驱动电机技术趋势分析（驱动电机技术趋势图）

本文梳理了电动汽车电机的发展现状，并根据50余款已量产的电动汽车电机的典型电机设计和应用进展，从不同方向进行了描述和总结。从电机角度来看，主要研发现状可概括如下：

电机类型永磁

永磁化已成为行业标准，电励磁、感应电机的研发应用逐渐增多。此外，一些特种电机的研发也在持续进行。如开关磁阻电机、轴向电机、无稀土永磁电机等。目前市场上的各种纯电动和混合动力新能源汽车中，永磁同步电机占大多数，感应电机占少量部分。与永磁同步电机相比，交流感应电机体积较大，但价格更便宜。不过感应电机可以产生很大的功率，而且不存在退磁问题，所以一些追求性能的大型汽车或者电动汽车，比如特斯拉Model S和蔚来ES8，都采用了感应电机。一般来说，永磁化是一个方向，但感应电机在大功率和高速应用中仍然占有一席之地。

其他类型电机主要用在特种车辆上；

开关磁阻电机：Turntide Technologies 通过在电机中放置传感器来跟踪转子运动，克服了这些电机的许多问题。工程师使用机器学习算法来确定打开和关闭电流的正确时间。工程师设计了一种无传感器开关磁阻电机，以最大限度地减少振动。

轴向磁通电机：比利时公司Magnax 的产品减轻了电机的重量、尺寸和成本。它们的设计目的是最大限度地减少转子和定子齿之间的气隙。该电机采用SRS方法，有两个转子，每个转子位于定子的一侧。在此配置中，定子支撑电磁齿轮，但不充当转子的支撑件或轭。磁轭是一个钢筒，占定子质量的三分之二。没有轭，电机的重量可以显着减轻，该公司估计这种方法可以将电动汽车的续航里程增加7%。

双向磁通电机：Linear Labs（德克萨斯州达拉斯沃斯堡）采用了另一种方法，选择将轴向和径向磁通设计结合在一个电机中。该公司的“三维（3D）圆周磁通电机”由围绕定子的四个转子组成。中心转子在定子内部旋转，而第二转子在定子外部旋转。另外两个转子位于定子的左右两端。共有4个磁通量源。每个转子都会在运动方向产生扭矩。

扁线电机或圆线电机

扁线电机的渗透率正在快速增长。 2021年，特斯拉将改用国产扁线电机，渗透率将大幅提升。扁线电机的趋势已经确定。许多潜在热门车型均采用扁线电机，预计2025年渗透率将快速提升至95%。许多高端车型均配备扁线电机。比亚迪DMI车型和e++平台均配备扁线电机。大众MEB、蔚来ET7、知己L7、冀氪001等明星车型均搭载扁线电机。

扁线电机可以大大提高转换效率。在WLTC工况下，扁线电机的转换效率比传统圆线电机提高1.12%；在城市工况（低速大扭矩）下，两者的效率值相差10%。以典型A级车续航里程500km（配备60kWh电池组和150kW电机）计算，在WLTC工况下，采用扁线电机的电池成本节省672元，而在城市工况下，电池成本节省6000元。

扁线的槽填充率大于圆线的槽填充率。当槽填充率较高时，相同功率的电机所需铜线较短，电阻减小，发热减少。从理论上讲，圆线的净槽充满率一般在40%左右，而扁线则可提高到70%。由于圆线截面为圆形，线与线之间不可避免地存在不规则间隙，而扁线之间的间隙较小，槽填充率较高。扁线电机的高效范围远高于圆线电机。圆线电机高效范围的一般要求是效率>85%的范围占不少于85%，称为“双85”。扁线电机的效率范围占不低于90%，被称为“双90”。电机的效率与转速和扭矩有关。城市工况中出现的频繁启停工况属于低速大扭矩工况，这是圆线电机的低效率范围，而扁线电机在此工况下表现不佳。转换效率更高。

扁线电机散热性能好：温升比圆线电机低10%。由于扁线比圆线接触更紧密，因此散热得到改善。研究发现，高槽满度时绕组间的导热系数是低槽满度时的150%。绕组导热系数具有各向异性，轴向导热系数是径向导热系数的100倍。在较低的温升条件下，车辆可以获得更好的加速性能。

