汽车电动化发展趋势及其前瞻性技术研讨

1. 高速高密度EV驱动电机技术发展主要目标

新结构新材料、动力系统集成化，EV电机处于高速发展阶段，技术多元化：

→ 提升EV电机性能和可靠性,降低成本。

(1)高速高密度，电机－传动－驱动集成化，动力总成轻量小型化、高可靠低成本。

1）主流产品技术：IPM永磁磁阻同步电机＋轻稀土＋少稀土；发卡式/扁线成型绕组。

2）高频低损耗＋高速高强度电工钢，高性价比＋磁钢抗去磁＋抑制高频涡流。

3）高速高密度＋宽广的高效运行区，高刚度、强冷却(水冷 直接油冷)、优良的电磁-机械-热 传导性能、高密度低噪声品质。

(2)新结构新材料高速/高密度电机。

1）取向与无取向混合铁芯，非晶合金、SMC ；

2）轴向磁场、横向磁场、磁性齿轮 电机、EVT等电机。

下一步进入EV电机平稳发展阶段，提高产品运行可靠性和技术经济性能。

（(1)）面向自动化制造技术，批量产品性能的精准稳定一致性的设计、制造与装备技术。

（(2)）多物理域仿真测试平台＋基于部件材料服役特性的电机多领域正向设计。

1）开展电机部件材料的多领域服役特性研究，建立部件材料服役特性数据库；

2）解决复杂工况恶劣环境运行的电机性能与可靠性仿真评估难题，以及电机加工与装配对电 机性能的影响。提高部件材料的极限能力和利用率，降低成本。

3）逼近运行工况的产品性能-可靠性-寿命设计与仿真测试验证，减少产品试验验证的次数。

2. 高速高密度低噪声EV驱动电机的挑战

((1))高速EV驱动电机设计与制造技术的挑战。

高频电机绕组与绝缘材料、电工钢、磁钢的服役特性，轴承电流与EMC；高速电机转子,轴承。

((2))高速宽广范围运行电机的挑战。

高效率-高密度-低噪声-低脉动转矩，电机模态与电磁力波参数匹配，共振与主动抑制技术。

((3))高频高速电机参数敏感性强。

批量产品性能的精准稳定一致性的设计、制造与装备技术。

((4))满足整车运行工况与恶劣环境，产品性能-可靠性-寿命的设计与测试验证。

3. 高速EV驱动电机关键技术

高速化→18~20krpm、20~22krpm、22~26krpm；提高功率体积密度和重量密度，降低材料成本。

((1))高速高效高刚度IPM电机定子。

1)电机极槽配合及其电-磁-机-热性能的折衷平衡设计，包括高刚度-高热导结构，高导磁-低铁耗磁路结构及材料。

挑战: #1全牵引特性运行区域的电磁力波与定子模态匹配以及NVH设计；#2高效区优化及其高 频铁耗、计及集肤临近效应的电机绕组交流电阻及铜耗的精准分析计算。

2)定子绕组的槽内换位与端部换位、定子发卡绕组/多匝簿扁线成型导体，里芝导线绕组。

定子绕组槽内与端部的高热导材料灌封与塑封；增强热传导和刚度，降低绕组温升和铜耗，提高效率和输出功率。

2）定子绕组的槽内换位与端部换位、定子发卡绕组/多匝簿扁线成型导体，里芝导线绕组。

3)定子和转子AFT直接内油冷，增强冷却散热能力，提高持续输出功率。

挑战: 高频集肤临近效应和交流电阻，PDIV & CIV(局部放电起始电压&电晕起始电压)。

电机内油冷的密封，电磁绝缘材料的介电强度、机械强度、高温耐久性、与AFT的兼容性，以 及绝缘材料在高温高湿振动环境的可靠性、耐久性测试评估方法。

(2)高速IPM 转子磁极和转轴。

1）高强度的正弦化▽型、V型与多层V型磁极与正弦化Halbach磁极，提高磁阻转矩分量，降低谐波-铁耗，改善NVH和转矩脉动。

2）轻稀土与少稀土磁极技术，以降低成本;

