山东科大高材生突破电机:每分钟十万转、所用稀土材料减少70%

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  这个永磁同步电机,转速竟然达到了每分钟10万转。

  两倍于曾经最好记录保持者,甚至被称赞为世界上转速最快的电机。

  而且能量转换效率达到95%,功率密度最高可以达到7kW/kg,对电动车续航提升有明显改善作用。

  

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  研究团队来自澳大利亚新南威尔士大学,其中就包括一名华人小哥,还是山东科技大学校友。

  每分钟十万转电机?

  据研究人员介绍,这是世界上转速最快的内置式永磁同步电机,其中转子由叠片压制而成。

  设计灵感,来自韩国最长的铁路桥Gyopo。

  

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  该电机功率是5kW,转速最快可以达到10万转每分钟,两倍于目前采用叠片结构的内置式永磁同步电机最好记录保持者。

  该电机转子表面线速度为154m/s(线速度=角速度 x 半径),能量转换效率为95%。

  难度值为2.23×10^5 rpm√kW,超过了之前10万转每分钟电机的保持记录:1.85×10^5 rpm√kW。

  顺便解释一下,难度值=电机转速与功率平方根的乘积,我们通常把转速超过1万转/分钟或难度值超过1×10^5的电机称为高速电机。

  

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  具体细看,之所以能实现转速上的突破,主要在于他们设计了一种新转子拓扑结构,提高了电机的稳健性,还减少了每单位功率输出所需稀土材料数量。

  得益于转子结构的显著增强,该电机的机械安全系数比目前市售的电动车电机高出1.5~2倍,而且这种转子也不需要用到表贴式永磁转子常用的保护措施,例如碳纤维或合金护套。

  

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  △特斯拉的电机

  这样一来,所需的稀土材料减少了70%,大大降低了原材料成本。

  这种高速电机,之所以能对电动车续航产生作用,主要因为功率密度高,最大可以达到7kW/kg。

  与提供相同功率的电机相比,功率密度高的电机重量会更轻一些,车的总质量也随之变轻,所以可以减少能耗,提升电动车续航。

  为了更好从实验室走出去,研究团队表示,电机的转速和功率密度可以灵活调整,如需适配特斯拉,只要花上半年~1年时间即可调整好规格。

  

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  原因在于,他们有自己的机械设计软件包,只需输入转速或功率密度等各种参数,系统运转几周后,就能自行优化设计,最终达成目标。

  比如,这台实验室里的高速电机,就可以改造成200kW、18000rpm转速的电机,能够满足市场对电动车电机的需求。

  值得一提的是,这台高速电机得以诞生,还借助了研究团队自研的一套AI辅助优化程序,这套程序能够对一系列物理相关因素进行评估,例如电气、磁力、机械和热力等。

  他们对90种设计方案进行评估,选择其中前50%来生成新设计,并重复迭代过程,直到达到所需的最佳效果,最终敲定的这版电机是该程序分析出来的第120代。

  

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  具体使用场景方面,研究人员介绍称,除了用于电动车,还可应用于大型供暖、通风和空调系统;应用于航空、机器人行业,因为他们对高精度数控机床要求很高;同时还可以作为飞机发动机内部的集成驱动电机,为飞机供电。

  电动车电机,发展到哪一步了?

  作为新能源车的“动力心脏”、三大核心部件之一,电机直接决定了车辆的爬坡、加速、最高速等重要指标的性能。

  新能源车驱动电机包括直流电机、交流异步电机、永磁同步电机、开关磁阻电机,其中永磁同步电机在我国应用最为广泛。

  中航证券研报显示,2019年我国新能源汽车电机装机车辆中,永磁同步电机装机量120.98万台,占比达到97.51%,主要应用在乘用车领域,交流异步电机和其他类型电机装机量不足3%。

  

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  永磁同步电机就是在制造电机转子时加入永磁体,使电机的性能进一步提升;而同步指的是转子的转速与定子绕组的电流频率始终保持一致。

  主要由定子、转子和端盖等部件构成,其中定子包括定子铁芯和定子铜线绕组,转子的核心是永磁磁芯。

  

