【taycan金属钕改装】电气技术争夺战已经开始，日电山带来了挑战

[能源人都在看。在右上角加上“关注”。]

随着汽车EV电动化的浪潮，电机开发竞争也在加剧。竞争方向不仅在于小型化、轻量化、高效化等方向，还在于降低成本、减少噪音、抗震等方面的大幅下降。另外，与被称为“E-axle”的三合一电气集成模块相关的竞争也在迅速发展。为了优化复杂的电气和机械组合，电机本身的规格变得越来越难理解。

日本调查机构MARKLINS的经营者吉川郑敏老师说：“两三年前，有关电力的调查请求还很少，但近半年来，这种调查请求占了大多数。”业界对电机的兴趣高得惊人。

2015年“柴油机事件”后，各大汽车制造商开始全面开发EV车型。汽车中使用的电动机(驱动轮胎的主机、刹车和转向自动化装置等)每辆车大约装有100~200个电动机。新车型和新功能总是包括安装新马达或增强功能。

日本Nidec在2019年10月的财务业绩说明会上预测，2019年收到约10万台驱动电机订单，但到2023年将达到20倍以上的220万台。除了面向新兴中国制造商的电动汽车需求外，面向欧洲市场的EV/HEV需求也非常火爆。截至同年7月份，接受的订单为90万台，但截至10月份，订单数据急剧增加到5倍，达到445万台。

Denso正在招聘新一代电机开发设计技术工程师，条件是年收入达到550~950万日元(年收入550 ~ 950万日元)。随着对电机技术人员的争夺战蔓延到毕业生群体，企业为研究电机的学生提出了各种有吸引力的条件。

电动汽车的附加模块化开发

随着强度的提高，汽车用电机的开发竞争变得越来越复杂，反映了驱动电机一体化发展和由此带来的产业重组(图1和2)。

图1:电动汽车驱动模块的开发正在加速，电机相关技术正处于摸索阶段

展示了电动汽车和其他电动汽车的主要引擎机电一体化模块“E-axle”的未来发展。目前，我们正在寻求电机、逆变器、减速器等的最佳组合。个别电机的优化不一定是模块的优化。2020年代，在试验各种电动汽车规格时，可以继续努力在各种技术中找到最佳解决方案。(图：日经电子)

(a)由电气化引起的产业结构调整

(b)启用开发

图2:竞争加剧的E-axle产业

(一)包括E-axle在内的动力生产总值企业正在相继重组。目的是扩大规模，加快决策。(b)包括尚未重组的制造商在内的所有公司都在积极开发电子桥等产品。(图片：本田和Nidec)

驱动电机集成是指将控制电子电路的逆变器和齿轮集成到电机中。它是通过名为“E-axle”的技术的协调实现的。E-Axle也将成为汽车制造商在模块化基础上开发EV/HEV车身的主要部分。与个别组合部件相比，小型化更容易，开发周期更短。在未来的自动驾驶时代，汽车成为一种服务的比重不断增加，基于模块的三合一开发已成为趋势。

E-axle后面的模块化是集线器马达(图3)。驱动系统的4个枢纽，独立控制了很多汽车

制造商和汽车零件制造商都将这一课题作为了长期的研究主题。

（a）以东京大学为中心的产学合作团队正在开发轮毂电机。从路面无线充电。该轮毂电机由普利司通，NSK，ROHM和东洋电机制造共同开发。

（b）除电机外，逆变器还采用SiC进行小型化以适合车轮。

（c）在轮外（轮胎的车辆侧）接收动力的轮内电机的原型。

（d）接收车轮动力的轮毂电机的模型。（照片：日经电子）

图3：轮毂电机开发的进展

注）电机为无齿轮直驱型。使用永磁体。原型输出为20kW。用水冷却。使用SiC功率半导体将逆变器容纳在车轮中。从逆变器模块的一侧冷却。有一些原型（图3（c）），其中无线电力馈送设备容纳在车轮中，而原型（图3（b））则放置在车轮外部。前一种轮胎使用非金属材料代替钢来增强强度，以促进动力传递。

开发的推进非常困难

对于零部件制造商来说，一体化开发的趋势意味着两个方面：（1）需要大量的开发资源。（2）这是增加市场份额的绝好机会。

（1）诸如电机和变频器之类的基础技术处于变革时期，其最佳的组合方式在不断的变化。 即使仅使用现有技术，也可以实现相同规格的构件的各种组合。例如，在特定速度下将具有更高效率的电机与变速箱相结合，或在不使用变速箱的情况下，在较宽的转速范围内使用具有更高效率的电机（图1）。

