本帖最后由 xbq1013 于 2022-9-28 10:50 编辑
最高转速的电机之王诞生了。 出自澳大利亚新南威尔士大学的实验室，每分钟可以达到100000次的转速。 更高的转速，意味着可以实现更高的功率密度，在相同功率下，电机的尺寸也会更小，同理，消耗的能源更少。 更快的转速也能提升电车性能，帮助电动车减轻重量，从而增加续航里程。
这款新型电机不止这些功能，还具备以下优点： 1.所需的稀土材料减少70％ 2.每公斤7千瓦的峰值功率密度 3.制造成本比传统电机更低 4.还可用于高速压缩机、飞机发动机内部集成等领域 最重要的是，这款电机并不只是实验室产物。按照研发团队的说法，如果特斯拉想采用这款电机，6-12个月就能调整规格上车。
01 灵感来自长桥，稀土材料只用30％ 电机是电动车的核心，也决定了一辆车的性能高低，比如续航的长短，跑的快不快，极速多少等等。
不过要想达到能效最优，总会陷入一种取舍和博弈。 比如为了增加续航，可以加大电池组，但也会加大电池组和车身重量，同时产生很多其它问题，比如需要改变电池管理系统以及车身结构等。 除了电池，就是在电机这个重要硬件方面下功夫。通常情况下，电机的体格越大，就会越容易获得高效率。怎么让电机更小，同时保持足够的性能，甚至更优，是不少研发人员重点攻克的方向。 新南威尔士大学电气工程与电信学院的副教授 Rukmi Dutta 和 Guoyu Chu博士领导的一个团队表示，他们采用了一种新型技术，可以显著改善现有的内部永磁同步电机 （IPMSM）。 新型电机的最大功率和速度使得现有高速记录翻了一番，每分钟可达10万转，使其成为世界上最快的内置式永磁同步电机。 “电动汽车的一个趋势是让电机以更高的速度旋转。” Guoyu Chu博士表示，每个电动汽车制造商都在尝试开发高速电机，原因是物理定律的性质允许你缩小机器的尺寸，使用更小的机器，消耗的能量也会更少，车辆的续航里程更长。
这款电机是如何在同样体积下，拥有更高的转速呢？ 研发团队表示，新电机的设计灵感来自韩国的Gyopo铁路桥，这个设计结构克服了传统IPMSM的常见缺陷。 比如IPMSM型电机在其转子中嵌入了磁铁，以产生强大的扭矩以扩大速度范围。然而，由于其转子中的铁桥很薄，导致IPMSM的机械强度较低，这限制了它们的最大速度。 其实这也是为什么很多人认为EV用电机并不具备体格优势，因为汽车用电机存在体积、形状以及质量等多种限制，这些限制也注定了电机很难实现大幅进化。 研究团队采用了双系拱结构设计了一种新的转子拓扑结构，并创建了现有技术的更强大版本，可以有更好的功率重量比。 有了这个新型的结构，电机的峰值功率密度达到了每公斤7千瓦。 新南威尔士大学团队表示，与现有技术相比，新电机还具有显著的成本优势：每台电机使用的稀土材料更少。 一般情况下，一些高速电机通过套筒来加强转子，而套筒通常由钛或碳纤维等高成本材料制成。因为转子拓扑结构具有很好的机械稳定性，所以新型电机也不需要套筒，也只需要30％的稀土材料，比如钕，从而降低了制造成本。
02 电机可以随意DIY，最快半年就能上车 其实对于新能源车来说，一台好的电机需要具备基本不少要素，比如体积小，功率大，转速高。 电机的输出功率由扭矩和转速的乘积决定，在输出功率不变的情况下，转速越高，马达的扭矩就越小，成反比状态。 而扭矩则是由马达的半径和施加于马达的力决定的，在施加马达的力不变的情况下，扭矩越小，马达的半径就可以越小，电机的体积也就可以变得更小。 就像是在美国被誉为“特斯拉杀手”的Lucid，作为目前世界上量产纯电动车中峰值功率最高的电机，达到了500Kw的功率输出。但其体积却相当小，Lucid Air的电动机重量为74千克，而特斯拉单电机的重量高达92千克。
Lucid电机的体积之所以小巧，很大程度上得益于其转子绕组体积小，也就是马达半径更小。 正是因为小巧的体积以及超高的功率输出，其被誉为“最强电机”。 而澳大利亚的新南威尔士大学，以研发的技术过硬而著称，在工程技术界其地位就像清北在中国的地位。 电机的研发主导团队之一Rukmi Dutta博士是电气工程与电信学院能源系统高级副教授，专业研究电机的设计和控制领域，例如汽车和可再生能源部门的永磁电机。她在美国和澳大利亚为许多动力企业提供咨询服务。 另一位新项目主导人——博士研究员Guoyu Chu，同样也是来自电气工程与电信学院，研究领域涉及机械工程，电子工程和电气工程。 Guoyu Chu在2014年获得山东科技大学电气工程及其自动化学士学位，2017年获得澳大利亚新南威尔士大学电气工程硕士学位后，便一直在新南威尔士大学攻读电气工程博士学位至今。 这两位专家在电机领域发布多篇学术论文，新型电机则代表着他们在电机方面的最新、最重要的成果。
他们带领研究团队在设计这个电机时，还使用了他们研发的智能辅助优化程序，预先反复测试了电、磁、机械和热量等各方面的性能来优化电动机设计。 团队一开始对90种设计方案进行评估，然后先选择了按最优设计的前50％来生成一个新的设计方案，并重复迭代过程，直到达到所需的最佳效果。 要知道最后的电机设计是他们分析的第120代方案，最终才实现了每分钟100000转的绝对最大速度和每公斤7千瓦的峰值功率密度。 “我们有自己的电机设计程序包，可以自行输入速度，功率或者密度的要求。”Dr Guoyu Chu表示，运行这个系统几周后，就会得到满足这些标准的最佳电机设计。 按照他的说法，如果像特斯拉这样的电动汽车制造商想要使用这种电机，那么只需要大约6-12个月，就可以根据特斯拉提出的规格要求进行修改，达到最佳的电机设计。 Dr Guoyu Chu表示，如果有供应商采用这款电机，会稍微降低转速，同时增加功率，以平衡电车的需求。 显然，这款可随意DIY的电机并非实验室独创，在制造成本降低、能效也最优的情况下，大规模量产也会是大概率事件。
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发表于 2022-9-28 10:48:25
