緣起

通用汽車電機(jī)是美國(guó)DOE-U.S.Drive聯(lián)盟的旗下的重要成員，在DOE項(xiàng)目資金的驅(qū)動(dòng)下，近幾年一直積極的投入電機(jī)新技術(shù)和新產(chǎn)品的開發(fā)。

DOE組織的聯(lián)盟囊括了許多組織，由前到后呈：基礎(chǔ)研究-技術(shù)研究-產(chǎn)品開發(fā)縱深排布。其中GM、GE、UQM這些企業(yè)承擔(dān)的是產(chǎn)品級(jí)技術(shù)研發(fā)的工作，和產(chǎn)品最接近，和國(guó)內(nèi)大多數(shù)的電機(jī)企業(yè)生態(tài)位類似，因此其技術(shù)路線和成果值得我們研究參考。

GM最近幾年的電機(jī)研發(fā)方向瞄準(zhǔn)的目標(biāo)就是DOE制定的2020和2025目標(biāo)，具體而言就是高效率、高功率密度和低成本。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，GM上馬了代號(hào)為ELT093的先進(jìn)電機(jī)技術(shù)項(xiàng)目。

三條技術(shù)路線

GM的先進(jìn)電機(jī)技術(shù)項(xiàng)目是2016年10月啟動(dòng)，到現(xiàn)在已經(jīng)歷時(shí)3年，總共獲得了7百萬(wàn)美元的項(xiàng)目資金，目前完成了70%的內(nèi)容。項(xiàng)目?jī)?nèi)又細(xì)分三條技術(shù)路線，一條是輕稀土永磁同步電機(jī)，一條是非稀土助磁的永磁同步磁阻電機(jī)，最后一條是傳統(tǒng)的感應(yīng)電機(jī)，但其轉(zhuǎn)子采用了銅鋁混合的鼠籠結(jié)構(gòu)。

三條技術(shù)路線的大致參數(shù)已經(jīng)披露出來(lái)，如下表所示，都是采用350V的電壓平臺(tái)，電機(jī)外徑在200上下。第一列輕稀土的產(chǎn)品轉(zhuǎn)矩和功率分別達(dá)到370Nm和150kw，同步磁阻的電機(jī)走的是高轉(zhuǎn)速的技術(shù)路線轉(zhuǎn)速達(dá)到16650rpm，相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩下降為250Nm，銅鋁混合的感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩都居中。下面我們一一展開介紹。

GM的輕稀土永磁同步電機(jī)采用的是雙V的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，如下圖所示，和早期版本的GMSpark和GMBlot的結(jié)構(gòu)類似。但其磁鋼的采用無(wú)Dy的釹鐵硼磁材。因?yàn)镈y是最昂貴的重稀土成分，無(wú)Dy能夠有效降低成本。但取消了Dy會(huì)帶來(lái)磁材結(jié)構(gòu)的性能下降，需要在電機(jī)設(shè)計(jì)中加以彌補(bǔ)。

我們對(duì)比GM的輕稀土結(jié)構(gòu)和采用傳統(tǒng)稀土BLOT轉(zhuǎn)子，還是能夠發(fā)現(xiàn)一些端倪，輕稀土結(jié)構(gòu)的磁鋼明顯要更厚實(shí)，這是為了補(bǔ)償輕稀土矯頑力下降的缺陷。但僅僅是加厚是不夠了，在細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)上，還需要更多的特殊設(shè)計(jì)，以避免磁鋼退磁。從披露的資料來(lái)看，我們能判定該轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有所保留，輕稀土的轉(zhuǎn)子磁極設(shè)計(jì)仍然是非常有挑戰(zhàn)性的工作。

輕稀土的技術(shù)路線下，電機(jī)成本達(dá)到了DOE2020要求，即4.7美元每公斤，折算到人民幣成本在4800元左右，其中最貴的部件為定子，其次為轉(zhuǎn)子，磁鋼占比為14%，也就是660元左右。而普通稀土的電機(jī)磁鋼的成本占比會(huì)達(dá)到30%以上，因此從降本的角度而言，輕稀土技術(shù)是成功的。

當(dāng)前該項(xiàng)目已完成了樣機(jī)制作，目前正在進(jìn)行可靠性測(cè)試，該項(xiàng)目最關(guān)鍵的門檻是"低成本高性能的無(wú)Dy釹鐵硼技術(shù)"。當(dāng)前的瓶頸是磁鋼抗退磁性能，目前GM使用的2號(hào)材料的矯頑力矯頑力相當(dāng)于普通釹鐵硼的96%（20℃），93%（150℃。但仍然有相當(dāng)?shù)耐舜棚L(fēng)險(xiǎn)，在120%最大電流下，有9.7%的退磁損失。

路線二：輕稀土助磁的同步磁阻電機(jī)

GM的同步磁阻電機(jī)路線和橡樹嶺非常類似，都是采用月牙型磁障結(jié)構(gòu)+磁鋼助磁的技術(shù)。但明顯GM電機(jī)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速要高，達(dá)到16500rpm，這有利于彌補(bǔ)轉(zhuǎn)矩密度不足的劣勢(shì)。

高速化后，該電機(jī)的功率密度達(dá)到了3.6kw/kg，超過(guò)了DOE2020的要求，也比橡樹嶺的第二代同步磁阻電機(jī)要高。這是可以理解的，首先GM的同步磁阻電機(jī)開發(fā)要晚于ORNL，其次GM的技術(shù)開發(fā)獲得了ORNL的技術(shù)協(xié)助，因此GM的同步磁阻技術(shù)成熟度要明顯高出ORNL。

