)等17种。我们目前永磁电机上,以稀土永磁体---钕铁硼磁钢为主。


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资料显示,2017年~2022年,特斯拉已采取了通过优化设计提高效率来减少对稀土依赖的策略,旗下全新Model 3驱动模块的稀土用量已减少了25%,当前特斯拉汽车电动机中使用的稀土元素主要有镝、铽、钕三种,其含量分别为10g、10g、500g。特斯拉计划,未来将三种稀土元素的用量都降至0g。



替换稀土永磁材料路线方面,铁氧体与铝镍钴等常见磁性材料对比钕铁硼性能仍较弱。钐钴材料在性能上与钕铁硼差异较小,但钐钴仍属于稀土永磁材料,不符合 0 稀土的替代需求。硬磁材料之中氮化铁(α“-Fe16N2)在理论性能上具备替代钕铁硼的可能性,但是距离能量产,应该还较远。


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铁氮永磁


去稀土化的几个典型代表产品:


马勒高效无磁电机

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宝马第五代电驱-电励磁电机



法雷奥高压无稀土电机-电励磁同步电机

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采埃孚-感应式无磁同步电机

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AEM公司-无磁钢30000rpm电机

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2024年必定是去稀土化技术发展路线的重要一年。未来我们或许可以看到更多优秀的产品,或者铁氮永磁体的真正商业化应用。


3 电机高速化


新能源乘用车驱动电机的转速,我们亲身经历过从6000~7000rpm到9000、再进步到12000、接着干到了15000,后续又有优秀企业干到了18000~19000rpm。而今年,各大主机厂纷纷突破20000rpm,越来越高,尤其是在最近的这段时间,更是达到巅峰。


2023年之前,量产车最高转速电机头衔属于特斯拉Model S Plaid,接近20000rpm。



进入到2023年之后,不好意思,不断被国产品牌超越了。


首先是1月5日,比亚迪仰望发布,易四方电驱平台横空出世。电机最高转速也达到了20500rpm。


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紧接着埃安夸克电驱、东风马赫E电驱推出。


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随后在4月份的上海车展,一大批新能源汽车及创新的电驱系统粉墨登场,各种黑科技、新技术,激动了全世界汽车行业。


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红旗E001  22000rpm  4月18日上海车展发布


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博格华纳  25000rpm  4月18日上海车展发布


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汇川  20000rpm  4月18日上海车展发布


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哪吒汽车浩智电驱  20000rpm  8月21日公布


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星驱助力路特斯  >20000rpm 9月4-8亮相IAA


智己LS6  21000rpm  10月12日上市


2023年最后一个多月,热闹了。先出场的是余承东,在11月9日智界S7预售发布会上,隆重介绍了全新一代DriveONE 800V高压碳化硅黄金动力平台,行业量产车的最高电机转速22000rpm。而且余承东还特意强调,还有3000rpm预留着、未解锁,也就是已经做出来了25000rpm的电机。


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随后蔚来汽车的李斌,在ET9发布会上也介绍了最新的电驱系统,转速超过20000rpm,而且这款电机还有925V以及连续波绕两个特点,在后续继续深入介绍。


蔚来ET9  20000rpm  12月23日发布


最后,12月28日14:00,小米汽车技术发布会、准时开始,雷军首先介绍的就是小米的超级电机。前两款(V6和V6S)电机转速21000rpm,也非常不错了。但是雷布斯不甘心被截胡呀,所以紧接着公布了小米的第三款电机V8S,电机转速达到了惊人的27200rpm。


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然而,惊喜还没有结束,雷军继续放了个炸弹,在小米实验室、还已经成功预研了更高转速的电机,那就是:


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电机高速化,但是要高到什么程度?27200转是不是完全没必要?35000转是不是根本就无用武之地?我整理了几位大咖的观点。


小鹏电驱总监齐总观点:


站在整车的角度,太高的转速没有实际意义,电机不需要超过2万转的转速。当速比变得特别大的时候,比如从9.6变到10.6的时候,CLTC效率能降低接近0.3%,高速效率能降低1%,这在整车厂是不能够接受的。


庞总观点:


现在电驱的难点不是开发,难在怎么用好。应用端怎么发挥产品的最大效能,这个才更有探讨的价值。


刘博后的观点:


8000转是及格,10000转是良好,15000转是优秀,20000转是艺高人大大,100000万转是愣头青。


4  碳纤维转子


先上图、温故下特斯拉的碳纤维转子,并扣下主题。


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看过小米汽车技术发布会的朋友,应该都知道,确保高转速下的转子结构强度,不仅仅只是有碳纤维缠绕的方案,还有小米提到的超高强度硅钢材料方案。


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在小米发布会之前,我的微信群里面曾讨论过:是否>20000rpm的电机转子都需要优先用碳纤维缠绕?


蜂巢仿真专家刘天师的观点:


● 离心力大小不仅仅是看转速,还要看转子直径。

● 磁桥设计也要考虑。

● 以转子外圈线速度为基准来考虑;线速度150m/s或以下,采用普通硅钢材料即可;线速度在170m/s左右,要用高强度硅钢片;线速度到180m/s或以上,要么用高强度硅钢片、要么用碳纤维方案。

● AVL那个30000rpm的电机、转子外圈线速度才155m/s ,其实用一般的硅钢片就能搞定;而红旗34000rpm的电机、是碳纤维超速试验。


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提到缠绕碳纤维,其实也有很多朋友会说、这种工艺和伺服电机领域转子缠凯夫拉线/无纬带的方式极其相似。但实际上技术要求差异还是挺大的。


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为什么碳纤维包裹转子、能改善强度,碳纤维的特性是什么,干式缠绕湿式缠绕的工艺路线有哪些差异...我们这里就不介绍了,大家可以在网上查到很多资料。我们接着往下说一说国内新能源汽车、驱动电机转子和碳纤维的故事。国内其实最早用上碳纤维的,应该是珠海英搏尔。不过英搏尔采用的是碳纤维护套的工艺,类似下图。


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特斯拉Model S Plaid中出现的碳纤维缠绕,从网上找了下资料,设备原理大概是这样的:


特斯拉的鲶鱼效应,真实、迅速、有效。这两年我们很多主机厂、tier1企业都有在做相关调研和试验。而到了2023年,已是百花齐放、百花争艳了。在我们上期的高转速电机盘点当中、有>20000rpm电驱的企业,实际上都有碳纤维转子。


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一汽红旗 碳纤维转子


大概两年前,有一位朋友就跟我聊起过碳纤维转子,也给我建议过、可以花点心思去研究,最好能做这个碳纤维缠绕设备。剧透一下:目前这位朋友就在小米,我相信小米的巅峰转速电机,一定有他的贡献。我确实动了心思,当时也搜寻了很多资源,比如就找到了德国ROTH。


我还和苏鹏、墨森等都详细交流过。这两家当时都已经在开始给客户做打样了。沟通中发现,现阶段给客户打样,做样机,那是完全没问题的。但是如果想要批量制作,其实是比较有难度的,不仅仅在于缠绕设备的节拍、缠绕的质量,还包括固化的效率。按照当时给我的反馈,需要几十个小时的固化时间,根本实现不了大批量量产。


另外我也找了好多做电机研发的朋友进行沟通,大部分人的观点还是认为碳纤维缠绕只是非常非常小的市场。即使2023年是2万转的元年,后续会有越来越多车型装载高转速电机,但也难以在2024年、让碳纤维电机数量超过30万台。


所以,最终还是因为时间精力和财力有限,放弃了继续研发这个设备。目前除了各大主机厂之外,还有两家专业做碳纤维转子的企业,分别是山东博源精密机械有限公司(天蔚蓝电驱动科技)、嘉兴墨森动力科技有限公司(产品和介绍见下图)。


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按照我之前汇总的信息,碳纤维缠绕的大批量量产,局限于工艺和设备,难度非常大。但是在12月28日小米汽车技术发布会上,我看到了一个新工艺名词:激光原位固化技术。


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小米的这个激光原位固化技术,如果是从碳纤维浸漆胶和固化手段上进行了创新、能在保证预紧力等要求下、大大节约了固化时间,那这项技术,必须要点赞!

来源:电机新视界

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