3）轴向叠层 & 周向拼块磁钢，降低PWM高频调制涡流；磁钢表面环氧涂层，磁钢槽内灌环氧胶，增强导热和磁极强度，表面防护。

挑战:

1）高速运行转子表面离心应力和切向力,使转子半径受到限制；

正弦化磁极、降低高速转子隔磁桥应力，齿谐波解调制。

转子磁极的电-磁-机-热性能与制 造工艺-成本的综合优化。

2）转子临界机械转速，受转轴结构尺寸材料参数的影响，制约了刚度。

3）高速电机动力集成系统机械接口的角度偏差，较常规系统提高10倍以上的装配精度，包括位置传感器、转轴、轴承等同心度等精度。

(3)高性能电磁绝缘材料及其材料服役技术研究

支撑产品性能精准-稳定一致性的设计与制造技术，提高材料利用率。

挑战:

• 电磁绝缘材料的热、电、机械应力以及与变速箱油的兼容性，高温老化与失效;  220~240°C高温、800VDC高压、内油冷条件下的抗PDIV & CIV(局部放电起始电压&电 晕起始电压)的绝缘系统，包括电磁线、相关的绝缘材料、导热树脂等。

• 建立材料服役特性数据库。

4. 高性能EV驱动电机的基础科学问题

((1))复杂工况恶劣环境下电工材料与器件的服役特性；

((2))多元化多目标电机系统精确化建模与分析；

((3))面向对象的电机系统优化理论与方法；

((4))EV电机系统设计性能与核心制造工艺相互影响机制与效应；

((5))高性能EV电机系统测评与标准体系。

基于材料服役特性的EV电机多领域一体化正向设计，实现电机与材料的机-电-磁-热多领域特性匹配，解决电机极限设计的难题。

2016提出基于材料服役特性的EV永磁电机多领域一体化正向设计

EV永磁电机材料宽温变＆应变的服役特性相对于材料标称特性的偏差有很强的非线性，导致性能试验数据与设计指标的差异难以预测，急需解决产品性能精准稳定一致性的设计难题。

EV永磁电机多领域一体化正向设计关键技术

高速高密度EV驱动电机前瞻性技术

EV永磁电机多领域一体化正向设计关键技术

全牵引特性运行区域的电磁力波与定子模态匹配以及NVH设计规划

内油冷提高冷却散热能力，降低温升；提高持续运动功率和可靠性（寿命）

TORUS 高密度低噪声高热传导盘式电机

TORUS永磁电机 SMC → YASA电机 (1998--)

Axial flux motor concept - high power traction motor (YASA type)

对标美国电动汽车电机2025年技术路线目标

2. EV驱动电机高速化发展历程与现状

10krpm高速高密度轻量小型化、集成一体化 (1995--  )

高速EV电机与减速齿轮一体化部件

NEV  牵引电机、逆变器与液冷结构一体化

2001-2017:  Prius IPM永磁同步电机技术发展历程

6krpm~13krpm~17krpm, 多层IPM转子结构,减小离心应力，实现转子高速可靠运行。

12.8krpm高速化，2016 宝马i3 IPM永磁同步电机主要性能

12.8.krpm, 3.80 kW/kg: 72/12极与48/8极相比较，热传导能力↑ 54 ；72/8极与72/12极相比较，一阶齿谐波11/13→17/19，减小基波频率(0.67 )，多层U型IPM正弦化磁极，提高磁阻转矩，减小高速运行离心应力,降低谐波、转矩脉动和NVH。

3. Hairpin 发卡式扁线绕组发展历程与现状

发卡式扁线绕组源于1912年，罗贝尔发明交流电机的股线换位法

换位线棒绕组的发展历程: 20世纪初，费尔德和恩德发现交流电的趋肤效应，吉尔曼根 据费尔德理论，提出采用分层导体和多匝线圈的概念。

1912年，罗贝尔发明交流电机的 股线换位法(罗贝尔换位)，这是一种槽部360°换位。

20世纪50年代，林格兰德、威尔扬 和罗逊伯格等提出多种换位方案：480°换位、0°换位、空换位 540°换位、900°换位，大 型汽轮发电机多选用空换位 540°换位。