而且，仅将电机，逆变器和齿轮组合在一起将无法提供足够的性能。例如，即使使用计算机模拟CAE工具进行设计，也可能会发生意外的噪声和振动。“与驱动发动机相比，在驱动电机时，有必要将噪声和振动降低15~20 dB，为了实现类似的大幅静音化需求，仔细的组装技术就是必不可少的。

之所以难以预测设计的原因是，当将E-axle的筐体与电机或逆变器的外壳组合在一起时，谐振频率不会固定在某一点。试制后首次发现的噪音和振动，需要通过在筐体外壳中添加辅助材料，或是调整逆变器开关频率中包含的组件，或是对齿轮表面进行开槽，烘烤和抛光加工，等等技术进行应对。这样的技术是“即使分解也不会知道的一堆专有技术”。

为了使e-axle得以实现，必须具备能够处理各种基本技术的开发能力，可以承受风险的资金以及可以积累匹配技术的制造能力。除了高效的开发系统外，快速动态地管理工程师和资金的能力也至关重要。

日电产破坏秩序

（2）模块化将是车载零部件制造商抓住电动汽车大潮的绝好机会，各大公司都在努力不要错过这一机会。其中，Nidec是E-axle市场中最看涨的参与者，作为新加入者，在业内首先量产三合一驱动系统，并已收到订单。该公司董事长长永先生说他的目标是在电动汽车打开时，Nidec的驱动电机就像“ Intel Inside”的 PC一样。他说：“我们不会挑选订单，将全面应对。” 在电动汽车制造商蓬勃发展的中国，该公司已建立了两家工厂，还将在波兰工厂面向欧洲市场和在墨西哥工厂面向美国市场生产。

随着模块化的持续发展和Nidec的强势抢占市场行为不断进展，现有汽车零部件制造商的行业格局已经开始发生变化。2019年10月，大陆汽车剥离了包括E-axle在内的动力总成部门。该公司表示：“我们的目标是加快动力总成市场的决策制定速度，因为技术变化是如此难以识别。” 新成立的独立公司Vitesco Technologies将提供2019年刚刚商业化的三合一驱动系统。轻量化是其一大特征。

2019年4月，同样是汽车零部件大厂的电装和爱信集团成立了合资企业Blue Enexus。新公司将开发E-axle，并于2020年开始量产。Denso和Aisin拥有可以各自独立开发E-axle的开发资源，但它们将结合电装的逆变器技术和Aisin电机技术等优势，使开发体系更加高效。为了对抗Nidec，该公司将加强开拓其“外部销售”，而不仅仅提供丰田汽车集团内部车系。

是否使用永磁体

在电机开发现场，每个公司在应对多样化要求的同时，首先都在致力于增强小型化，高效率和低成本化等基本竞争力水平的技术开发。

而多样化要求则包括对多种类型电机的需求。“在电机要求方面存在明显的地区差异。欧洲的客户强烈要求不要使用稀土（稀有金属），而在稀土丰富的中国，他们根本不关心。Nidec 早舩先生说：“日本制造商寻求在高效率和成本之间找到平衡。”

用于EV的电机包括以使用钕磁体为代表的PM（永磁体）同步电机，以及以使用具有绕组和铁芯的电磁体的感应电机等非永磁PM电机。低速行驶时，PM电机效率很高。当前，稀有金属的价格还没有显着提高，成本也很低。为了满足各个地区的不同需求，有必要为欧洲开发非永磁电机，而面向中国和日本开发永磁电机。

Nidec同时进行在开发PM和非PM电机。而日立汽车系统，三菱电机和大型商用车电机制造商泽藤电机则都专注于永磁电机的开发。

无需焊接的“分布式绕组”

作为小型轻量化和降本的一个共同主题就是改进绕组技术（图4）。原则上这是将作用在电机旋转力上的磁场包含在尽可能小的体积内，通过绕组技术实现。其中，还需要在确保绝缘和连接可靠性的同时降低成本。

（a）舍弗勒电机

（b）日立汽车电机

（c）电装马达

（d）三菱电机

图4绕组的小型化，在2019年第46届东京车展上展出的电机示例。为了产生有限体积的磁场，设计了各种线圈形状和缠绕方法。（d）是配备了使用SiC小型逆变器的三菱电机的模型。（照片：日经电子）

