由于各國汽車油耗和尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)不斷趨嚴(yán)，以及新能源汽車?yán)m(xù)航里程問題未能得到有效解決，輕量化設(shè)計有望成為汽車行業(yè)未來發(fā)展的一大方向。實驗研究表明，汽車質(zhì)量每下降10%，油耗下降8%，排放減少4%，汽車輕量化能夠兼顧提高燃油經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性的雙重目標(biāo)。

　　近年來汽車輕量化受到系列政策的扶持。今年10月《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》發(fā)布，輕量化成為七大技術(shù)路線圖之一。該路線圖提出到2030年汽車單車用鋁量超過350kg，單車使用鎂合金45kg，碳纖維使用量占車重5%?！爸袊圃?025”規(guī)劃要求，到2020年通過高強(qiáng)度鋼、鋁鎂合金等復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用，實現(xiàn)平均整車減重目標(biāo)5%至20%。驅(qū)動系統(tǒng)占純電動汽車總質(zhì)量的30%-40%，因此，驅(qū)動系統(tǒng)的輕量化是整車輕量化的重點之一。

　　目前實現(xiàn)汽車輕量化的方法較多，主要為材料、結(jié)構(gòu)和工藝三個方面。其中，輕量化材料的應(yīng)用是汽車輕量化最基礎(chǔ)、最核心的手段。汽車輕量化的主要輕質(zhì)材料包括鋁合金、鎂合金和碳纖維。

　　而對于新能源汽車用電機(jī)系統(tǒng)來說，要達(dá)到輕量化的目的，又應(yīng)該從哪些方面入手?

　　尼得科集團(tuán)(KDS)技術(shù)總監(jiān)席榮盛認(rèn)為，電機(jī)系統(tǒng)輕量化需要采用高性能的材料，配以全鋁散熱結(jié)構(gòu)和高功率(轉(zhuǎn)矩)密度設(shè)計才能夠?qū)崿F(xiàn)。

　　而上海力信電氣技術(shù)有限公司總裁魯克銀也認(rèn)為，電機(jī)輕量化需要圍繞槽形、轉(zhuǎn)子繞組、電機(jī)軸等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

　　總的來說，我們了解到，創(chuàng)新設(shè)計、材料選擇和集成化是電機(jī)企業(yè)實現(xiàn)輕量化目標(biāo)的重要方式。

　　電機(jī)輕量化的實現(xiàn)方式

　　1優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)

　　業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，改變絕緣的厚度，或者優(yōu)化通風(fēng)結(jié)構(gòu)、電機(jī)繞組方式等可以有效減小電機(jī)的體積，降低電機(jī)的重量。常見的有轉(zhuǎn)子貼心增加減重空設(shè)計或者采用轉(zhuǎn)子支架降低轉(zhuǎn)子重量。

　　其中，在永磁同步電機(jī)永磁體槽底部和電機(jī)軸表面之間存在很大的半徑差距，存在較大的優(yōu)化空間。通過電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度和磁路仿真試驗，改善轉(zhuǎn)子中減重槽的結(jié)構(gòu)和尺寸，配以輕量高強(qiáng)度的合金材料，可以實現(xiàn)電機(jī)的輕量化、高功率密度化。

　　另外，合肥巨一動力系統(tǒng)有限公司混動事業(yè)部技術(shù)總監(jiān)顧杰表示，優(yōu)化磁路結(jié)構(gòu)、分配銅耗和鐵耗、優(yōu)化電機(jī)溫度和改變冷卻方式都可以達(dá)到輕量化的目標(biāo)。

　　2集成化

　　通過機(jī)電集成和控制器集成，有利于減少驅(qū)動系統(tǒng)的重量和體積，其中較為常見的集成有電機(jī)與發(fā)動機(jī)集成、電機(jī)與變速箱集成和電機(jī)與減速器集成等。

　　而西門子研發(fā)的西門子Sivetec MSA 3300，將電動汽車動力系統(tǒng)中的逆變器與電機(jī)集成到一起，兩個組件共用一套冷卻單元，通過這樣的方法，就可以降低驅(qū)動系統(tǒng)的重量和節(jié)省內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)。

　　3材料的選擇

　　一般來說，采用永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動，比異步電機(jī)輕許多，這也是永磁同步電機(jī)作為主流電機(jī)的重要原因。席榮盛表示，高性能永磁材料和高性能導(dǎo)磁材料的運用，可以有效幫助電機(jī)企業(yè)實現(xiàn)輕量化的目標(biāo)。

　　其中，電機(jī)定轉(zhuǎn)子鐵芯材料的選擇極大程度地影響了電機(jī)定轉(zhuǎn)子尺寸、電機(jī)功率密度、電機(jī)鐵耗和電機(jī)效率。專家認(rèn)為，超薄高飽和材料硅鋼片的使用可以有效提高電機(jī)功率體積比和功率密度。

