☞ 这是金属加工（mw1950pub）发布的第16857篇文章根据电驱动总成的发展趋势，介绍了电驱动总成的四大分类。重点介绍永磁同步电动机、发卡电动机、混合磁铁技术和碳纤维套筒，兼顾高速和低速效率的二级变速器，以及电动机控制器的高压化。阐述了电驱动从独立板块、电动机与变速器集成到轻量化及一体化的零件变化，以及新的加工工艺和刀具。
张书桥 发展新能源汽车是我国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路，新能源汽车概念最早于“863”计划中提出。在新能源汽车发展规划中提出了“三纵三横”的技术研发布局，即以纯电动车、插电式混合动力（含增程式）汽车、燃料电池汽车为“三纵”，布局整车技术创新链，强化整车集成控制创新。以动力电池和管理系统、驱动电动机与电力电子、网联化与智能化技术为“三横”，构建关键零部件技术供给体系，提升产业基础能力。2022年中国新能源汽车持续爆发式增长，全年销量680万辆，市场渗透率25.6%。2023年预计为900万辆，同比增长35%。我国新能源汽车市场培育了全球最大的电动车市场， 电池供应链体系远远领先美国和欧洲，但是品牌竞争力弱，尚未被全球市场广泛接受。电驱动总成是新能源电动车的心脏，等同于传统燃油车的动力总成——发动机+变速器，作用是把化学能转化成电动车的动能，是直接决定车辆动力、能耗等性能的核心部件。 电驱动总成是以电动机作为动力能源的驱动系统，包括电动机控制器、电动机及传动机构。电驱动总成是电动车中至关重要的机构，直接影响到汽车寿命以及驾驶员的安全。 纯电动车的电驱动总成有四种形式，分别为传统布置、电动机&驱动桥组合式、电动机&驱动桥整体式、轮边/轮毂电动机。四种电驱动总成的特点见表1。 表1 四种电驱动总成的特点 电动车驱动系统是电动车中最关键的系统，电动车运行性能主要决定于电动机驱动系统的类型和性能。电动车驱动系统一般由牵引电动机、控制系统（包括电动机驱动器、控制器及各种传感器）、机械减速和传动装置、车轮等构成。它有四种组合形式，分别为机械驱动系统、机电集成化驱动系统、机电一体化驱动系统及轮毂电动机驱动系统[1]。四种驱动系统的特点见表2，几种典型的驱动系统如图1所示。 表2 四种驱动系统的特点  图1 典型的电驱动系统
随着中国新能源汽车销量的逐步增加，电动化将催生电驱动总成成为继电池系统之后的第二个赛道，预计2025—2030年中国新能源汽车电驱动市场规模将达到866亿～1572亿元。 纵观全球新能源汽车研发方向，由于受到车辆空间限制和使用环境的约束，电动汽车对电驱动总成提出了更高的要求：①更高的性能，低速大扭矩，宽恒功率等。②耐环境温度更高，寿命更长，噪声更低。③耐高强度振动，结构坚固，质量轻，体积小。④成本低。⑤参与整车热管理。 美国汽车行业指定了电动机发展路线图，到2025年效率＞97%，功率密度5.7kW/kg，成本3.3$/kW。按照这样的发展方向，今后电动机的改进有以下几方面。 3.1 发卡电动机——Hair-pin扁线电动机技术 相对圆线电动机，采用Hair-pin扁线电动机（见图2）可以明显减小电动机体积、减轻电动机质量、增加电动机功率密度及转矩密度。通常可将槽满率提高至70%以上，超过普通绕组20%～30%，有效降低绕组电阻，从而降低铜耗，产生更强的磁场强度，提升电动机功率密度。扁线之间接触面积大，可提高散热效率。绕组端部更短，可以降低电动机端部空间用铜量15%～20%[2]。 3.2 永磁同步电动机 永磁同步电动机（见图3）的优势是体积小、质量小、功率密度高、运行效率高、结构简单紧凑、扭矩大且平顺、调速性能好。