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电动机的挑战

种种迹象显示,电动车正逐渐取代传统汽车成为未来人们出行的主要移动工具.

英国与法国已经决定将禁售燃油车,不少车企表示所使用的内燃发动机将有可能是其研发的最后一代产品,而在今年法兰克福车展上,几乎每家车企都制订了汽车电动化计划.

作为汽车的核心部件之一,内燃发动机的研发与应用已有百年历史.如今,设计、研发与制造的重点已转向了电动机上面,从内燃发动机到电动机的转变也将成为迄今为止影响汽车行业的最大一次变化.

目前来说,人们对电动机的了解程度并不像对内燃机那样详细,在电动机设计与大规模生产上面存在着不少新挑战,发动机工厂也需要重新更换设备.

拿通用汽车来说,他们并没有从供应商那里购买现成的电动机,而是在公司内部自行设计.雪佛兰Volt与Bolt 的电动机就是由公司全球驱动系统执行总监拉里·尼茨(Larry Nitz)领导的工程团队设计的.

采用在公司内部进行设计的方式,是为了能够尽可能完善电动机的使用效率.即使是交由其他生产商进行制造,设计环节也是由通用的工程师完成.

一个传统四缸内燃发动机由数百个零件组成,与之相比,电动机就简单了许多,主要由定子、转子、电枢、换向器、绕组和轴承等构成.虽然电动机在构造上没有内燃机复杂,但在诸如成本、重量、平顺性等改进方面,也面临着相同的挑战.

“电动机的工作效率已经比内燃机高出一倍,但仍有提升空间.永磁电动机与感应电动机都有着渐进式的改进.”尼茨说.

不仅如此,工程师们也在通过传统方法来改进电动机技术水平.

“不论是使用哪种发动机,目标是一致的,都是为了让车辆达到行驶、拥有更多空间以及减少车重的目标,同时,车辆还要发挥出最大的效率.”尼茨解释道,“尺寸、重量、成本、性能、效率与噪音等各方面内容都要考虑到才行,这也是汽车吸引人的地方.”

目前,国际汽车工程师学会(SAE International)还没有衡量电动机效率的标准,但也许这一现状很快就会改变.SAE全球汽车产品总监约翰·廷蒂纳利(JohnTintinalli)表示,SAE正在研究制定电动机效率水平的方法.

还是拿通用作为例子,其衡量电动机效率的方法有两种,一种是通过电能转化为机械能的水平,也就是电池存储的能量实际转变为车辆行驶能力的高低.

另一种方法是测量电机的交流电与轴功率.与内燃机一样,电动机也在一定的转速与负荷工况下有着最高的运转效率,工程师可以针对不同的车辆进行调试.

大多数内燃机的最高转速大约为6000 rpm,而电动机的转速可达9000 rpm.为了能够选出最好的电机版本,通用建立了电机产品开发系统(electric motor productdevelopment system),对电机电磁进行了3万次到5万次迭代测试.

但这也会带来问题,因为发动机内部离心力作用会导致转子和定子之间的空隙发生变化,所以必须通过机电系统对内部进行控制.

更大的挑战来自于轴承系统,比如如何保持电机转子的同心度以及定子与转子的安装方式.尼茨表示,这甚至比之前解决变速器上出现的问题还要难.

电动机本身带来的挑战也将在接下来的几年里影响汽车的动力总成.人们提及涡轮增压、10 级变速、可变气门正时、燃油喷射与点火系统等内燃机汽车词语的频率将变得越来越少,听到更多的将有可能是牵引电机、逆变器、磁体或线圈了.

(ABR记者叶无极编译)

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