宾利首款电动汽车将于2026 年问世,它将是百年车企的新技术里程碑。作为九家英国企业组成的银团参与方之一, 宾利公司将致力于研发一款更加环保、能量密度更高及市场应用潜能更广泛的电机。
无稀土电机技术
英国一银团已经开始着手一个为期3 年的项目,意在将一款低成本、无稀土电机技术市场化,宾利公司将很有可能获得其首次使用权。这个为期3 年OCTOPUS 项目( 即动力总成优化零部件实验及仿真工具包, 此工具包集成超高速电机解决方案) 已启动,由英国政府办公室低排放基金会赞助,并同Innovate UK 创新中心联合开发, 其宗旨是为开发一款宾利可以集成到原型样车的电动轴承, 它将基于由英国SME 高级电气公司(AEM) 设计的开关磁阻电机。AEM 公司CEO James Widmer 博士声称:“这一方案将解决重要问题。”“车企正在加速电动化,但是现在很多安装在电动汽车上的零部件,其可持续性远远不够。从电动机的角度看,清单上的第一项是稀土永磁型, 这是现在几乎所有电动机的特点。还有些不同的解决方案, 但实践证明其总体表现同永磁电机相比并不好, 我们感觉应该有更好的解决方案”。JamesWidmer 博士解释说。
AEM 公司起源于Newcastle大学进行的为期10 年的电子机械研发项目, 把易回收的钢和铝材制作的电机引入市场。这款开关磁阻电机的转子无磁性, 当能量提供给定子上的线圈后转子开始运动。这一设计同由稀土制作大部件的永磁电机(PM) 相比,避开了成本、价格波动及环境的挑战。AEM 公司设计速度为30 000 r/min, 是传统永磁电机的2 倍。而铝线圈代理铜线圈,使得其质量减轻一半(图1)。
AEM 公司首席商务官MikeWoodcock 先生在材料及供应链研究从业25 年以上。他认为:“若是偏好铜而不是铝线圈, 而且对速度要求不高, 那么铜线圈性能更佳。但我们应用在不同领域, 电机上的铝材多于铜,这将损失固定在一定范围内, 铝比铜的导体性能更佳,我们利用了这一优势。”
验证技术的可行性
AEM 公司已经上市了用于重型车辆的开关磁阻电机, 最近完成了政府资助的轻型电机项目, 即轻型SSRD 技术( 分段开关磁阻电机)。这一概念项目已经通过18 个月验证,宾利公司是合作伙伴之一。该项目起源于开发一款能量密度高、成本低、易清洁及易装配的电机,该电机配备给小型车,最初的对标车型为Nissan LEAF。MikeWoodcock 先生解释说该技术也可以应用到稍大的车型。
OCTOPUS 项目将SSDR 更进一步, 用于生产孪生发动机e-轴承(图2), 它带有集成电路电子及轻型传动器, 宾利公司已经准备在车辆平台上进行测试, 并评估其制造的可行性。其合作伙伴也在努力研究新方向:使用最新仿真技术及X 光技术,调查其使用新材料及制造技术后性能的提高,包括为保证冷却而使用的3D 打印技术。
图2 e- 轴承, 孪生稀土无磁超高速电机
AEM 公司已经为重型车应用使用了叠层电机, 以避免占用空间的增大。Mike Woodcock 先生声称, 在最大每分钟转速情况下, 转子末端转速接近声速, 这可能导致大型发动机的稳定性及效率问题。对于乘用车燃油发动机的停缸技术,该电机也提供了相应的益处,负载高功率下使用双电机,然后停止其中一个提供高效率,应用于远程巡航。MikeWoodcock 先生认为,SSRD 单元可以应用在每一个车轴上, 提供反馈制动能力,且不带来任何损失, 这是此项目的意义。
Mike Woodcock 先生说:“整个系统极大优于永磁电机之处在于当电机停止时,它只是字面意义上的停止, 并非如永磁电机那样产生电磁区,当磁体旋转时没有电流产生。因此,可以关掉电机, 只有惰性的钢铝材料,可以将两个电机有效结合在一起。 ”
硬件方面OCTOPUS 将被用以开发多维物理仿真工具包,它可以验证整个系统的电磁、机械、热学及噪声振动特性, 这些工作对于未来应用具有意义。收集到的数据将展示零部件及整体系统的效率, 同时可提供相关信息,如通过缩小电池包尺寸,传动系统的可持续性是否有更广泛的择。
应用科学技术设备委员Hartree 中心的研究设备,提供的高效能计算平台可以生成电—轴承的数字化孪生模型。这些模型可以和X 光影像相关联,在牛津的钻石光源同步加速器—圆形粒子加速器上,可以分析所使用零部件材料的原子分子结构。
原始模型也可以在贝斯大学新开的动力总成研发中心进行试验。 James Widmer 博士最后说道:“我们现在处于研发阶段,它将走进真实世界,这是很令人振奋的事情。”
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