劣势是弱磁控制问题、反电动势及高温振动环境下的退磁问题[3]。 1—机座 2、11—轴承 3—转子铁芯 4—后端盖 5—三相绕组 6—定子铁芯 7、9—冷却水管接头 8—接线盒 10—前端盖 12—轴转子转速与定子磁场的转速保持同步。降低定子、转子的铁耗也非常重要，定子、转子硅钢片内部会因为电流磁场等变化而产生涡流，为了减少这部分的涡流损耗，硅钢片的厚度越来越薄，从0.35mm降到0.3mm以下。为了优化电动机内部的磁场分布，提高电动机效率，针对转子铁芯的磁道设计也得到越来越多的关注。 3.3 混合磁铁技术 混合磁铁技术就是用烧结永磁铁+永磁体粉末与黏合剂混合。美国Lucid Air公司电动机每英里的能耗为218W·h，特斯拉Model S每英里能耗为250W·h，续航里程美国Lucid Air公司超过特斯拉Model S100余英里（1英里=1609.344m）。混合磁铁技术把一切空间利用到极致，磁铁填满所有的空隙。钕铁硼烧结永磁体是难加工成异型的，就是在烧结永磁铁的基础上，将永磁体粉末与黏合剂混合，直接填满整个空间，既解决磁铁固定的问题，又增加了磁通量，如图4所示。 3.4 碳纤维套筒 高转速隔磁桥的设计一直是难点，转子高速旋转，转速大，离心率大，转子边缘的部位容易受压破裂。如果加厚隔磁桥，会产生闭合磁场，在转子内部，没有与定子磁场产生相互作用，磁场就会浪费，效率被限制，产生铁耗、增加发热，高热加剧转子的膨胀和解体的风险。 特斯拉在电动机转子上增加了碳纤维保护套，其核心作用是加强电动机和转子的结构强度，防止高速工况下永磁铁的脱落。特斯拉碳纤维转子如图5所示。 3.5 油冷却 随着电动机功率密度和转速的不断提升，以及集成化使单体部件体积逐渐缩小，传统电动机的风冷或者外壳水冷方式已经无法满足散热需求，油冷电动机技术路线逐渐兴起。冷却油可直接与电动机发热部件接触，散热效率高于传统的水冷和风冷，且油介质具有绝缘性好、介质常数高、凝固点低和沸点高等优势，可提升电动机的效率密度。 对原有的热管理系统进行重新设计，将电动机腔体和减速器打通，然后通过电子油泵或机械设计，使减振器内部原有的冷却润滑油能够进入到电动机内腔，实现定子、转子的物理降温。另外对油品的性能和清洁度有更高的要求。扁线油冷电动机转子如图6所示。 
a）转子外部冷却示意 b）转子芯部冷却示意 c）定子喷淋冷却示意 d）定子槽内冷却示意电动车电动机的工作范围广，转速一般在0～20000r/min，甚至可以达到30000r/min。相对来说，中低转速的情况下，电动机的扭矩非常足，工作效率相对较高；在高速的情况下，电动机的效率和扭矩则会急速下降。而二级变速器的作用就是使电动机尽量工作在高效率的转速区间，从而降低损耗，提高续航里程，可节省的电量高达13%。二级变速器的电动机效率如图7所示。 美国汽车行业三电控制器发展路线图中提出，到2025年电控效率＞98%，密度100kW/L，成本2.7$/kW。 对于电动车来说，高压化可大大减少同等功率需求条件下电驱动总成内组的损耗，提高系统效率，继而可进一步减少达成同样续航里程条件下的电池电量。减少电池成本的同时降低整车质量。另外，高压化还能提高充电效率。因此，提高电动车整车电压至800V，甚至1000V是行业的发展方向。 例如保时捷Taycan是首款800V高压平台的量产车型，同等功率下，当电压从400V提升到800V时，工作电流将降低一半，进而线束体积、功率损耗均有下降。与奥迪e-tron 400V电压平台对比，系统能耗损失降低5%，续航里程增加10%，质量减少20%，系统尺寸优化30%，其中电动机尺寸可优化35%。 电驱动总成不断发展，其新的制造技术主要围绕轻量化、高速化、低噪声及一体化。 