C2I 2019:英国开发了无磁电机准备上路

今年汽车类的冠军，以及C2I 2019大奖赛的冠军，是一款英国开发的无磁电机，对不断增长的电动汽车行业有着巨大的前景。

一种新的无磁电机设计承诺将现有牵引电机的性能与更大的可持续性相结合。

经过六年的研究，高密度开关磁阻电机(HDSRM)最近已经投入生产，并将在几个月内为道路上的商用车提供动力。

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该项目由纽卡斯尔大学衍生出来的先进电机公司(AEM)领导，与商用车制造商Tevva Motors、纽卡斯尔大学本身以及软件专家Motor Design合作。

在电机的主要属性中，消除了稀土永磁体和铜，这两者都使寿命结束处理更加困难。

该电机预计将被广泛应用，但最初的发展集中在商用车市场。

商用车必须应付比乘用车更高的利用率。它们经常以性能范围的峰值一次运行数小时，覆盖大量的高速公路英里。因此，需要一种能够长时间以最高效率运行的稳健技术。商用车行业也高度关注总拥有成本。AEM认为，成功的电动汽车技术将是那些既节省成本又有利于环境的技术。这意味着要考虑到运行效率、维修成本和处置成本。

到目前为止，电动汽车使用的都是永磁电机。先进电机公司首席执行官詹姆斯·威德默博士说:“这让我们震惊，汽车行业正在沿着使用短期、中期和长期存在相关问题的材料来制造未来电动汽车的道路前进。”其中包括用于永磁体的稀土元素，以及用于电机绕组的铜。

维德默博士表示，HDSRM的想法源于本世纪末的一篇博士论文，“似乎具有真正的潜力，尤其是对商用车辆而言”。

开关磁阻电机存在的时间几乎和内燃机一样长，但在性能上存在缺陷，限制了它们在电动汽车中的使用。

与常见的直流电机类型不同，在开关磁阻电机中，功率被输送到定子绕组而不是转子。这简化了机械设计，因为动力不需要传递到运动部件。

AEM的突破是一项专利的主题，它使得使用与永磁电机相同的电力电子驱动SR电机成为可能

转子由“软”磁性材料制成，如层压钢，具有突出的磁极。定子也有一些磁极。当定子绕组通电时，转子移动以使转子极与最近的定子极对齐。为了保持转子的运动，电子控制系统打开转子前面连续定子极的绕组，使转子继续旋转。

然而，开关磁阻电机因噪音大而名声大噪。它们还受到转矩波动的影响——转子旋转时转矩的波动——这使得它们不适合牵引应用。它们需要不同于永磁电机的电力电子设备来驱动，没有规模经济，价格昂贵。

AEM的突破是一项专利的主题，它使得使用与永磁电机相同的电力电子驱动SR电机成为可能。尽管在电力电子设备看来，它是一个标准的三相电机，但实际上它是一个六相设计，解决了转矩脉动和噪声问题。

威德默博士说，开关磁阻电机在三个方面更具可持续性。

首先，在环境方面，如果管理不当，稀土元素的开采和提炼会造成严重问题，还会产生大量二氧化碳。其次，中国控制着全球90%以上的稀土供应。第三，稀土元素价格昂贵——通常为每公斤100美元(日产Leaf等汽车的发动机大约需要2公斤)，价格波动很大，特别是考虑到当前的美中贸易战。Widmer说:“因此，我们的电机提供了同等的性能、环保优势和成本节约。”

AEM还开发了一种专利制造工艺，允许铝用于绕组

铜历来被用于电机，因为它是良导体，易于使用。铝不是很好的导体，不太容易缠绕，而且随着时间的推移会以不同的方式硬化。然而，AEM还开发了一种专利制造工艺，允许铝用于绕组。铝的价格是铜的十分之一，而且更容易回收——因为铝的熔化温度比钢低，所以在电机寿命结束时可以单独回收，而铜会污染钢。

传统电机中永磁体的另一个缺点是，如果它们太热，就会失磁。在混合动力汽车中，电动机需要一个独立于内燃机的冷却回路。开关磁阻电机可以运行得更热，并可由IC发动机冷却系统冷却。

另一个区别是，永磁电机永远不会“关闭”。电机在旋转时总是产生电流或转矩。当HDSRM没有被驱动时，它是真正的“关闭”，AEM团队申请了一项多电机设计专利，该设计允许在任何给定时间打开或关闭一个或多个电机，以匹配车辆的性能要求——这相当于电动汽车的汽缸停用。因此，多电机系统可以在更广泛的车辆驾驶周期内以最高效率运行。

然而，尽管纽卡斯尔大学(Newcastle University)与大公司在这项技术上进行了数年的研究，但应用的进展一直很缓慢。成立这家分拆出来的公司是为了加快发展的步伐。

它找到了合作伙伴和主要客户Tevva Motors。“我们需要像Tevva这样的合作伙伴，Tevva是一家创新的技术驱动型企业，专注于中型商用汽车市场的电动汽车技术，”Widmer博士说。

Tevva已经开发和生产了一系列技术，从定制的电池管理系统到基于云的软件自主控制的范围扩展器，旨在为中等负荷城市配电行业的电气化提供解决方案。成立于2013年的Tevva意识到，越来越严格的排放法规意味着该行业的电气化时机已经成熟。

Tevva的Rex增程器消除了电动汽车技术在该领域采用的主要障碍之一——里程焦虑，而其智能地理围栏系统则根据车辆行驶的位置自动启动和脱离系统。

该项目的其他主要合作者是纽卡斯尔大学，它是AEM的股东，并继续与AEM密切合作。威德默博士说:“如果没有大学，这项技术就不可能发展出来。”

马达设计公司是一家创新型的中型公司，它提供的软件可以通过对马达性能的快速建模来加速开发，特别是预测它会变得多热。

AEM的年生产能力为12000台，其电机正在其他领域进行评估，如船用辅助动力(用于绞车等)，以及在工业领域，它们可以取代感应电机，与标准工业驱动器一起工作。威德默博士说:“任何能旋转永磁电机的东西都能驱动我们的电机。”

目前的模型只是第一代，正在考虑在乘用车、拖拉机、农用车和航空航天领域的应用。

汽车类由Comsol

C2I 2019的头条赞助商是Frazer-Nash咨询公司