通常的方法是使用扁线代替圆线作为绕组。因为可以减小电线之间的间隙，同时还可以增加电线占据横截面的面积比率（空间系数）。电装，日立汽车，三菱电机等都采用了扁线。但Nidec目前没有采用扁线，使用圆线绕组来寻求高空间系数与低成本的平衡。

日立汽车在最新的驱动电机中采用扁线的，是本田新款“飞度”车型等所使用的最新“ i-MMD”系统所用PM电机（图4（b）右侧）。这是一种分布式绕组，其中在围绕嵌入有永磁体的转子的定子上提供一个凹槽，并通过在该凹槽中包含布线来形成线圈。还有另一种集中绕线方法，是在转子的周围配置有多个绕线铁心。

德国汽车零部件巨头舍弗勒已将其自身的绕组技术应用于EV电机（图4（a））。像分布式绕组一样，导线也埋在定子槽中，但是不需要焊接。在现有的分布式绕组中，通常通过将弯曲成发夹状的线插入定子的槽中并通过焊接等将它们接合形成连续绕组。但舍弗勒的绕组是通过将多组连续布线放在一起并将绕组呈笼形（图4（a）右上方）插入定子而形成的。通过省去焊接，除了减轻重量之外，还可以期望制造工艺的简化和可靠性的提高。

是否会超过20,000rpm，800V？

为了实现小型化而开发高速化，以及为了实现高效率而进行的高电压开发同样也是业内共通的发展主题。注3～4）

注3）磁性材料的演变也很重要。例如，日立金属公司（Hitachi Metals）在2019年10月宣布，它已经开发出一种可以显着减少定子铁损的新材料。使用非晶态合金，当以8000 rpm旋转时，定子的铁损相对于普通电磁的后半部可以减半。

注4）与磁性材料相关的研究实例还包括大阪府立大学工程研究生院电气与信息系统教授森本茂雄先生研究发现，即使不用高速化，通过采用强磁性PM也能实现高扭矩化或高效小型化。他证实，通过将强磁性PM和低铁损材料结合而使电机减小70％，从而可以高速旋转以获取扭矩并将输出密度提高40％。还出现了提供可承受高速旋转的机械强度的结构。

高速化减小了实现相同输出所需的转矩，从而减少了永磁体的数量和绕组数量。当前大多数EV/HEV电机的最大速度约为15,000 rpm（转/分钟）。将其提高到20,000 rpm的开发正在进行中。例如，日立汽车公司正在开发一种转速为20,000 rpm的电机，而上述i-MMD中安装的电机的转速为13,000 rpm，新一代20,000 rpm电机目标在2022~2023年量产出货，不过对于2万转的高速还是应该要慎重。

高速化所面临的挑战之一是轴承，大型轴承公司JTEKT正在开发一种能够以20,000 rpm的速度运转，直径为100 mm的轴承（图5（a））。保持球的部分从传统的悬臂结构变为双面结构，以抑制由于离心力而导致的保持部分的扩展。该公司的目标是面向2022~2023年间量产的电机批量供货。永磁电机的高速化中，由于旋转产生的反电动势会产生旋转阻抗，从而降低旋转效率，从而反向电动势的减小成为了一个课题。

（a）JTEKT的高速轴承

（b）带内置齿轮的Blue Enexus变速箱

图5：高速范围究竟是采用高速电机还是内置变速器？

（a）JTEKT开发了一种用于20,000 rpm的高速旋转电机的轴承。（b）Blue Enexus开发了2段变速Eaxle。图片为各公司在2019年第46届东京车展上展出产品。（照片：日经电子）

高电压可以在低电流下实现相同的输出，并且可以减少绕组中的损耗（铜损）。基于约300V的电池输出电压，诸如升压至650V后旋转电机之类的方法已在丰田的混合动力系统“ THS（TOYOTA Hybrid System）-II”中得到实际应用，该混合动力系统目前已与丰田的新款Prius一起进行批量生产。

日立汽车公司还将i-MMD中使用的电机也提升到650V。为了承受高的感应电压，增加了匝数以获得扭矩。前述舍弗勒电机的驱动电压为800V。尽管该公司没有透露，但它很可能会用于保时捷的电动跑车“ Taycan”。