除了高速化GM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于：

轉(zhuǎn)子磁障數(shù)目更多，達(dá)到了4層半，那個(gè)半層指的是轉(zhuǎn)子外表面那個(gè)表面月牙缺口；

加入的永磁助磁量和質(zhì)都要高于橡樹嶺，橡樹嶺采用的鐵氧體助磁，而GM采用了輕稀土助磁；

采用了扁線繞組，使得功率密度進(jìn)一步提高；

在多管齊下，取得了更好的電磁性能。姑且可以稱為第三代同步磁阻電機(jī)，下圖簡(jiǎn)要介紹了磁鋼在同步磁障電機(jī)中的作用。磁鋼助磁使得磁橋預(yù)飽和，從而提高凸極比和轉(zhuǎn)矩。

目前GM團(tuán)隊(duì)面臨的關(guān)鍵問(wèn)題是這種結(jié)構(gòu)在高速下的強(qiáng)度問(wèn)題，其實(shí)單強(qiáng)度容易解決，難的是強(qiáng)度和電磁性能平衡問(wèn)題。若要提高強(qiáng)度，不可避免的會(huì)增加磁橋厚度，但這會(huì)使得轉(zhuǎn)矩下降，功率因數(shù)惡化，因此需要通過(guò)算法優(yōu)化設(shè)計(jì)使得兩者之間達(dá)到最佳的平衡。

路線三：銅鋁混合結(jié)構(gòu)感應(yīng)電機(jī)

所謂的銅鋁混合,其實(shí)就是在原有的感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子下了文章。主要是兩點(diǎn)：

鼠籠導(dǎo)條工藝由鑄鋁切換成插銅條的工藝，如此使得轉(zhuǎn)子電阻下降，轉(zhuǎn)子電流損耗也隨之下降；

鼠籠的端環(huán)仍然保留鑄鋁的工藝，因?yàn)槎谁h(huán)的電阻占轉(zhuǎn)子電阻的比例很小，因此鑄鋁結(jié)構(gòu)對(duì)損耗影響不大。

之所以采用這種復(fù)合結(jié)構(gòu)，為什么不采用全鋁或者全銅的結(jié)構(gòu)，一是因?yàn)橐皇且种妻D(zhuǎn)子損耗，所以傳統(tǒng)的鑄鋁轉(zhuǎn)子必須要更換掉。二是全銅的鑄銅轉(zhuǎn)子方案，銅澆鑄溫度高，對(duì)轉(zhuǎn)子片絕緣的損害大，同時(shí)鑄銅轉(zhuǎn)子的不良率比較高成本居高不下。采用插銅條方案不需要高溫鑄造銅，即保留了鑄銅的優(yōu)點(diǎn)，又避開了可能的缺陷。

GM的銅鋁混合感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為13000rpm，功率密度超過(guò)了DOE2020的要求，但成本仍然較高。這主要是轉(zhuǎn)子鼠籠的工藝還不成熟，問(wèn)題的關(guān)鍵在銅和鑄鋁交接面的質(zhì)量上。

銅和鋁兩種不同材料之間的焊接非常困難，采用先插銅后鑄鋁的方式效果略好，但仍然需要改善接觸質(zhì)量。接觸質(zhì)量不好，端環(huán)容易在高速下失效，同時(shí)也會(huì)增加接觸電阻使得效率下降。GM從三個(gè)參數(shù)去作了優(yōu)化，一為銅條深入端環(huán)的長(zhǎng)度，二為鑄造溫度，三為鑄鋁流動(dòng)參數(shù)。從公布的數(shù)據(jù)看目前達(dá)到的最好成績(jī)是在應(yīng)力161Ma疲勞壽命360000萬(wàn)次循環(huán)。

總結(jié)·技術(shù)的層次結(jié)構(gòu)

這三個(gè)方案的第一個(gè)共同點(diǎn)都是去稀土的方案，第一個(gè)方案是輕稀土，就是還是用稀土但不用Dy等重稀土，以此來(lái)降低成本。第二個(gè)方案也是用輕稀土，但用量更少了，以此來(lái)進(jìn)一步降低成本。第三個(gè)方案是感應(yīng)電機(jī)，是一點(diǎn)稀土也不用了。所以這三個(gè)方案構(gòu)成了一個(gè)漸進(jìn)的層次結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)了產(chǎn)品系統(tǒng)策略的思量。這三個(gè)方案還有另外一個(gè)共同的特點(diǎn)，那就是都采用扁線定子平臺(tái)。且每極下槽數(shù)都為9槽，也就是說(shuō)扁線的尺寸設(shè)計(jì)大致相同。

可以從兩個(gè)角度來(lái)理解為什么都選用扁線方案。一個(gè)是為了彌補(bǔ)功率密度缺陷，三條技術(shù)路線都是去稀土的技術(shù)，不可避免會(huì)減低磁場(chǎng)能量密度，因此需要用額外的一味“藥”來(lái)補(bǔ)這個(gè)缺陷.GM是最早開發(fā)扁線技術(shù)的一批公司，因此選擇扁線這味藥是情理之中。

從另外一個(gè)角度，經(jīng)過(guò)這兩年的技術(shù)發(fā)展，我們能夠感受到扁線發(fā)卡的工藝在成熟，，設(shè)備的柔性度也在提升，所以工藝成本也在快速下降。因此選擇扁線技術(shù)慢慢的會(huì)變得不那么昂貴。

從GM的實(shí)踐過(guò)程我們能看到，他們?cè)跒镈OE2025的目標(biāo)持續(xù)而穩(wěn)定的投入。只要目標(biāo)還在，問(wèn)題還在，技術(shù)就不會(huì)停止。它總是會(huì)以自己獨(dú)特的路徑，倔強(qiáng)的發(fā)展。