山东科大高材生突破电机：每分钟十万转、所用稀土材料减少70%

这个永磁同步电机，转速竟然达到了每分钟10万转。

(资料图片仅供参考)

两倍于曾经最好记录保持者，甚至被称赞为世界上转速最快的电机。

而且能量转换效率达到95%，功率密度最高可以达到7kW/kg，对电动车续航提升有明显改善作用。

研究团队来自澳大利亚新南威尔士大学，其中就包括一名华人小哥，还是山东科技大学校友。

每分钟十万转电机？

据研究人员介绍，这是世界上转速最快的内置式永磁同步电机，其中转子由叠片压制而成。

设计灵感，来自韩国最长的铁路桥Gyopo。

该电机功率是5kW，转速最快可以达到10万转每分钟，两倍于目前采用叠片结构的内置式永磁同步电机最好记录保持者。

该电机转子表面线速度为154m/s（线速度=角速度 x 半径），能量转换效率为95%。

难度值为2.23×10^5 rpm√kW，超过了之前10万转每分钟电机的保持记录：1.85×10^5 rpm√kW。

顺便解释一下，难度值=电机转速与功率平方根的乘积，我们通常把转速超过1万转/分钟或难度值超过1×10^5的电机称为高速电机。

具体细看，之所以能实现转速上的突破，主要在于他们设计了一种新转子拓扑结构，提高了电机的稳健性，还减少了每单位功率输出所需稀土材料数量。

得益于转子结构的显著增强，该电机的机械安全系数比目前市售的电动车电机高出1.5~2倍，而且这种转子也不需要用到表贴式永磁转子常用的保护措施，例如碳纤维或合金护套。

△特斯拉的电机

这样一来，所需的稀土材料减少了70%，大大降低了原材料成本。

这种高速电机，之所以能对电动车续航产生作用，主要因为功率密度高，最大可以达到7kW/kg。

与提供相同功率的电机相比，功率密度高的电机重量会更轻一些，车的总质量也随之变轻，所以可以减少能耗，提升电动车续航。

为了更好从实验室走出去，研究团队表示，电机的转速和功率密度可以灵活调整，如需适配特斯拉，只要花上半年~1年时间即可调整好规格。

原因在于，他们有自己的机械设计软件包，只需输入转速或功率密度等各种参数，系统运转几周后，就能自行优化设计，最终达成目标。

比如，这台实验室里的高速电机，就可以改造成200kW、18000rpm转速的电机，能够满足市场对电动车电机的需求。

值得一提的是，这台高速电机得以诞生，还借助了研究团队自研的一套AI辅助优化程序，这套程序能够对一系列物理相关因素进行评估，例如电气、磁力、机械和热力等。

他们对90种设计方案进行评估，选择其中前50%来生成新设计，并重复迭代过程，直到达到所需的最佳效果，最终敲定的这版电机是该程序分析出来的第120代。

具体使用场景方面，研究人员介绍称，除了用于电动车，还可应用于大型供暖、通风和空调系统；应用于航空、机器人行业，因为他们对高精度数控机床要求很高；同时还可以作为飞机发动机内部的集成驱动电机，为飞机供电。

电动车电机，发展到哪一步了？

作为新能源车的“动力心脏”、三大核心部件之一，电机直接决定了车辆的爬坡、加速、最高速等重要指标的性能。

新能源车驱动电机包括直流电机、交流异步电机、永磁同步电机、开关磁阻电机，其中永磁同步电机在我国应用最为广泛。

中航证券研报显示，2019年我国新能源汽车电机装机车辆中，永磁同步电机装机量120.98万台，占比达到97.51%，主要应用在乘用车领域，交流异步电机和其他类型电机装机量不足3%。

