轮毂电机发展的“元年”终于到来

小夏 汽车 更新 2024-01-31

开始规划我的2024轮毂电机是一种将轮毂和驱动直接集成为一体的电机,取消了传统的机械传动部件,如减速器、传动轴、差速器、半轴和大量复杂部件,并集成了汽车的“动力系统、传动系统、制动系统”来设计电机。

电机一般安装在车轮上,直接驱动底盘(电机转速=轮速)。 与传统电机相比,它基本上允许更大的设计空间、更低的车辆重心、更少的汽车部件,并且由于它不需要机械传动并且由车轮直接驱动,因此更节能。

汽车轮毂电机的商品化步伐

从2024年费迪南德·保时捷首次提出轮毂电机,到2024年发布比亚迪云四方平台,轮毂电机经过100年的反复验证,终于有机会走向量产。

各种驱动系统之间到底有什么区别?

答案就在减速器中。 轮毂电机具有单轮独立驱动的特点,可实现全时四轮驱动电机去掉减速装置直接驱动轮毂,通过控制不同轮胎的轮速,大大减小车辆的转弯半径,从而实现类似履带式车辆的差速转向, 在特殊情况下几乎可以实现原位转向。

对于车轮和电机的水平比较和基准测试,我们还做了一个简短的数据研究,如下图所示。

集中式驱动;

传动链是驱动电机到变速器,然后通过传动轴到差速器,最后到车轮,一台或几台电机同时控制四个车轮。

车轮旁边的车轮驱动系统;

传动链是通过驱动电机的输出轴与车轮相连的减速装置,降低转速,增加转矩驱动车轮。

轮毂驱动;驱动系统完全集成在各个轮胎中。

驱动器类型和电机类型的比较

可以明显看出,电机核心技术是轮毂电机商业化量产的重要突破点,针对轮毂电机的簧下质量、散热和成本等问题,我们认为在目前的技术层面有三个因素需要注意: 电机电磁结构优化及拓扑结构,电机及整个系统的热管理设计,以及整体系统结构的集成化和轻量化。

3.1 电机的设计

目前,传统的永磁电机在应用层面上可以解决弱磁膨胀速度与轮毂电机对转速要求高的矛盾,但为了提高电机的高效区,除了解决铁损和铜损的损耗问题外,还需要考虑新的拓扑结构, 如扁线电机。

我们比较了市场上更主流的几个方向的电机技术路径。

从产业配套来看,新能源汽车主要采用交流感应电机和永磁同步电机。 然而,高效率和低损耗使永磁同步电机比异步电机更节能。

从装机容量来看,永磁同步电机因其优异的综合性能一直占据最高比重,到2024年,永磁同步电机在我国新能源汽车驱动电机中的安装比例已达到94%。

轴向磁通量:永磁同步电机最适合轮毂电机的特殊场景,其中轴向磁场的转矩密度因空间大小的限制而最优,轴向磁场的定子冷却方式更灵活,有利于电磁负载的提高和电机的过载能力强。 常用的驱动电机是径向磁通电机(RFPM),它包围垂直于电机旋转轴线的电磁线平面。 轴向磁通电机(AFPM)具有平行于电机旋转轴线的闭合电磁线平面。

目前,轴向磁通量最具前瞻性的商业化是英国汽车公司Yasa被梅赛德斯-奔驰收购。

Yasa在传统的单定子和双转子轴向磁通电机的基础上,开创了一种新的电机设计系统,去除了定子轭,使定子齿相互独立,并通过轻质非磁性材料将各个定子齿连接在一起。

YASA结构属于轴向磁通电机中单个定子和两个转子的环面NS路径,其磁通设计的设计使得定子轭结构可以去掉,因此结构更加简化。

盘式电机本身的技术比较成熟,可以应用于电动两轮车,但难点在于满足整车标准化。 南航、北京航空航天大学、天津大学等课题组均在进行样品研发。

技术创新点:硅钢片、软磁复合材料、超导材料等新型电机材料;由于轮毂电机需要较大的空心来提高功率密度和扭矩密度,因此发夹电机等新工艺也将提高产品性能(预期)。美国雷米)。

3.2 电机的热管理设计

目前的驱动电机冷却方式多种多样。 目前,永磁同步电机的冷却方式有多种:全封闭无排气冷却、自然对流冷却、全封闭风机冷却、轴向覆盖通道螺旋槽和锯齿形布置等液体冷却方式、端部绕组冷却等。

水冷是目前主流的解决方案。 例如,奥迪、广汽、一汽等大多数整车厂都使用水冷。 特斯拉和京津等更具前瞻性的公司也在尝试创新使用油冷却冷却驱动电机为了克服目前水冷在散热、电机磁路方面的问题。

由于工艺水平,国内厂家多采用风冷和定子水冷,国外一般采用定子水冷和转子油冷国内一些高校研究小组也在开发内定子油冷和外转子水冷的解决方案。

国内外研究进展总结

4.1 海外

日本和欧洲是海外轮毂电机研发最领先的公司,这两家公司都是在上世纪90年代开始研制轮毂电机的yasa、e-traction、elaphe已成为世界一流的轮毂电机代表企业。

左右滑动查看更多)。

4.2 国内

国内研发以高校为主,电机供应商大多以战略合作或并购的形式与国际成熟的轮毂电机企业合作,技术路径和产品核心仍以欧美为主

在整车安装方向上,比亚迪和东风在国内进展最快。 其中,比亚迪选择了4条独立的轮毂电机路径率先落地,VOYAH Chasing Light和Nano 01号称使用轮毂电机。

左右滑动查看更多)。

产业链还有机会吗?

轮毂电机和汽车驱动电机的产业链比较相似,电机主要由定子、转子、壳体、连接器、旋转变压器等零部件总成组成,因此,电动汽车电机的上游是总成和总成。 其中,组件为电动汽车电机的第一部分,总成由电动汽车电机的二次零件组成,驱动电机为电动汽车的主要零件。

目前,上游组件格局已经非常成熟,产品构成和创新性不大,轮毂电机本身的颠覆性特征在于其工艺和设计,因此在电机设计与装配方面,我们判断初创企业和高校仍有市场机会,也是近年来高校课题组申请国家级项目的重点。

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