非晶電機(jī)在新能源汽車行業(yè)的應(yīng)用前景分析

廣汽埃安在2023年3月發(fā)布全新一代高性能集成電驅(qū)技術(shù)群 - 夸克電驅(qū)。其中的納米晶 - 非晶超效電機(jī)是其三大核心技術(shù)之一。埃安使用納米晶 - 非晶材料制作電機(jī)鐵芯，降低了電機(jī)50%鐵芯損耗，使得電機(jī)工況效率提升至97.5% ，電機(jī)最高效率達(dá)到98.5%，電機(jī)功率密度高達(dá)12kw/kg，相比行業(yè)提升100%。

從此，非晶電機(jī)走進(jìn)新能源汽車電驅(qū)動(dòng)可探索的技術(shù)領(lǐng)域之中，以下是一些非晶電機(jī)在新能源汽車行業(yè)的應(yīng)用前景分析：

非晶電機(jī)是基于非晶合金材料制造而成，核心是由非晶鐵芯替代硅鋼鐵芯，比傳統(tǒng)硅鋼電機(jī)在能效提升、小型化和輕量化等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。在新能源汽車行業(yè)，非晶電機(jī)具有高效節(jié)能、功率密度和扭矩密度大的特點(diǎn)。

· 市場(chǎng)規(guī)模：據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2024年上半年，中國(guó)新能源汽車的銷量達(dá)到了494.4萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)32%，市場(chǎng)占有率達(dá)到35.2%。新能源汽車的崛起得益于多方面的因素，其中包括環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)、政府的支持、技術(shù)的不斷成熟以及智能化水平的提高等。這些因素都為非晶電機(jī)在新能源汽車行業(yè)的應(yīng)用提供了有利的市場(chǎng)環(huán)境。

· 自身優(yōu)勢(shì)：非晶電機(jī)在高速、高頻下性能優(yōu)勢(shì)更明顯，且非晶電機(jī)功率密度高，可減小體積、節(jié)省材料，降低電機(jī)的材料成本和電機(jī)的其他損耗。與傳統(tǒng)硅鋼電機(jī)相比，非晶電機(jī)渦流損耗顯著低于硅鋼片，運(yùn)行效率可達(dá)到97%，而傳統(tǒng)電機(jī)最高為87%。

· 發(fā)展趨勢(shì)：隨著新能源汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)電機(jī)的要求也越來(lái)越高，如高效、高速、節(jié)能等。非晶電機(jī)在這些方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因此有望在新能源汽車行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

· 技術(shù)突破：近年來(lái)，非晶電機(jī)技術(shù)不斷取得突破，如廣汽埃安于2023年3月發(fā)布的全球首個(gè)納米晶-非晶超效率電機(jī)，該電機(jī)能以極小的體積迸發(fā)出強(qiáng)勁的功率，電機(jī)功率密度高達(dá)12kw/kg，相比行業(yè)6kw/kg的平均水平，提升了100%。

然而，非晶電機(jī)在新能源汽車行業(yè)的應(yīng)用也面臨一些挑戰(zhàn)，如成本高、材料易損傷、磁飽和點(diǎn)較低等。此外，非晶電機(jī)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程也需要進(jìn)一步加快，以滿足新能源汽車行業(yè)的大規(guī)模應(yīng)用需求。

非晶電機(jī)在新能源汽車領(lǐng)域的發(fā)展面臨以下一些挑戰(zhàn)：

材料相關(guān)挑戰(zhàn)

1. 非晶材料特性局限：

· 硬度高：薄而硬，加工難度大，幾乎沒有延展性，非晶材料維氏硬度達(dá)到900左右，幾乎與鎢鋼相當(dāng)，是硅鋼的5倍。這導(dǎo)致在鐵芯制造過程中如沖壓、切割等環(huán)節(jié)刀具磨損嚴(yán)重、設(shè)備要求高、成本上升。

· 磁飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度偏低：在高轉(zhuǎn)矩輸出場(chǎng)景處于劣勢(shì)，限制了其在一些對(duì)動(dòng)力要求極高工況下的應(yīng)用。

· 磁滯伸縮系數(shù)大：是硅鋼片的幾倍，且應(yīng)力敏感，導(dǎo)致鐵芯疊壓系數(shù)低、電機(jī)振動(dòng)噪聲偏大。

· 溫度敏感性：退火后脆性大且磁性能對(duì)溫度較為敏感，在不同溫度下性能不穩(wěn)定，影響電機(jī)在不同環(huán)境下的可靠性。

· 退火脆性：退火后材料變脆，后續(xù)成型加工難度大，產(chǎn)品一致性和穩(wěn)定性較差，在電機(jī)裝配過程中易出現(xiàn)碎片影響電機(jī)性能。