永磁同步电机就是在制造电机转子时加入永磁体，使电机的性能进一步提升；而同步指的是转子的转速与定子绕组的电流频率始终保持一致。

主要由定子、转子和端盖等部件构成，其中定子包括定子铁芯和定子铜线绕组，转子的核心是永磁磁芯。

永磁同步电机具有较高的功率密度和转矩密度，即体积小、质量轻、可靠性高、调速精度准、响应速度快；缺点是最大功率低，成本较高，存在高温下退磁的风险。

其成本主要来源于永磁材料、硅钢片、漆包线和制造成本，这里的永磁材料一般指金属永磁、铁氧体永磁和稀土永磁（钕铁硼），占总成本高达30%。

据公开资料显示，目前国内新能源汽车电机生产企业主要分为四类：

△来自中航证券研报

一类是具有整车及零部件生产经验的企业，例如比亚迪、特斯拉、北汽新能源等；

第二类是具有其他领域传统电机生产经验的企业，例如方正电机、大洋电机、江特电机等；

第三类是专门针对新能源汽车成立的电机企业，例如深圳大地和、上海大郡动力、精进电动、天津松正等。

第四类是国际汽车零部件企业，主要包括博世、采埃孚、博格华纳、法雷奥西门子等。

目前新能源汽车驱动电机在性能方面，有以下5点要求：

首先是功率密度要高。

大部分工业场景空间巨大，以满足工业需求为第一目的，电机的体积限制并不突出。

但在新能源汽车上，电机的尺寸和重量直接影响汽车的动力性能和驾驶体验，电机设计的方向与难点在于体积小、质量轻、功率大，这就需要尽可能提高功率重量密度和功率体积密度。

美国电动车Lucid Air的电机不仅体积小，峰值功率还高——单个电机重量为73kg，功率密度超过7kw/kg，单电机功率可达到499kW。

相比之下，特斯拉的高性能电机重量为134kg。

其次是调速范围宽。一般来说，新能源汽车电机的调速范围越宽越好，最高转速应该达到基础转速的4倍以上。

就比如特斯拉Model S基本款的电机最高转速可达18000转/分钟，比亚迪E平台3.0的电机最高转速超过17000转/分钟。

电机转速高的话，体积就会远小于功率普通的电机，而且未来高转速电机将会成为明显趋势。

第三是起动转矩大。

由于汽车强调百公里加速等性能指标，新能源汽车的驱动电机在起动或低速时要求超高转矩，这样能将汽车速度以最快的方式泵升至期望速度。

第四是高效区间广，新能源汽车的驱动电机需要拥有尽可能广的高效率运行区间。

正常路况下汽车不会频繁起动，也不会持续超高速运行，更多的情况是在匀速行驶中进行加速或减速动作，因此中间部分的运行效率就尤其重要。

最后是散热需求强。

由于新能源汽车电机体积小，但同时对功率密度要求又高，散热问题也随之而来。

一般来说，电机的能量转换效率大约在90%以上，峰值效率大约在95%左右，平均能量损耗大约10%，这10%的能量损耗多以发热的形式体现，因此电机对散热需求较强。

这么看来，上文提到的每分钟10万转电机，就是在转速、功率密度和成本上获得了技术优势。

研究团队介绍

整个团队由两位博士牵头：Guoyu Chu和Rukmi Dutta。

Guoyu Chu，中国籍科学家，2014年本科毕业于山东科技大学电气与自动化工程学院，后来在新南威尔士大学电气工程专业硕博连读，2021年博士毕业。

他在IEEE（电气与电子工程师协会）期刊上一共发表了6篇论文，均与内置式永磁同步电机相关。

他做过的研究项目还包括外科手术的快速温度控制系统，以及环保的供暖、通风和空调系统等。

目前，他留校在电气工程与电信学院担任实验室助理和助理研究员。

Rukmi Dutta，是新南威尔士大学电气工程与电信学院副教授，专门从事新型电机的设计、控制、电磁场分析和建模等相关研究。

她1995年本科毕业于阿萨姆工程学院电气工程专业，该校位于印度阿萨姆邦古瓦哈提。

2006年博士毕业于澳大利亚新南威尔士大学电气工程专业。

截止到目前，她在新南威尔士大学已经工作了12年9个月。

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