电磁噪音低：整车更安静。扁线电机线的应力比较大，刚性也比较大。电枢具有较好的刚度，对电枢噪声有抑制作用。缺口尺寸可以比较小，可以有效降低齿槽转矩，进一步降低电机的电磁噪声。

小尺寸带来高集成效率，符合一体化电驱动的发展趋势：由于扁线的槽填充率更高，相同功率的电机使用更少的铜线和相应的定子，并且预计销量将减少30%。此外，扁线电机更先进的绕线方式带来了更容易切割的电机端部。与圆线电机相比，端部尺寸减小15-20%，进一步缩小空间，实现电机的小型化、轻量化。

扁线电机的大规模应用还需要克服一些缺点，如产量低、无法提速、标准化困难、专利壁垒等。为了满足高端车型对高性能的追求，扁线电机的数量也开始从原来的单电机增加到双电机。比如保时捷首款纯电动跑车Taycan，有的车型甚至配备了三电机。

新能源汽车用绝缘车规扁线对耐热性能要求较高。主要采用耐热聚酯亚胺漆包线清漆、聚酰胺酰亚胺漆包线清漆、耐温180的聚酰亚胺漆包线清漆三种。高温绝缘材料为搪瓷。聚酯酰亚胺漆具有良好的电性能和机械强度，并具有抗热冲击和软化击穿的能力。在制造180级及以上复合涂层漆包线时作为底漆涂层的主要材料，以高附着力、耐氟利昂广泛应用于家用电器。聚酰胺酰亚胺涂料具有高耐热性。它不仅具有很大的漆膜硬度和不软化性能，而且对导体具有很高的附着力。率先工业化，可在210下长期使用。用于耐高温电机电气和电子元件的线圈绕组以及用作电磁线的绝缘涂层。聚酰亚胺漆具有优良的耐热性、耐老化性、耐高压电击穿等，主要用于绝缘漆包电磁线，或作为电气工业、航空航天、石油管道等的耐高温涂层。

高压力

研究方向：800V被认为是下一代电动汽车的唯一出路。 2019年，保时捷发布了全球首款800V车型Taycan。现代E-GMP5、奔驰EVA、通用第三代纯电动平台以及大众Trinity均选择了800V电压平台。吉利SEA广阔的平台，广汽、奇瑞、上汽等车企都在规划800V解决方案，800V已经成为车企新一轮竞争的制高点。

优点：800V可以显着减小高压线束直径，减少发热，降低质量，节省线束成本。电压等级从400V提高到800V。根据最简单的P=UI，输出相同功率时，800V系统传输的电流更小，可以减小电缆直径和重量，节省线束成本和安装空间。

缺点：800V平台下电晕腐蚀概率增大，电晕腐蚀会对电机绝缘造成较大危害。电晕放电是指气体介质在非均匀电场中的局部自持放电。这是最常见的气体放电形式。通常发生在曲率半径较小的尖端电极附近，如绕组出口、绕组绝缘层内部等。电晕是气隙放电，部分能量转化为光、热、声、电磁等。这会导致

1）热效应导致局部温度升高、绝缘老化等；

2）机械损伤，大量带电离子“电子、正负离子”以高能量、高速度撞击，导致绝缘层机械强度下降，出现麻点、凹坑、局部放电区域出现破洞等绝缘层问题；

3）化学损伤，气体局部放电形成臭氧，化学性质不稳定，易生成氮氧化物，再与水蒸气反应生成硝酸，腐蚀绝缘层。

技术路线：满足800V的技术要求，主要有两条技术路线：1）厚漆膜工艺，2）薄漆膜+PEEK膜封装工艺；增加漆膜厚度是最简单有效的方法，而漆包线的绝缘性能与漆膜厚度成正比，目前主流新能源扁线的结构为：内层为铜扁线导体。根据扁线的性能要求和应用领域，铜扁线导体上涂有两层或三层绝缘层。漆膜具体包括底漆层、耐电晕漆层和面漆层。第一层为聚酯酰亚胺或聚酰胺酰亚胺漆膜，第二层为耐电晕漆膜，第三层为聚酰胺酰亚胺或聚酰亚胺漆膜。

多样化的冷却形式

电动机的冷却方式主要有自然冷却、风冷和液冷等。

在电机必须封闭保护或无强风的应用环境中，最常采用内部油冷却方式。例如，AVL设计的高速电机在定子槽内采用了油冷却方式的组合。有些电机还采用绕组注油冷却+定子油冷却+转子油冷却的组合。

