“材料选择+结构优化”成电机轻量化主攻方向！

　　由于各国汽车油耗和尾气排放标准不断趋严，以及新能源汽车续航里程问题未能得到有效解决，轻量化设计有望成为汽车行业未来发展的一大方向。实验研究表明，汽车质量每下降10%，油耗下降8%，排放减少4%，汽车轻量化能够兼顾提高燃油经济性和环保性的双重目标。

　　近年来汽车轻量化受到系列政策的扶持。今年10月《节能与新能源汽车技术路线图》发布，轻量化成为七大技术路线图之一。该路线图提出到2030年汽车单车用铝量超过350kg，单车使用镁合金45kg，碳纤维使用量占车重5%。“中国制造2025”规划要求，到2020年通过高强度钢、铝镁合金等复合材料在汽车上的应用，实现平均整车减重目标5%至20%。驱动系统占纯电动汽车总质量的30%-40%，因此，驱动系统的轻量化是整车轻量化的重点之一。

　　目前实现汽车轻量化的方法较多，主要为材料、结构和工艺三个方面。其中，轻量化材料的应用是汽车轻量化最基础、最核心的手段。汽车轻量化的主要轻质材料包括铝合金、镁合金和碳纤维。

　　而对于新能源汽车用电机系统来说，要达到轻量化的目的，又应该从哪些方面入手?

　　尼得科集团(KDS)技术总监席荣盛认为，电机系统轻量化需要采用高性能的材料，配以全铝散热结构和高功率(转矩)密度设计才能够实现。

　　而上海力信电气技术有限公司总裁鲁克银也认为，电机轻量化需要围绕槽形、转子绕组、电机轴等方面进行优化设计。

　　总的来说，我们了解到，创新设计、材料选择和集成化是电机企业实现轻量化目标的重要方式。

　　电机轻量化的实现方式

　　1优化电机结构

　　业内专家认为，改变绝缘的厚度，或者优化通风结构、电机绕组方式等可以有效减小电机的体积，降低电机的重量。常见的有转子贴心增加减重空设计或者采用转子支架降低转子重量。

　　其中，在永磁同步电机永磁体槽底部和电机轴表面之间存在很大的半径差距，存在较大的优化空间。通过电机转子机械强度和磁路仿真试验，改善转子中减重槽的结构和尺寸，配以轻量高强度的合金材料，可以实现电机的轻量化、高功率密度化。

　　另外，合肥巨一动力系统有限公司混动事业部技术总监顾杰表示，优化磁路结构、分配铜耗和铁耗、优化电机温度和改变冷却方式都可以达到轻量化的目标。

　　2集成化

　　通过机电集成和控制器集成，有利于减少驱动系统的重量和体积，其中较为常见的集成有电机与发动机集成、电机与变速箱集成和电机与减速器集成等。

　　而西门子研发的西门子Sivetec MSA 3300，将电动汽车动力系统中的逆变器与电机集成到一起，两个组件共用一套冷却单元，通过这样的方法，就可以降低驱动系统的重量和节省内部空间结构。

　　3材料的选择

　　一般来说，采用永磁同步电机作为驱动，比异步电机轻许多，这也是永磁同步电机作为主流电机的重要原因。席荣盛表示，高性能永磁材料和高性能导磁材料的运用，可以有效帮助电机企业实现轻量化的目标。

　　其中，电机定转子铁芯材料的选择极大程度地影响了电机定转子尺寸、电机功率密度、电机铁耗和电机效率。专家认为，超薄高饱和材料硅钢片的使用可以有效提高电机功率体积比和功率密度。

　　与此同时，业界人士认为，铸铜转子电机比铸铝转子电机重量轻很多，同时铸铜电机的成本也更加低。

　　4小型化

　　小型化主要是通过电容与母排的集成，使用下一代宽禁带半导体器件，入SIC等方法来缩减控制器的尺寸，从而达到电机小型化、轻量化的目标。

　　除了上述方式之外，业界人士还认为，轮毂电机是新能源汽车实现轻量化最有效且直接的方式。因为，轮毂电机实现了新能源汽车发动机、变速机的一体化，创造性地将动力、传动和制动装置整合到轮毂内，变中央式驱动为分布式驱动，省掉了变速器、传动轴、差速器等80%的传动部件，从而减轻30%的重量。

　　技术难题

　　鲁克银认为，在有效的空间内，电机既要是实现轻量化的目标，又要保证高安全性能、高功率密度等优势，这不仅需要解决许多技术难题，也要求电机企业具有较高的技术实力。

　　“太多模块放在一起集成化，有可能会影响电机系统的灵活性能。因此，高度集成化还需要考虑电机的运行灵活性和耦合性问题。”精进电动创始人兼CTO蔡蔚这样表示。

　　另外，由于技术限制，国内企业在材料和加工成本控制难度较大，导致电机系统的生产成本较高，这在一定程度上制约了电机轻量化的发展。

　　总的来说，无论是电机的轻量化，还是新能源汽车的轻量化，都需要新能源汽车产业链企业共同努力，做好技术创新和工艺优化，才有可能实现最终目标。

　　发展趋势及意义

　　电机小型、轻量化的趋势是什么?

　　电机的小型化、轻量化已经成为国际大牌电机企业的技术发展方向。举个例子，我们国产的高压电机，其中心高相对国际水平要高一到两个档。高压电机的结构比较复杂，大型电机小型化的手段比较多，可以通过改变绝缘的厚度，或通风的结构等来实现。这两年技术发展方向是绝缘材料的减薄，虽然国内领先电机厂一直在研究降中心高和小型化，但和国际先进水平还有一定差距。

　　对小型电机来说，做到小型化，以往来说是不太容易的。相对大型电机，低压电机本身的功率都不大，通风的冷却方式和绝缘方式是固定的，可以调整的方式有限。另外从材料上分析，高效电工钢片的出现，对提高能效水平是一个促进。铜和铝材的发展，特别是台湾在研究高导率的铜，电阻率比现在的铜还要降低一半，对低压电机会是更大的飞跃，但现在还没有实现。所以目前要达到高效低压电机的小型化和轻量化，比较可行的技术路径就是采用铜转子技术。

　　电机小型化、轻量化对工业制造和社会的意义?

　　中国工业2025和德国工业4.0核心是工业的智能化，但智能化的一个前提条件就是各种工业设备的小型化、轻量化。这对于减低成本、节省设备空间、节能降耗及智能化都有密切的联系。举个例子，我国汽车制造平均油耗2011年百公里为7.5升，到2015年降到6.9升，但是要达到国家提出的2020年百公里5升的目标还有距离。要达到这样严格的目标，除了大幅提升汽车技术水平以外，车辆小型化、轻量化及小排量化也是不可避免的，其中汽车电机的小型化、轻量化是非常重要的一环。从这个例子可以看出电机小型化、轻量化与节能降耗相关，与制造业的未来发展方向相关，与中国工业的制造工艺水平相关，意义重大。