　　與此同時，業(yè)界人士認(rèn)為，鑄銅轉(zhuǎn)子電機(jī)比鑄鋁轉(zhuǎn)子電機(jī)重量輕很多，同時鑄銅電機(jī)的成本也更加低。

　　4小型化

　　小型化主要是通過電容與母排的集成，使用下一代寬禁帶半導(dǎo)體器件，入SIC等方法來縮減控制器的尺寸，從而達(dá)到電機(jī)小型化、輕量化的目標(biāo)。

　　除了上述方式之外，業(yè)界人士還認(rèn)為，輪轂電機(jī)是新能源汽車實現(xiàn)輕量化最有效且直接的方式。因為，輪轂電機(jī)實現(xiàn)了新能源汽車發(fā)動機(jī)、變速機(jī)的一體化，創(chuàng)造性地將動力、傳動和制動裝置整合到輪轂內(nèi)，變中央式驅(qū)動為分布式驅(qū)動，省掉了變速器、傳動軸、差速器等80%的傳動部件，從而減輕30%的重量。

　　技術(shù)難題

　　魯克銀認(rèn)為，在有效的空間內(nèi)，電機(jī)既要是實現(xiàn)輕量化的目標(biāo)，又要保證高安全性能、高功率密度等優(yōu)勢，這不僅需要解決許多技術(shù)難題，也要求電機(jī)企業(yè)具有較高的技術(shù)實力。

　　“太多模塊放在一起集成化，有可能會影響電機(jī)系統(tǒng)的靈活性能。因此，高度集成化還需要考慮電機(jī)的運行靈活性和耦合性問題?！本M(jìn)電動創(chuàng)始人兼CTO蔡蔚這樣表示。

　　另外，由于技術(shù)限制，國內(nèi)企業(yè)在材料和加工成本控制難度較大，導(dǎo)致電機(jī)系統(tǒng)的生產(chǎn)成本較高，這在一定程度上制約了電機(jī)輕量化的發(fā)展。

　　總的來說，無論是電機(jī)的輕量化，還是新能源汽車的輕量化，都需要新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)共同努力，做好技術(shù)創(chuàng)新和工藝優(yōu)化，才有可能實現(xiàn)最終目標(biāo)。

　　發(fā)展趨勢及意義

　　電機(jī)小型、輕量化的趨勢是什么?

　　電機(jī)的小型化、輕量化已經(jīng)成為國際大牌電機(jī)企業(yè)的技術(shù)發(fā)展方向。舉個例子，我們國產(chǎn)的高壓電機(jī)，其中心高相對國際水平要高一到兩個檔。高壓電機(jī)的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，大型電機(jī)小型化的手段比較多，可以通過改變絕緣的厚度，或通風(fēng)的結(jié)構(gòu)等來實現(xiàn)。這兩年技術(shù)發(fā)展方向是絕緣材料的減薄，雖然國內(nèi)領(lǐng)先電機(jī)廠一直在研究降中心高和小型化，但和國際先進(jìn)水平還有一定差距。

　　對小型電機(jī)來說，做到小型化，以往來說是不太容易的。相對大型電機(jī)，低壓電機(jī)本身的功率都不大，通風(fēng)的冷卻方式和絕緣方式是固定的，可以調(diào)整的方式有限。另外從材料上分析，高效電工鋼片的出現(xiàn)，對提高能效水平是一個促進(jìn)。銅和鋁材的發(fā)展，特別是臺灣在研究高導(dǎo)率的銅，電阻率比現(xiàn)在的銅還要降低一半，對低壓電機(jī)會是更大的飛躍，但現(xiàn)在還沒有實現(xiàn)。所以目前要達(dá)到高效低壓電機(jī)的小型化和輕量化，比較可行的技術(shù)路徑就是采用銅轉(zhuǎn)子技術(shù)。

　　電機(jī)小型化、輕量化對工業(yè)制造和社會的意義?

　　中國工業(yè)2025和德國工業(yè)4.0核心是工業(yè)的智能化，但智能化的一個前提條件就是各種工業(yè)設(shè)備的小型化、輕量化。這對于減低成本、節(jié)省設(shè)備空間、節(jié)能降耗及智能化都有密切的聯(lián)系。舉個例子，我國汽車制造平均油耗2011年百公里為7.5升，到2015年降到6.9升，但是要達(dá)到國家提出的2020年百公里5升的目標(biāo)還有距離。要達(dá)到這樣嚴(yán)格的目標(biāo)，除了大幅提升汽車技術(shù)水平以外，車輛小型化、輕量化及小排量化也是不可避免的，其中汽車電機(jī)的小型化、輕量化是非常重要的一環(huán)。從這個例子可以看出電機(jī)小型化、輕量化與節(jié)能降耗相關(guān)，與制造業(yè)的未來發(fā)展方向相關(guān)，與中國工業(yè)的制造工藝水平相關(guān)，意義重大。