山東科大高材生突破電機：每分鐘十萬轉，功率密度7kW/kg，所用稀土材料減少70%

思邈 2022-10-30 21:26:58 來源：量子位

鄧思邈 發自 副駕寺

智能車參考 | 公眾號 AI4Auto

這個永磁同步電機，轉速竟然達到了每分鐘10萬轉。

兩倍于曾經最好記錄保持者，甚至被稱贊為世界上轉速最快的電機。

而且能量轉換效率達到95%，功率密度最高可以達到7kW/kg，對電動車續航提升有明顯改善作用。

研究團隊來自澳大利亞新南威爾士大學，其中就包括一名華人小哥，還是山東科技大學校友。

每分鐘十萬轉電機？

據研究人員介紹，這是世界上轉速最快的內置式永磁同步電機，其中轉子由疊片壓制而成。

設計靈感，來自韓國最長的鐵路橋Gyopo。

該電機功率是5kW，轉速最快可以達到10萬轉每分鐘，兩倍于目前采用疊片結構的內置式永磁同步電機最好記錄保持者。

該電機轉子表面線速度為154m/s（線速度=角速度×半徑），能量轉換效率為95%。

難度值為2.23×10^5 rpm√kW，超過了之前10萬轉每分鐘電機的保持記錄：1.85×10^5 rpm√kW。

順便解釋一下，難度值=電機轉速與功率平方根的乘積，我們通常把轉速超過1萬轉/分鐘或難度值超過1×10^5的電機稱為高速電機。

具體細看，之所以能實現轉速上的突破，主要在于他們設計了一種新轉子拓撲結構，提高了電機的穩健性，還減少了每單位功率輸出所需稀土材料數量。

得益于轉子結構的顯著增強，該電機的機械安全系數比目前市售的電動車電機高出1.5~2倍，而且這種轉子也不需要用到表貼式永磁轉子常用的保護措施，例如碳纖維或合金護套。

△特斯拉的電機

這樣一來，所需的稀土材料減少了70%，大大降低了原材料成本。

這種高速電機，之所以能對電動車續航產生作用，主要因為功率密度高，最大可以達到7kW/kg。

與提供相同功率的電機相比，功率密度高的電機重量會更輕一些，車的總質量也隨之變輕，所以可以減少能耗，提升電動車續航。

為了更好從實驗室走出去，研究團隊表示，電機的轉速和功率密度可以靈活調整，如需適配特斯拉，只要花上半年~1年時間即可調整好規格。

原因在于，他們有自己的機械設計軟件包，只需輸入轉速或功率密度等各種參數，系統運轉幾周后，就能自行優化設計，最終達成目標。

比如，這臺實驗室里的高速電機，就可以改造成200kW、18000rpm轉速的電機，能夠滿足市場對電動車電機的需求。

值得一提的是，這臺高速電機得以誕生，還借助了研究團隊自研的一套AI輔助優化程序，這套程序能夠對一系列物理相關因素進行評估，例如電氣、磁力、機械和熱力等。

他們對90種設計方案進行評估，選擇其中前50%來生成新設計，并重復迭代過程，直到達到所需的最佳效果，最終敲定的這版電機是該程序分析出來的第120代。

具體使用場景方面，研究人員介紹稱，除了用于電動車，還可應用于大型供暖、通風和空調系統；應用于航空、機器人行業，因為他們對高精度數控機床要求很高；同時還可以作為飛機發動機內部的集成驅動電機，為飛機供電。

電動車電機，發展到哪一步了？

作為新能源車的“動力心臟”、三大核心部件之一，電機直接決定了車輛的爬坡、加速、最高速等重要指標的性能。

新能源車驅動電機包括直流電機、交流異步電機、永磁同步電機、開關磁阻電機，其中永磁同步電機在我國應用最為廣泛。

中航證券研報顯示，2019年我國新能源汽車電機裝機車輛中，永磁同步電機裝機量120.98萬臺，占比達到97.51%，主要應用在乘用車領域，交流異步電機和其他類型電機裝機量不足3%。