为了增加电机的电压，必须考虑绝缘。例如，Hitachi Automotive和Schaeffler都采用这样的设计，即由于弯曲而导致搪瓷材料变薄的部分之间没有重叠，从而提高了施加到绕线表面的搪瓷材料的绝缘可靠性。将来，许多人对超过800V的更高电压的进展持谨慎态度，但有人说正在考虑1500V。

变速箱是否固定在EV上？

即使已经确定了电机改进的方向，EV驱动部分的发展也不一定会仅仅朝着那一个方向发展。这是因为不仅电机的规格很重要，Eaxle的规格也很重要。根据周边零件的创新及其组合方式，重要的规格也可能发生变化。另一方面，电机自身也有很大的变化空间，这影响了外围部件的选择。

“保时捷的Taikan采用了变速箱，这让我感到惊讶。它打破了电动汽车不需要变速箱的固定观念。” MarkLines的吉川先生正在关注是否电动汽车中需要变速箱。Blue Enexus已开发出一种具有两速变速箱的E-axle电驱动系统（图5（b））。

例如，假设当变速箱广泛用于电动汽车时，则可以缩小电机旋转范围以优化效率。在宽广的旋转范围内抑制噪声和振动等的专有技术的重要性就会减弱。

通过铝镍钴磁铁实现可变磁通量的SR电机

另一方面，电机本身的创新也可减少对变速器的需求。

日本京都大学研究生院工程学中村武恒教授正在开发的电机，吸取了非PM电机SR（开关磁阻电机）和PM电机的长处，在宽范围的旋转数和扭矩下实现效率的最优化图6）。而且，原材料成本低。

（a）转子

（b）定子

（c）原型测试系统

图6：使用便宜的永磁体的SR电机

1kW级的原型和测试。在400~600rpm下获得80％以上的效率。不使用永磁体的现有SR电机，一般范围为20％~50％。获得了1.5~2倍的输出。（照片：京都大学）

与SR电机一样，多个（例如6个）电磁体布置在定子上，并且控制电流顺序地流过电磁体以使磁场旋转并使铁转子旋转。在定子上则设置了多个（例如2个）SR电机中没有的铝镍钴磁铁。

铝镍钴磁铁是铝（Al），镍（Ni）和钴（Co）的合金，是不含稀有金属的永久磁铁。尽管其磁场类似于钕磁体的磁场，但它具有在较小的外部磁场下失去磁力的特性，因此几乎没有用于常规电机中。这次，在定子中设置没有由电磁体产生磁场的地方，并且将铝镍钴磁体放置在这里。由此，与PM电机一样，尤其是在低速时提高了输出和效率。

此外，根据旋转速度和转矩，动态控制铝镍钴磁体的去磁和磁化强度以产生最佳磁场。对应于PM电机的可变磁通量控制。就可以抑制前述在高速旋转期间成为问题的较大的反电动势。

铝镍钴磁铁可以在超过800°C的高温下使用，也可以通过使用同样具有耐热性的SiC（碳化硅）功率半导体在300°C下使用。从而可以简化冷却机构。

通常，SR电机的转速/转矩波动大，容易产生振动和噪音，但中村教授表示，已经开发出抑制波动的控制技术。京都大学已为这些主要技术申请了专利，并于2019年10月发布。目前，1kW级别处于原型阶段，但是将来，50kW级别将被开发并鼓励公司采用。顺便说一句，因为中村教授是Nidec的讲座客座教授，所以他可能会鼓励日电产公司采用自己的研发成果。

通过磁通量的发散实现可变

静冈大学教授野口邦彦（Kunihiko Noguchi）正在研究通过PM电机的可变磁通量在宽范围内追求高效率的方向（图7）。他们研究的是一种可变磁通量电机，通过软磁材料磁性控制产生旋转扭矩的磁通量。

图7：磁改善高速效率

静冈大学正在开发一种技术，该技术使用永磁电机来减轻高速旋转过程中的效率降低。（a）围绕转子的四个铁氧体磁体的磁场量（大小）通过相邻的软磁材料传输。（b）为了控制，通过流过磁导率调制绕组的电流来改变软磁材料的磁导率。如（a）的左图所示，在软磁性材料未磁饱和的状态下，通过磁导率调制来提高永磁体的效果。（图：静冈大学）

