最高轉(zhuǎn)速的電機之王誕生了。

　　出自澳大利亞新南威爾士大學的實驗室，每分鐘可以達到100000次的轉(zhuǎn)速。

　　更高的轉(zhuǎn)速，意味著可以實現(xiàn)更高的功率密度，在相同功率下，電機的尺寸也會更小，同理，消耗的能源更少。

　　更快的轉(zhuǎn)速也能提升電車性能，幫助電動車減輕重量，從而增加續(xù)航里程。

　　這款新型電機不止這些功能，還具備以下優(yōu)點：

　　1.所需的稀土材料減少70％

　　2.每公斤7千瓦的峰值功率密度

　　3.制造成本比傳統(tǒng)電機更低

　　4.還可用于高速壓縮機、飛機發(fā)動機內(nèi)部集成等領(lǐng)域

　　最重要的是，這款電機并不只是實驗室產(chǎn)物。按照研發(fā)團隊的說法，如果特斯拉想采用這款電機，6-12個月就能調(diào)整規(guī)格上車。

　　01

　　靈感來自長橋，稀土材料只用30％

　　電機是電動車的核心，也決定了一輛車的性能高低，比如續(xù)航的長短，跑的快不快，極速多少等等。

　　來源：UNSW

　　不過要想達到能效最優(yōu)，總會陷入一種取舍和博弈。

　　比如為了增加續(xù)航，可以加大電池組，但也會加大電池組和車身重量，同時產(chǎn)生很多其它問題，比如需要改變電池管理系統(tǒng)以及車身結(jié)構(gòu)等。

　　除了電池，就是在電機這個重要硬件方面下功夫。通常情況下，電機的體格越大，就會越容易獲得高效率。怎么讓電機更小，同時保持足夠的性能，甚至更優(yōu)，是不少研發(fā)人員重點攻克的方向。

　　新南威爾士大學電氣工程與電信學院的副教授 Rukmi Dutta 和 Guoyu Chu博士領(lǐng)導的一個團隊表示，他們采用了一種新型技術(shù)，可以顯著改善現(xiàn)有的內(nèi)部永磁同步電機 （IPMSM）。

　　新型電機的最大功率和速度使得現(xiàn)有高速記錄翻了一番，每分鐘可達10萬轉(zhuǎn)，使其成為世界上最快的內(nèi)置式永磁同步電機。

　　“電動汽車的一個趨勢是讓電機以更高的速度旋轉(zhuǎn)?！?Guoyu Chu博士表示，每個電動汽車制造商都在嘗試開發(fā)高速電機，原因是物理定律的性質(zhì)允許你縮小機器的尺寸，使用更小的機器，消耗的能量也會更少，車輛的續(xù)航里程更長。

　　這款電機是如何在同樣體積下，擁有更高的轉(zhuǎn)速呢？

　　研發(fā)團隊表示，新電機的設(shè)計靈感來自韓國的Gyopo鐵路橋，這個設(shè)計結(jié)構(gòu)克服了傳統(tǒng)IPMSM的常見缺陷。

　　比如IPMSM型電機在其轉(zhuǎn)子中嵌入了磁鐵，以產(chǎn)生強大的扭矩以擴大速度范圍。然而，由于其轉(zhuǎn)子中的鐵橋很薄，導致IPMSM的機械強度較低，這限制了它們的最大速度。

　　其實這也是為什么很多人認為EV用電機并不具備體格優(yōu)勢，因為汽車用電機存在體積、形狀以及質(zhì)量等多種限制，這些限制也注定了電機很難實現(xiàn)大幅進化。

　　研究團隊采用了雙系拱結(jié)構(gòu)設(shè)計了一種新的轉(zhuǎn)子拓撲結(jié)構(gòu)，并創(chuàng)建了現(xiàn)有技術(shù)的更強大版本，可以有更好的功率重量比。

　　有了這個新型的結(jié)構(gòu)，電機的峰值功率密度達到了每公斤7千瓦。

　　新南威爾士大學團隊表示，與現(xiàn)有技術(shù)相比，新電機還具有顯著的成本優(yōu)勢：每臺電機使用的稀土材料更少。

　　一般情況下，一些高速電機通過套筒來加強轉(zhuǎn)子，而套筒通常由鈦或碳纖維等高成本材料制成。因為轉(zhuǎn)子拓撲結(jié)構(gòu)具有很好的機械穩(wěn)定性，所以新型電機也不需要套筒，也只需要30％的稀土材料，比如釹，從而降低了制造成本。