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  永磁同步电机具有较高的功率密度和转矩密度,即体积小、质量轻、可靠性高、调速精度准、响应速度快;缺点是最大功率低,成本较高,存在高温下退磁的风险。

  其成本主要来源于永磁材料、硅钢片、漆包线和制造成本,这里的永磁材料一般指金属永磁、铁氧体永磁和稀土永磁(钕铁硼),占总成本高达30%。

  据公开资料显示,目前国内新能源汽车电机生产企业主要分为四类:

  

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  △来自中航证券研报

  一类是具有整车及零部件生产经验的企业,例如比亚迪、特斯拉、北汽新能源等;

  第二类是具有其他领域传统电机生产经验的企业,例如方正电机、大洋电机、江特电机等;

  第三类是专门针对新能源汽车成立的电机企业,例如深圳大地和、上海大郡动力、精进电动、天津松正等。

  第四类是国际汽车零部件企业,主要包括博世、采埃孚、博格华纳、法雷奥西门子等。

  

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  目前新能源汽车驱动电机在性能方面,有以下5点要求:

  首先是功率密度要高。

  大部分工业场景空间巨大,以满足工业需求为第一目的,电机的体积限制并不突出。

  但在新能源汽车上,电机的尺寸和重量直接影响汽车的动力性能和驾驶体验,电机设计的方向与难点在于体积小、质量轻、功率大,这就需要尽可能提高功率重量密度和功率体积密度。

  

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  美国电动车Lucid Air的电机不仅体积小,峰值功率还高——单个电机重量为73kg,功率密度超过7kw/kg,单电机功率可达到499kW。

  相比之下,特斯拉的高性能电机重量为134kg。

  

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  其次是调速范围宽。一般来说,新能源汽车电机的调速范围越宽越好,最高转速应该达到基础转速的4倍以上。

  就比如特斯拉Model S基本款的电机最高转速可达18000转/分钟,比亚迪E平台3.0的电机最高转速超过17000转/分钟。

  电机转速高的话,体积就会远小于功率普通的电机,而且未来高转速电机将会成为明显趋势。

  第三是起动转矩大。

  由于汽车强调百公里加速等性能指标,新能源汽车的驱动电机在起动或低速时要求超高转矩,这样能将汽车速度以最快的方式泵升至期望速度。

  第四是高效区间广,新能源汽车的驱动电机需要拥有尽可能广的高效率运行区间。

  正常路况下汽车不会频繁起动,也不会持续超高速运行,更多的情况是在匀速行驶中进行加速或减速动作,因此中间部分的运行效率就尤其重要。

  

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  最后是散热需求强。

  由于新能源汽车电机体积小,但同时对功率密度要求又高,散热问题也随之而来。

  一般来说,电机的能量转换效率大约在90%以上,峰值效率大约在95%左右,平均能量损耗大约10%,这10%的能量损耗多以发热的形式体现,因此电机对散热需求较强。

  这么看来,上文提到的每分钟10万转电机,就是在转速、功率密度和成本上获得了技术优势。

  研究团队介绍

  整个团队由两位博士牵头:Guoyu Chu和Rukmi Dutta。

  Guoyu Chu,中国籍科学家,2014年本科毕业于山东科技大学电气与自动化工程学院,后来在新南威尔士大学电气工程专业硕博连读,2021年博士毕业。

  

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  他在IEEE(电气与电子工程师协会)期刊上一共发表了6篇论文,均与内置式永磁同步电机相关。

  

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  他做过的研究项目还包括外科手术的快速温度控制系统,以及环保的供暖、通风和空调系统等。

  目前,他留校在电气工程与电信学院担任实验室助理和助理研究员。

  Rukmi Dutta,是新南威尔士大学电气工程与电信学院副教授,专门从事新型电机的设计、控制、电磁场分析和建模等相关研究。

  

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  她1995年本科毕业于阿萨姆工程学院电气工程专业,该校位于印度阿萨姆邦古瓦哈提。

  2006年博士毕业于澳大利亚新南威尔士大学电气工程专业。

  截止到目前,她在新南威尔士大学已经工作了12年9个月。


标签: 高材生 电机

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