· 精度要求高：非晶片料?。?.025mm左右），相比于硅鋼片（0.35mm），在層疊對(duì)中度、精度、加工穩(wěn)定性等方面要求更高，增加了制造難度。

2. 材料供應(yīng)穩(wěn)定性和成本：

· 目前非晶帶材等原材料的生產(chǎn)工藝還在發(fā)展完善中，生產(chǎn)效率相對(duì)較低，導(dǎo)致供應(yīng)穩(wěn)定性可能存在一定風(fēng)險(xiǎn)。

· 初期成本較高，相比成熟的硅鋼電機(jī)材料體系，成本上的競(jìng)爭(zhēng)劣勢(shì)會(huì)影響車企的選擇和市場(chǎng)推廣速度。

制造工藝挑戰(zhàn)

1. 成型工藝復(fù)雜：

· 線切割工藝：相對(duì)成熟但效率低，加工時(shí)大電流會(huì)產(chǎn)生熔融層，增加能量損耗。

· 沖壓工藝：雖然效率高，但對(duì)模具精度和質(zhì)量要求極高，模具成本高且模具壽命可能受材料硬度影響。

· 鐵芯疊裝工藝：因材料特性要求高精度的疊裝來(lái)保證電機(jī)性能，難度較大。

退火工藝控制：退火是為了降低內(nèi)應(yīng)力恢復(fù)磁性，但會(huì)使非晶合金變脆，使后續(xù)加工難度變大，成品率降低，產(chǎn)品一致性和穩(wěn)定性變差；在電機(jī)裝配過程中易出現(xiàn)碎片。

缺乏成熟的自動(dòng)化生產(chǎn)體系：在實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高質(zhì)量、一致性的生產(chǎn)方面，還沒有形成成熟高效的自動(dòng)化產(chǎn)線和制造流程。

設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

1. 電磁設(shè)計(jì)難度：

· 由于非晶材料的磁特性與傳統(tǒng)材料有較大差異，缺乏豐富、標(biāo)準(zhǔn)的材料B - H、B - P（多頻率下）庫(kù)，不利于電機(jī)設(shè)計(jì)工程師選型和精確設(shè)計(jì)。

· 磁場(chǎng)分布復(fù)雜，在設(shè)計(jì)中如何充分利用非晶材料特性來(lái)優(yōu)化電機(jī)磁場(chǎng)分布、減少損耗、提高電機(jī)效率和功率密度等是難點(diǎn)。

2. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)：

· 要考慮非晶鐵芯特性來(lái)設(shè)計(jì)電機(jī)結(jié)構(gòu)以優(yōu)化散熱、降低振動(dòng)噪聲等，目前經(jīng)驗(yàn)和成熟方案較少。

· 如何與新能源汽車其他部件進(jìn)行最優(yōu)化的空間布局和系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)。

性能驗(yàn)證和可靠性挑戰(zhàn)

1. 長(zhǎng)期可靠性缺乏數(shù)據(jù)：作為一種新興技術(shù)應(yīng)用在新能源汽車上，其長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性和耐久性數(shù)據(jù)積累不足，難以讓車企和消費(fèi)者完全信任。

2. 性能驗(yàn)證復(fù)雜：由于非晶電機(jī)的特性，對(duì)其性能如效率、功率密度、噪聲、振動(dòng)、電磁兼容性等驗(yàn)證方法和標(biāo)準(zhǔn)體系還不完善，使得難以全面準(zhǔn)確評(píng)估其性能。

市場(chǎng)和產(chǎn)業(yè)協(xié)同挑戰(zhàn)

1.  產(chǎn)業(yè)鏈配套不成熟：上下游企業(yè)之間的協(xié)作還不夠緊密和成熟，比如非晶材料供應(yīng)商、電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)、汽車主機(jī)廠之間在產(chǎn)品規(guī)格、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、供貨周期等方面的協(xié)同性較差。

2.  市場(chǎng)接受度：在初期面臨市場(chǎng)對(duì)新技術(shù)的認(rèn)知度和接受度不高的問題，在與傳統(tǒng)電機(jī)競(jìng)爭(zhēng)中，需要花費(fèi)大量時(shí)間和成本進(jìn)行市場(chǎng)推廣和教育。

3.  標(biāo)準(zhǔn)體系缺乏：行業(yè)內(nèi)缺乏統(tǒng)一的非晶電機(jī)設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系，影響產(chǎn)品的規(guī)模化生產(chǎn)和應(yīng)用。

如何應(yīng)對(duì)非晶電機(jī)在新能源汽車領(lǐng)域發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)？