　　02

　　電機可以隨意DIY，最快半年就能上車

　　其實對于新能源車來說，一臺好的電機需要具備基本不少要素，比如體積小，功率大，轉(zhuǎn)速高。

　　電機的輸出功率由扭矩和轉(zhuǎn)速的乘積決定，在輸出功率不變的情況下，轉(zhuǎn)速越高，馬達的扭矩就越小，成反比狀態(tài)。

　　而扭矩則是由馬達的半徑和施加于馬達的力決定的，在施加馬達的力不變的情況下，扭矩越小，馬達的半徑就可以越小，電機的體積也就可以變得更小。

　　就像是在美國被譽為“特斯拉殺手”的Lucid，作為目前世界上量產(chǎn)純電動車中峰值功率最高的電機，達到了500Kw的功率輸出。但其體積卻相當小，Lucid Air的電動機重量為74千克，而特斯拉單電機的重量高達92千克。

　　Lucid電機的體積之所以小巧，很大程度上得益于其轉(zhuǎn)子繞組體積小，也就是馬達半徑更小。

　　正是因為小巧的體積以及超高的功率輸出，其被譽為“最強電機”。

　　而澳大利亞的新南威爾士大學，以研發(fā)的技術(shù)過硬而著稱，在工程技術(shù)界其地位就像清北在中國的地位。

　　電機的研發(fā)主導團隊之一Rukmi Dutta博士是電氣工程與電信學院能源系統(tǒng)高級副教授，專業(yè)研究電機的設(shè)計和控制領(lǐng)域，例如汽車和可再生能源部門的永磁電機。她在美國和澳大利亞為許多動力企業(yè)提供咨詢服務(wù)。

　　另一位新項目主導人——博士研究員Guoyu Chu，同樣也是來自電氣工程與電信學院，研究領(lǐng)域涉及機械工程，電子工程和電氣工程。

　　Guoyu Chu在2014年獲得山東科技大學電氣工程及其自動化學士學位，2017年獲得澳大利亞新南威爾士大學電氣工程碩士學位后，便一直在新南威爾士大學攻讀電氣工程博士學位至今。

　　這兩位專家在電機領(lǐng)域發(fā)布多篇學術(shù)論文，新型電機則代表著他們在電機方面的最新、最重要的成果。

　　他們帶領(lǐng)研究團隊在設(shè)計這個電機時，還使用了他們研發(fā)的智能輔助優(yōu)化程序，預(yù)先反復(fù)測試了電、磁、機械和熱量等各方面的性能來優(yōu)化電動機設(shè)計。

　　團隊一開始對90種設(shè)計方案進行評估，然后先選擇了按最優(yōu)設(shè)計的前50％來生成一個新的設(shè)計方案，并重復(fù)迭代過程，直到達到所需的最佳效果。

　　要知道最后的電機設(shè)計是他們分析的第120代方案，最終才實現(xiàn)了每分鐘100000轉(zhuǎn)的絕對最大速度和每公斤7千瓦的峰值功率密度。

　　“我們有自己的電機設(shè)計程序包，可以自行輸入速度，功率或者密度的要求?！盌r Guoyu Chu表示，運行這個系統(tǒng)幾周后，就會得到滿足這些標準的最佳電機設(shè)計。

　　按照他的說法，如果像特斯拉這樣的電動汽車制造商想要使用這種電機，那么只需要大約6-12個月，就可以根據(jù)特斯拉提出的規(guī)格要求進行修改，達到最佳的電機設(shè)計。

　　Dr Guoyu Chu表示，如果有供應(yīng)商采用這款電機，會稍微降低轉(zhuǎn)速，同時增加功率，以平衡電車的需求。

　　顯然，這款可隨意DIY的電機并非實驗室獨創(chuàng)，在制造成本降低、能效也最優(yōu)的情況下，大規(guī)模量產(chǎn)也會是大概率事件。