电动汽车电机"冷却"技术

电力牵引电机的拓扑 (Equipmake)

在电动汽车的新大陆上，有一场争论的硝烟从未散去——到底哪种电机是最好的？

对此，Equipmake的经营主管、创新型电力传动系统设计研发专家Ian Foley表示，“这就像80年代早期的计算机之争。直到IBM的PC成为业界标准，这场争论才得以平息。现在我们有各种类型的电机，不同的电机的制造理念也不一样。我们不应只着眼于电机，而是要考察包括电机、电池、逆变器、齿轮箱和控制器在内的整体系统解决方案。最后，哪个解决方案成本最低，哪个就是赢家。”

Foley希望，最后的胜利属于自己公司的APM200轮辐电机。他表示，APM200效率卓越，是目前扭矩和功率密度（kW/kg）最高的电动汽车永磁电机，而且它还有成本低、重量轻等优点。

APM200电机的重量约为49kg （108 lb），最高转速为10,000rpm，最大功率和最大扭矩分别为220kW（295 hp） and 450 N·m （332 lb·ft），采用了成本更低的钕铁硼磁铁（NdFeB），降低了电机整体造价，并搭载了5.5:1整体行星齿轮箱，齿轮箱的输出轴和轮毂直接相连。此外，Equipmake还为APM200研发了专用逆变器，采用了结合碳化硅二极管和IGBT（绝缘栅双极晶体管）的动力电子技术，使得电机能在高变频下保持大功率运转。



轮辐电机系统剖析图(Equipmake)

一冷再冷

冷却是决定电机性能的关键。电机磁铁的温度越低，电机输出峰值功率的时间就越长。但是，光做到冷却还不够，必须要保证冷却的成本适中、质量可靠、量产效率高。

Foley表示，“轮辐电机的结构能够满足以上这些要求。传统的永磁电机的磁铁呈V型，被压在转子四周的压片上，压入深度很浅，而轮辐电机的磁铁则像辐条一样垂直于铝制转子的表面，使得磁铁得以非常接近冷却液（60℃水/乙二醇）。换言之，传统电机的磁铁是分布在压片上，所以无法接近冷却液；而轮辐电机磁铁的一端是在铝制中心毂上，所以我们可以让冷却液足够靠近磁铁，达到散热的目的。尽管和传统电机相比，轮辐电机的生产难度更高，但是我们设计的电机已经可以量产，对此我们很有信心。”

Foley表示，实现电机量产的关键在于落实设计细节，比如找到将压片安装在中心毂上的方法，“中心毂基本上是锻造件。我们的冷却非常高效，所以能获得所需的高强度。铝制中心毂的温度控制在100℃以下，因此我们可以使用成本低但性能、可靠性、寿命都毫不逊色的磁铁。热能工程是让一款电动汽车电机脱颖而出的一大关键。”

据Foley介绍，虽然轮辐结构在汽车行业的知名度还不高，但事实上其拓扑结构早已广为人知。Equipmake轮辐电机的结构还要追溯到公司此前参加的一个名为“HIPERCAR”（高性能减碳）的英国研究项目，一同参与的还有Delta Motorsport公司和Ariel公司，项目的目标是在2020年前推出量产超高性能减排跑车。正是这个项目催生了被Foley称为“目前扭矩密度最高”的Equipmake轮辐电机，Foley还表示，“该款电机的性能已经得到了充分验证，未来还会继续改进。”

APM200轮辐电机的研发耗时大约三年，Foley说，“我们成功解决了设计、冷却和制造的挑战。除了HIPERCAR项目之外，我们和一家阿根廷公司合作开展的客车应用项目也采用了APM200。我们在每辆客车上搭载了两台APM200电机、赛米控的SKA1逆变器和AESC电池。我们的目标是电机的年产量在2020年前能达到2,000台，然后再节节攀升。”

Equipmake的轮辐电机采用了铝制中心毂和钢铁压片，铝具有抗疲劳、经久耐用的性能优点，满足了产品使用寿命的要求。

至于电机定子，据介绍，APM200采用了“非常传统”的定子。目前，相关方正在对APM200进行验证，其中包括了使用寿命测试。



Equipmake APM 200型轮辐电机，最大功率达220kW（295 hp）,最高转速10,000rpm (Equipmake)

三句不离成本

Foley很清楚成本对汽车技术创新的重要性，“汽车行业说来说去还是成本的问题。往往工程师提出一些非常好的想法，但无奈执行成本太高，这我太了解了。所以我们想要设计出能最充分地利用磁铁的电机架构。我们用某家大型整车厂设计的EV传统电机就辐条技术进行了比较，结果发现，我们可以在减少25%磁铁数目（即降低25%成本）的情况下，输出相同的扭矩。”

Foley表示，如果能有效保持电机的冷却，就能降低成本，所以APM200轮辐电机采用了“烹饪级”磁铁，“我们的电机工作温度只有100℃左右，所以没有必要使用最高工作温度为200℃的稀土铷磁铁。”

至于Equipmake轮辐电机具体可以增加多少续航里程，Foley目前还没有透露任何参数。

奔驰的飞轮

多年来，Foley在工程和技术创新领域已经积累了非常丰富的经验。他的职业生涯开始于80年代，最早是在F1车队任职，期间研发了莲花F1主动悬挂系统，并加入了莲花GT耐力赛团队。90年代后期，他创立了Equipmake，公司早期生产过拨片式齿轮箱，许多勒芒赛的赛车都采用了该款齿轮箱。

2000年后，Foley开始研究一种新型高速电驱飞轮，后来这款飞轮被威廉姆斯车队的KERS（动能回收系统）采用。除了F1以外，这项技术在很多其它领域也得到了应用，并由此催生了一家新公司——WilliamsHybrid Power （威廉姆斯混合动力），Foley担任了该公司的经营主管。

Williams Hybrid Power公司主要是研发客车、火车等商用车的电动传动系统。后来，这家公司被GKN（吉凯恩）收购。