6.1 一体化压铸 三电系统通常占新能源汽车质量的30%～40%，因此三电系统是新能源汽车轻量化的主要方向。与传统汽车相比，新能源汽车三电系统将导致整车质量增加，三电系统会额外增加200～300kg的质量。新能源汽车动力总成系统比传统燃油车重1.5～4.0倍。 目前三电系统的电子壳体、电动机壳体、电控壳体、电池构件及电池箱都在使用铝压铸产品，双电动机桶和电控壳体如图8、图9所示。 6.2 强力珩齿 由于电动车中电动机要求更高的转速——15000～30000r/min，更严苛的噪声限制NVH（噪声、振动与声振粗糙度），更高精度的动力齿轮要求——4～5级，更高的波纹度和表面粗糙度，更高的几何公差来降低不稳定性，所以要采用强力珩齿工艺。强力珩齿工艺的特点是机床对于磨齿具有更小的退刀间隙，齿面加工为鱼刺纹，区别于传统磨齿的直线型纹路，此外具有更好的NVH特性，降低噪声，适合高速旋转的电动机轴。 6.3 行星齿轮 锥齿轮结构跟传统的差速器差别很大，采用行星齿轮可实现小型化，多个外部齿轮绕着中间齿轮旋转，行星齿轮承载能力大、体积小，多个行星齿轮相互配合作用，每个齿轮传动之间的效率损失只有3%，几乎无反冲。行星齿轮如图10所示。行星齿轮加工工艺流程为：锻造→车削→强力刮削→热处理→磨孔珩孔→平面磨→珩齿→清洗。 6.4 切削技术 电动机是新能源汽车的核心部件，其制造要求高精度、高效率和高可靠性，特别是切削精度直接影响汽车的质量。很多刀具企业针对驱动电动机壳可提供整体解决方案，例如森泰英格的镗刀（见图11）采用合金钢整体轻量化设计，刀体质量控制在18kg以内，多台阶PCD导条式可调镗铰刀，多切削刃，内冷设计。相较于单刃镗刀，可提高效率6倍以上。另外森泰英格自主研发的可转位强力车齿刀（见图12），采用高刚性精密定位接口技术和复合基多熵纳米涂层技术，刀片耐磨性更好，寿命更长。 电动机轴花键的加工方法有很多，以往主要采用车削、铣削、滚切和磨削等加工方法。滚轧刀通过数控机床进给的优点是刀具可以在任意位置切入工件，而不像传统的搓齿工艺工件成形圈数受齿条长度限制。如图13所示为恒锋工具股份有限公司开发的滚轧刀。 随着电驱动的一体化，电动机轴最受青睐的加工方式还是冷挤压成形工艺，冷挤压的工件尺寸准确、强度高。从生产厂家角度讲，冷挤压工艺节约材料，生产效率高，适用面广。 目前驱动电动机呈多样化发展，美国倾向采用交流感应电流电动机，优点是结构简单、可靠、质量轻，但控制技术较复杂。日本采用永磁直流电动机，优点是效率高、质量小，缺点是成本高，高温退磁抗振性差。德国、英国大力开发开关磁阻电动机，优点是结构简单、可靠且成本低，缺点是质量较大，易产生噪声。 未来电驱动系统的发展趋势有以下几方面：一是将加入更多功率电子，形成多合一集成化，以三电域控制器实现智能化；二是热管理系统的集成化；三是SiC、GaN三代半导体在功率器件中逐渐应用，实现电驱动系统高压化。此外，产品高速、高性能、一体化及轻量化后，对工艺产生新的要求，对加工精度和刀具寿命也会带来巨大的挑战。 参考文献： [1] 王志福，等. 电动汽车电驱动理论与设计[M] . 北京：机械工业出版社，2012. [2] 崔胜民. 新能源汽车概论[M]. 3版. 北京：北京大学出版社，2020. [3] 崔胜民. 一本书读懂新能源汽车[M]. 北京：化学工业出版社，2019. 本文发表于《金属加工（冷加工）》2023年第6期第1~6页，作者：上海市汽车行业协会 张书桥，原标题：《新能源汽车电驱动总成及制造技术》。
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