东方电机厂的汽轮发电机定子绕组端部。

Hairpin 发卡式扁线绕组已成为NEV驱动电机的开发热点

2003,蔡蔚博士在Remy公司期间，提出Hairpin发卡式扁线绕组概念，RemyHairpin IPM 电机应用于通用、宝马HEV。

Wave Winding: Hair Pin

轴向/纵向插线的发卡式定子 多层IPM转子 已成为NEV永磁同步驱动电机的主流技术

国内主要技术进展

电机绕组技术

精进电动、华域汽车等在国内较早地开展了扁线绕组工艺探索和实践，研制出功率密度大于  3.0~~4.0 kW/L的高速驱动电机。

扁导线定子技术与华域汽车、精进电动高密度定子

商用车大转矩驱动电机

精进电动开发出转矩密度达到20.3Nm/kg 的直驱电机；

北京佩特来应用扁导线技术开发了3500Nm外转子直驱电机。

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4. EV永磁驱动电机新技术发展趋势

三合一动力总成，IPM永磁电机转子结构，Hairpin发卡式扁线绕组，新结构新材料电机。

提升NEV电机体积和重量密度、可靠性和NVH舒适性,降低能耗和成本。

1. 高频高速永磁化，电机－传动－驱动集成化，动力总成轻量小型化、高可靠低成本。

• 高频电机的高频集肤效应，涡流损耗、绝缘材料、EMC的挑战；

• 高速转子结构及材料的机械性能挑战；

• 高频高速电机NVH的挑战，尤其是高频尖锐声。

2. Hairpin发卡式扁线电机及其内油冷技术

NEV对功率密度越来越苛刻，具有功率密度高的Hairpin发卡式扁线电机是重要的技术路线之一。

• 理论上圆线变成扁线，增加20~30 铜面积，等同于增加20~30 功率。

• 槽満率高，提升电机槽及绕组的的热传导，降低温升；提高电机槽的等效刚度，有利于NVH。

• 绕组端部短，节省空间。 挑战

• 扁导体绕组集肤效应显著，频率越高，交流电阻及铜耗越大；薄型扁导体及其绝缘层材料的热、电、机械应力以及与变速箱油的兼容性，高温老化与失效；材料服役特性数据库。

• 设备要求高、投资大，工艺复杂；系列化设计困难。

3. 高冷却效率技术，减小体积，提高电机功率密度。

水冷电机：一种机壳液冷技术，当前驱动电机的主流冷却技术。水冷机壳，电机内部的热源通过层层材料传递到机壳水道；由于绕组无法直接冷却，并且绕组与铁心之 间的绝缘材料热传导差；导致绕组温升过高，制约了电机功率密度提升。

油冷电机:  一种直接冷却的高冷却效率技术，未来技术发展趋.

 (1)水冷机壳 内油冷定子组件/转子组件

 (2)油冷机壳 内油冷定子组件/转子组件；

特斯拉、丰田、日立、宝马、日产聆风、精进电动的油冷电机已在量产车中使用。

挑战：电机本体的电工材料与油的兼容性，油密封与油道设计、供油方式和油泵等多种技术协同満足。

4.主流驱动电机产品技术

多层IPM电机＋轻稀土＋少稀土；提高功率/转矩密度、降低成本。

5.分布式驱动及其轮毂/轮边电机

6. 新结构新材料高密度电机

轴向磁场和横向磁场拓扑结构、非晶合金、SMC等。

7. 新型混合动力电驱动系统

EVT 双机械端口能量变换器

8. 新型电驱动动力系统

磁力齿轮 电机集成系统，游标电机等。

声明:来源于驱动视界