永磁同步電機就是在制造電機轉子時加入永磁體，使電機的性能進一步提升；而同步指的是轉子的轉速與定子繞組的電流頻率始終保持一致。

主要由定子、轉子和端蓋等部件構成，其中定子包括定子鐵芯和定子銅線繞組，轉子的核心是永磁磁芯。

永磁同步電機具有較高的功率密度和轉矩密度，即體積小、質量輕、可靠性高、調速精度準、響應速度快；缺點是最大功率低，成本較高，存在高溫下退磁的風險。

其成本主要來源于永磁材料、硅鋼片、漆包線和制造成本，這里的永磁材料一般指金屬永磁、鐵氧體永磁和稀土永磁（釹鐵硼），占總成本高達30%。

據公開資料顯示，目前國內新能源汽車電機生產企業主要分為四類：

△來自中航證券研報

• 一類是具有整車及零部件生產經驗的企業，例如比亞迪、特斯拉、北汽新能源等；
• 第二類是具有其他領域傳統電機生產經驗的企業，例如方正電機、大洋電機、江特電機等；
• 第三類是專門針對新能源汽車成立的電機企業，例如深圳大地和、上海大郡動力、精進電動、天津松正等。
• 第四類是國際汽車零部件企業，主要包括博世、采埃孚、博格華納、法雷奧西門子等。

目前新能源汽車驅動電機在性能方面，有以下5點要求：

首先是功率密度要高。

大部分工業場景空間巨大，以滿足工業需求為第一目的，電機的體積限制并不突出。但在新能源汽車上，電機的尺寸和重量直接影響汽車的動力性能和駕駛體驗，電機設計的方向與難點在于體積小、質量輕、功率大，這就需要盡可能提高功率重量密度和功率體積密度。

美國電動車Lucid Air的電機不僅體積小，峰值功率還高——單個電機重量為73kg，功率密度超過7kw/kg，單電機功率可達到499kW。

相比之下，特斯拉的高性能電機重量為134kg。

其次是調速范圍寬。一般來說，新能源汽車電機的調速范圍越寬越好，最高轉速應該達到基礎轉速的4倍以上。

就比如特斯拉Model S基本款的電機最高轉速可達18000轉/分鐘，比亞迪E平臺3.0的電機最高轉速超過17000轉/分鐘。

電機轉速高的話，體積就會遠小于功率普通的電機，而且未來高轉速電機將會成為明顯趨勢。

第三是起動轉矩大。

由于汽車強調百公里加速等性能指標，新能源汽車的驅動電機在起動或低速時要求超高轉矩，這樣能將汽車速度以最快的方式泵升至期望速度。

第四是高效區間廣，新能源汽車的驅動電機需要擁有盡可能廣的高效率運行區間。

正常路況下汽車不會頻繁起動，也不會持續超高速運行，更多的情況是在勻速行駛中進行加速或減速動作，因此中間部分的運行效率就尤其重要。

最后是散熱需求強。

由于新能源汽車電機體積小，但同時對功率密度要求又高，散熱問題也隨之而來。

一般來說，電機的能量轉換效率大約在90%以上，峰值效率大約在95%左右，平均能量損耗大約10%，這10%的能量損耗多以發熱的形式體現，因此電機對散熱需求較強。

這么看來，上文提到的每分鐘10萬轉電機，就是在轉速、功率密度和成本上獲得了技術優勢。

研究團隊介紹

整個團隊由兩位博士牽頭：Guoyu Chu和Rukmi Dutta。

Guoyu Chu，中國籍科學家，2014年本科畢業于山東科技大學電氣與自動化工程學院，后來在新南威爾士大學電氣工程專業碩博連讀，2021年博士畢業。

他在IEEE（電氣與電子工程師協會）期刊上一共發表了6篇論文，均與內置式永磁同步電機相關。

他做過的研究項目還包括外科手術的快速溫度控制系統，以及環保的供暖、通風和空調系統等。

目前，他留校在電氣工程與電信學院擔任實驗室助理和助理研究員。

Rukmi Dutta，是新南威爾士大學電氣工程與電信學院副教授，專門從事新型電機的設計、控制、電磁場分析和建模等相關研究。

她1995年本科畢業于阿薩姆工程學院電氣工程專業，該校位于印度阿薩姆邦古瓦哈提。

2006年博士畢業于澳大利亞新南威爾士大學電氣工程專業。

截止到目前，她在新南威爾士大學已經工作了12年9個月。