通常，嵌入在PM电机的转子中的PM通过在径向方向上产生磁通而在定子和转矩之间产生磁力。在该电机中，将软磁性材料放置在PM之间，并改变通过（泄漏）的磁通量以控制径向的磁通量。

传输到软磁性材料的磁通量通过将导线缠绕在软磁性材料周围而产生的电磁场来改变。增加电磁场会使软磁性材料的磁导率饱和，从而使来自PM的磁通难以通过并增加径向磁通。另一方面，如果不饱和，则大量的磁通泄漏到软磁性材料，从而径向磁通减小。

这些可变磁通电机可以改变永磁电机和非永磁电机的使用。例如，四轮驱动普锐斯在使用非PM感应电机来减小在两轮驱动期间空转的后轮的旋转阻力。如果采用可变磁通电机，则可能不需要这种区分。

此外，另外还有研究团队还进行了将两种不同特性同时在1台PM电机中组合实现的研究（图8）。在开头介绍到的大阪大学新口先生等人的实验室中，正在开发一种PM电机，该电机集成了两个旋转轴，分别使它们旋转为三相和六相。例如，当投入实际商业化应用时，可能会完成将两种类型的电机（如驱动和充电）组合在一起的单个EV或HEV。

图8：3相和6相电机的集成，大阪大学正在开发的一种电机，该电机在一个外壳中包含一个三相电机和一个六相电机。当需要不同的输出特性时，无论传输方式如何，一个单元都可以处理。（图：大阪大学）

EV价格将要达到现在的1/5，日系制造商的去内制化只是时间的问题

“电动汽车的价格最终将变成现在的五分之一。其他电气化产品都是如此，没有理由汽车不会。”“电动汽车的开发周期不是4-5年，而将缩短为1年。1年内将发布4次新车。”在Nidec于2019年10月举行的截至2020年3月的财年第二季度财务业绩发布会上，该公司董事长兼首席执行官永守重信先生曾“预测”电动车的价格下跌。在“CASE（互联，自动，共享，电动）”时代，使用自动驾驶电动汽车的服务在汽车业务中变得越来越重要。永守先生表示，对于汽车制造商来说，随着低价格化，开发周期缩短等方向的进展，不可避免地需要将诸如E-axle之类的模块外包。对于具有强烈独立性的日本制造商来说，从内部生产转向外部采购只是时间问题。

E-Axle的份额将从4％增加到35％

“三个月前（2019年7月）已收到长期订单。积压的订单量骤然增加了五倍。目前已有10个新的项目开发要求和约5个新机型的开发。” 永守先生在本次财务业绩披露中强调了这一点（图A-1）。该公司制定了一个目标，将驱动电机的市场份额从目前的4%提高到2030年的35％。到2025年，将使用直流无刷电机进行电动助力转向的份额从当前估计的40%增加到70％，而用于自动驾驶的电动制动器电机份额将从50％增加到70％。他说：“（公司的策略）不是选择性的接受订单，而是抓住所有可以抓住的订单。” 他说：“如果利润能够达到万亿日元的时候，就一定会实现盈利。除了在中国的两家工厂外，再加上目前在波兰和墨西哥的生产计划，也依然产能不足，所以投资绝不能放缓。

图A-1 Nidec的永守先生表示，订单在三个月内增加了五倍（照片：日经电子，图：日电产）

接下来是“飞车”

“我们从客户那里听说，有200家公司正在研发E-axle电驱动系统，但我们是首家实现量产的公司。德国大陆集团也推出了产品。综合统计，我们的竞争对手在欧洲大约有8家，在中国大约5家，日本大约2~3家。” Nidec领导汽车业务的高级董事总经理早舩一弥先生认为，电驱动市场是全球十几家公司的竞争（图A-2）。

图A-2 ：早舩一弥先生领导的Nidec及其电驱动业务

赢得竞争的关键是成本。随着未来的EV价格降至1/5，电机等零件的成本将首先降低至1/3。日电产希望能一气呵成抢占市场份额，在其他公司之前实现大规模量产。随着成本降低，诸如铜和铁的材料成本的比例增加，从而难以降低。因此进一步小型化和减轻重量的技术是必不可少的。通过抢占汽车市场，“下一步，我们将瞄准飞行车辆”。目的是开发用于车载的低成本技术。

免责声明：以上内容转载自NE时代，所发内容不代表本平台立场。

全国能源信息平台联系电话：010-65367702，邮箱：hz@，地址：北京市朝阳区金台西路2号人民日报社