液冷形式：当电机冷却系统温度较低时，冷却液泵不工作。温度升高后，冷却液泵开始工作。冷却液泵的工作温度不能超过75，最适宜的工作温度应低于65。电动汽车驱动电机和控制器的冷却系统主要依靠冷却水泵带动冷却液在冷却管中循环。通过散热器中的热交换等物理过程，冷却液带走电机和控制器产生的热量。为了更充分地散发散热器的热量，通常在散热器后面安装风扇。电机工作时，总有一部分损耗转化为热量，必须不断地通过电机外壳和周围介质将热量散发出去。这个散发热量的过程称为冷却。

水道设计要点：随着水道截面尺寸的增大，冷却水流速会减小，水道的对流换热系数也会减小。由于冷却水套机械强度的原因，水道的截面尺寸不能无限制地增大；如果减小水道截面尺寸，则冷却水流量小，则冷却水流量增大，其对流换热系数增大，但流动阻力也增大。随着水道截面尺寸的增大，冷却水流速会减小，水道的对流换热系数也会减小。由于冷却水套机械强度的原因，水道的截面尺寸不能无限制地增大；如果水道的截面尺寸减小，冷却水的流量就会增大，其对流换热系数就会增大，但流动阻力也会增大。可见，在设计冷却水套时，除了工艺实施和成本因素外，还需要考虑冷却水套的水头损失分析、水道内的对流换热分析、整个水套的机械应力分析计算。利用热流仿真分析软件可对电机冷却水套进行优化设计，实现最佳散热性能与最小水泵功耗的最佳匹配。

大功率

高功率密度使车辆动力更强。电机的功率与含铜量呈正相关。提高扁线电机槽满率。同等体积下铜线填充量增加20-30%。输出功率预计将提升20-30%，使车辆动力更加强劲。国外如大众、沃尔沃、克莱斯勒等驱动电机最高转速不断提高，最高达到14k~16krpm；在绕组结构方面，发夹绕组/扁线绕组（通用、丰田、本田、戴姆勒等）已成为明确的技术方向，电机功率密度已达到3.8~4.5kW/L以上；无/低重稀土材料已开始应用。国家政策层面提倡电机高功率密度。 “十三五”规划提出，新能源乘用车电机功率密度应满足4.0kw/kg，高于目前圆线电机3.5kw/kg左右的水平。目前，圆线电机的功率密度提升已进入困难模式，发展扁线电机是必然之路。据摩恩电气公告，目前领先企业的扁线电机功率密度约为4.5kw/kg。美国DOE2025电机功率密度指标大于等于5.7kW/kg。英国Equipmake声称开发出峰值功率密度为20kW/kg的破纪录电机。然而，经过多轮尝试，第一台名为APM120的电动机重量仅为14公斤，在12000转/分钟时可以获得125千瓦的峰值功率。此外，持续功率为75kW，峰值扭矩为130Nm。计算表明功率密度约为9 kW/kg。第二台电动机的功率更强大，称为APM 200，重40 公斤，在10,000 转/分钟时可提供220 千瓦的峰值功率。此外，持续功率为110kW，峰值扭矩为450Nm。计算表明功率密度约为5.5kW/kg。

高速

在电驱动总成输出扭矩和功率不变的约束下，通过提高驱动电机和减速器的最高转速，减小电机的体积和重量，提高功率密度水平。国外汽车公司如大众、沃尔沃、克莱斯勒等不断提高电机转速，以减小电机的尺寸和重量。大众的模块化电驱动平台（MEB平台）电机最高转速达到16000rpm，沃尔沃和克莱斯勒的电机转速要求达到14000rpm，特斯拉的电机转速要求达到14000rpm。 Model3驱动电机最高转速达到17900rpm。我国驱动电机的功率密度、效率等整体技术提升较快，技术水平与国外同类产品相当。驱动电机的重量比功率已达到4.0kW/kg以上。新能源电驱动系统正在高速发展，转速级别已从主流的15000rpm升级到18000rpm甚至20000rpm以上。但高速带来的散热、转子结构、振动噪声、高效设计、轴承等问题亟待解决。高速电机的转子结构必须克服离心应力。一般在“高速”范围内采用金属护套、转子结构等，而在超过18000转范围内则采用碳纤维缠绕。