以下是一些可以提高非晶電機(jī)在新能源汽車領(lǐng)域性能的方法：

材料優(yōu)化

1. 研發(fā)高性能非晶合金：通過調(diào)整合金成分和制備工藝，開發(fā)具有更高磁導(dǎo)率、更低損耗和更好機(jī)械性能的非晶合金材料。

· 例如，引入特定的微量元素來(lái)改善磁性能和降低脆性。

2. 改進(jìn)非晶帶材的質(zhì)量：提高帶材的平整度、厚度均勻性和表面質(zhì)量，減少缺陷，以提高電機(jī)的性能和一致性。

電磁設(shè)計(jì)改進(jìn)

1. 精確的磁場(chǎng)建模：采用更先進(jìn)的電磁仿真軟件和算法，建立更準(zhǔn)確的電機(jī)磁場(chǎng)模型，優(yōu)化磁路設(shè)計(jì)。

· 比如考慮非晶材料的非線性磁特性和各向異性，進(jìn)行精細(xì)化的磁場(chǎng)分析。

2. 優(yōu)化繞組設(shè)計(jì)：采用合適的繞組形式（如分布式繞組、分?jǐn)?shù)槽繞組等），減少繞組電阻和漏磁，提高電機(jī)的效率和功率密度。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1. 優(yōu)化鐵芯結(jié)構(gòu)：設(shè)計(jì)更合理的定子和轉(zhuǎn)子鐵芯形狀，如采用斜槽、閉口槽等結(jié)構(gòu)，降低齒槽轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，減少振動(dòng)和噪聲。

2. 改進(jìn)冷卻系統(tǒng)：采用更高效的冷卻方式，如油冷、水冷等，提高電機(jī)的散熱能力，以允許更高的電流密度和功率輸出。

控制策略優(yōu)化

1. 先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)控制算法：采用矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等先進(jìn)的控制策略，實(shí)現(xiàn)更精確的電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制，提高動(dòng)態(tài)性能。

· 例如，根據(jù)不同的工況實(shí)時(shí)調(diào)整控制參數(shù)，以優(yōu)化電機(jī)的運(yùn)行效率。

2. 智能控制技術(shù)：引入模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能控制技術(shù)，自適應(yīng)地調(diào)整電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，提高系統(tǒng)的魯棒性和適應(yīng)性。

制造工藝提升

1. 高精度加工技術(shù)：采用激光切割、精密沖壓等高精度加工技術(shù)，提高鐵芯和繞組的制造精度，減少制造誤差對(duì)電機(jī)性能的影響。

2. 先進(jìn)的疊裝工藝：開發(fā)新的鐵芯疊裝方法，確保鐵芯的緊密結(jié)合和良好的磁路性能。

系統(tǒng)集成優(yōu)化

1. 與整車動(dòng)力系統(tǒng)匹配：根據(jù)新能源汽車的動(dòng)力需求和行駛工況，對(duì)非晶電機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的優(yōu)化匹配，實(shí)現(xiàn)整車性能的最大化。 

2. 能量管理優(yōu)化：結(jié)合電池管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)和電池的協(xié)同工作，提高能源利用效率。

多物理場(chǎng)協(xié)同設(shè)計(jì)

綜合考慮電磁場(chǎng)、熱場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等多物理場(chǎng)的相互作用，進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，以確保電機(jī)在復(fù)雜工況下的性能和可靠性。

通過以上多種方法的綜合應(yīng)用，可以有效地提高非晶電機(jī)在新能源汽車領(lǐng)域的性能，使其更好地滿足新能源汽車的發(fā)展需求。

應(yīng)用舉例及總結(jié)展望

廣汽埃安Hyper SSR應(yīng)用納米晶-非晶合金材料，將電機(jī)鐵芯損耗降到最低，效率再次提升，功率密度可達(dá)12kW/kg，能以巴掌大的體積釋放超過V8發(fā)動(dòng)機(jī)的超大功率，為昊鉑SSR的超強(qiáng)性能提供了保證。

昊鉑SSR非晶雙電機(jī)兩擋電驅(qū)總成

據(jù)2024年5月的一些信息，吉利汽車計(jì)劃2024年5月進(jìn)行樣車測(cè)試，預(yù)計(jì)2025年在某款車型量產(chǎn)非晶電機(jī)相關(guān)車輛，規(guī)劃產(chǎn)量5000 - 10000臺(tái)，如果效果明顯后續(xù)將推廣至全平臺(tái)。

綜上所述，非晶電機(jī)在新能源汽車行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景，但也需要克服一些技術(shù)和成本方面的挑戰(zhàn)。未來(lái)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的加快，非晶電機(jī)有望在新能源汽車行業(yè)發(fā)揮更加重要的作用。