引言
尊敬的各位嘉宾、同行专家，大家好！我是Hossain Mohammadi，来自纬湃科技加拿大公司。今天非常荣幸能够在CTI Symposium USA 2024上与大家分享我们在电动汽车牵引电机领域的最新研究成果。本次演讲的主题是《面向无稀土设计的电动汽车牵引电机》。随着全球对可持续发展和环保技术的关注日益增加，电动汽车（BEV）的市场需求也在快速增长。然而，传统的电动汽车牵引电机依赖于稀土材料，尤其是钕铁硼（NdFeB）永磁体，这不仅带来了供应链风险，还增加了成本。因此，开发无稀土设计的牵引电机成为了行业的一个重要课题。
纬湃科技公司简介
在深入探讨技术细节之前，我想简要介绍一下纬湃科技。我们是一家全球领先的可持续移动出行解决方案提供商，专注于电动、混合动力和内燃机车辆的智能系统解决方案和组件。我们的产品组合包括电驱动系统、功率电子、电池管理系统（BMS）、电子控制单元、传感器、执行器以及废气处理解决方案。公司总部位于德国雷根斯堡，全球拥有约50个生产基地和研发中心，员工总数超过35,500人。2023年，我们的销售额达到了92.3亿欧元。
挑战与机遇
在电动汽车领域，牵引电机的设计面临着多重挑战。首先，稀土材料的供应链存在不确定性，价格波动较大，这直接影响了电机的成本。其次，随着电动汽车市场的快速扩展，电机组件的开发周期需要大幅缩短，以满足市场的快速需求。此外，电机还需要具备高效率、高性能和广泛的功率范围，以适应不同市场的需求。
为了应对这些挑战，我们提出了“无稀土设计的牵引电机解决方案”。通过采用“永磁辅助同步磁阻电机（PMa SynRM）”拓扑结构，我们不仅降低了材料成本，还减少了对稀土材料的依赖。这种设计不仅具有可持续性，还能在短时间内满足市场的多样化需求。
牵引电机基准测试
为了验证我们的无稀土设计，我们选择了现代IONIQ 5的后驱电机作为基准测试对象。该电机采用了48槽、8极、8层绕组设计，峰值功率为155 kW，峰值扭矩为350 Nm，最大转速为15,000 rpm。电机总质量为61.9 kg，其中永磁体质量为1.92 kg，使用的是钕铁硼（NdFeB）材料。
通过有限元分析（FEA），我们对IONIQ 5的电机进行了几何建模，并验证了其性能和扭矩-转速包络线。在此基础上，我们设计了无稀土版本的PMa SynRM电机，采用了相同的几何尺寸，但在定子槽数、极数和绕组层数上进行了优化，并使用高等级铁氧体永磁体替代了稀土材料。
无稀土设计的PMa SynRM电机
我们的无稀土设计采用了“永磁辅助同步磁阻电机（PMa SynRM）”拓扑结构。这种设计通过优化定子和转子的几何结构，最大限度地提高了磁阻转矩，从而减少了对永磁体的依赖。我们使用了高等级的铁氧体永磁体，虽然其磁性能不如钕铁硼，但通过设计优化，我们仍然能够实现较高的电机性能。
在初始设计中，我们保持了与IONIQ 5电机相同的封装尺寸，包括定子外径和堆叠长度。通过对不同配置的定子槽数、极数和绕组层数进行优化，我们最终选择了“Config-8”作为最佳设计方案。该设计在峰值功率、峰值扭矩和连续功率方面表现出了最佳的性能折衷。
设计性能对比
在性能对比中，我们的无稀土设计在部分扭矩区域表现出了与IONIQ 5电机相似的性能。尽管由于铁氧体永磁体的磁性能较弱，峰值扭矩和峰值功率有所降低，但通过设计优化，我们仍然能够满足大多数车辆级别的操作需求。特别是在US06测试中，我们的电机在扭矩和转速方面表现出了与原始电机相似的性能。
此外，我们的无稀土设计在电机效率方面也表现优异。通过电机效率图可以看出，我们的设计在宽转速范围内保持了较高的效率，并且在低温环境下没有出现退磁现象。这意味着我们的电机在各种工况下都能保持稳定的性能。
材料成本与可持续性
在材料成本方面，我们的无稀土设计显著降低了对永磁体的依赖。IONIQ 5电机中，永磁体占据了总材料成本的50%，而在我们的设计中，永磁体的成本占比降低到了26%。这使得我们的电机总成本降低了40%以上。
在可持续性方面，我们的无稀土设计也表现出了显著的优势。通过减少对稀土材料的使用，我们的电机在全球变暖潜能（GWP）方面的贡献降低了55%以上。这意味着我们的电机不仅在成本上更具竞争力，还在环保方面做出了重要贡献。
加速设计流程
为了加快无稀土电机的开发进程，我们采用了“加速设计流程”。这一流程能够在短时间内生成数千种电机设计方案，并通过多物理场仿真快速评估其性能。通过这一流程，我们能够在几周内完成传统设计流程需要数月才能完成的工作。这不仅缩短了产品的上市时间，还为我们提供了更多的设计灵活性，以满足不同应用场景的需求。
结论
总的来说，我们的无稀土设计在成本、性能和可持续性方面都表现出了显著的优势。通过采用永磁辅助同步磁阻电机（PMa SynRM）拓扑结构，我们不仅降低了对稀土材料的依赖，还实现了高效率和高性能的电机设计。我们的加速设计流程进一步缩短了产品的开发周期，使我们能够快速响应市场的需求。
纬湃科技致力于提供“可扩展、模块化和可持续的电驱动解决方案”，帮助客户缩短产品上市时间，并在全球范围内推动电动汽车的普及。我们相信，通过无稀土设计的牵引电机，我们能够为电动汽车行业带来更加环保、高效和经济的解决方案。
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