緣起

通用汽車電機是美國DOE-U.S.Drive聯盟的旗下的重要成員，在DOE項目資金的驅動下，近幾年一直積極的投入電機新技術和新產品的開發。

DOE組織的聯盟囊括了許多組織，由前到后呈：基礎研究-技術研究-產品開發縱深排布。其中GM、GE、UQM這些企業承擔的是產品級技術研發的工作，和產品最接近，和國內大多數的電機企業生態位類似，因此其技術路線和成果值得我們研究參考。

GM最近幾年的電機研發方向瞄準的目標就是DOE制定的2020和2025目標，具體而言就是高效率、高功率密度和低成本。為了實現上述目標，GM上馬了代號為ELT093的先進電機技術項目。

三條技術路線

GM的先進電機技術項目是2016年10月啟動，到現在已經歷時3年，總共獲得了7百萬美元的項目資金，目前完成了70%的內容。項目內又細分三條技術路線，一條是輕稀土永磁同步電機，一條是非稀土助磁的永磁同步磁阻電機，最后一條是傳統的感應電機，但其轉子采用了銅鋁混合的鼠籠結構。

三條技術路線的大致參數已經披露出來，如下表所示，都是采用350V的電壓平臺，電機外徑在200上下。第一列輕稀土的產品轉矩和功率分別達到370Nm和150kw，同步磁阻的電機走的是高轉速的技術路線轉速達到16650rpm，相應的轉矩下降為250Nm，銅鋁混合的感應電機轉速和轉矩都居中。下面我們一一展開介紹。

GM的輕稀土永磁同步電機采用的是雙V的轉子結構，如下圖所示，和早期版本的GMSpark和GMBlot的結構類似。但其磁鋼的采用無Dy的釹鐵硼磁材。因為Dy是最昂貴的重稀土成分，無Dy能夠有效降低成本。但取消了Dy會帶來磁材結構的性能下降，需要在電機設計中加以彌補。

我們對比GM的輕稀土結構和采用傳統稀土BLOT轉子，還是能夠發現一些端倪，輕稀土結構的磁鋼明顯要更厚實，這是為了補償輕稀土矯頑力下降的缺陷。但僅僅是加厚是不夠了，在細節設計上，還需要更多的特殊設計，以避免磁鋼退磁。從披露的資料來看，我們能判定該轉子結構有所保留，輕稀土的轉子磁極設計仍然是非常有挑戰性的工作。

輕稀土的技術路線下，電機成本達到了DOE2020要求，即4.7美元每公斤，折算到人民幣成本在4800元左右，其中最貴的部件為定子，其次為轉子，磁鋼占比為14%，也就是660元左右。而普通稀土的電機磁鋼的成本占比會達到30%以上，因此從降本的角度而言，輕稀土技術是成功的。

當前該項目已完成了樣機制作，目前正在進行可靠性測試，該項目最關鍵的門檻是"低成本高性能的無Dy釹鐵硼技術"。當前的瓶頸是磁鋼抗退磁性能，目前GM使用的2號材料的矯頑力矯頑力相當于普通釹鐵硼的96%（20℃），93%（150℃。但仍然有相當的退磁風險，在120%最大電流下，有9.7%的退磁損失。

路線二：輕稀土助磁的同步磁阻電機

GM的同步磁阻電機路線和橡樹嶺非常類似，都是采用月牙型磁障結構+磁鋼助磁的技術。但明顯GM電機的設計轉速要高，達到16500rpm，這有利于彌補轉矩密度不足的劣勢。

高速化后，該電機的功率密度達到了3.6kw/kg，超過了DOE2020的要求，也比橡樹嶺的第二代同步磁阻電機要高。這是可以理解的，首先GM的同步磁阻電機開發要晚于ORNL，其次GM的技術開發獲得了ORNL的技術協助，因此GM的同步磁阻技術成熟度要明顯高出ORNL。

除了高速化GM技術的優勢在于：

轉子磁障數目更多，達到了4層半，那個半層指的是轉子外表面那個表面月牙缺口；

加入的永磁助磁量和質都要高于橡樹嶺，橡樹嶺采用的鐵氧體助磁，而GM采用了輕稀土助磁；

采用了扁線繞組，使得功率密度進一步提高；

在多管齊下，取得了更好的電磁性能。姑且可以稱為第三代同步磁阻電機，下圖簡要介紹了磁鋼在同步磁障電機中的作用。磁鋼助磁使得磁橋預飽和，從而提高凸極比和轉矩。

目前GM團隊面臨的關鍵問題是這種結構在高速下的強度問題，其實單強度容易解決，難的是強度和電磁性能平衡問題。若要提高強度，不可避免的會增加磁橋厚度，但這會使得轉矩下降，功率因數惡化，因此需要通過算法優化設計使得兩者之間達到最佳的平衡。

路線三：銅鋁混合結構感應電機

所謂的銅鋁混合,其實就是在原有的感應電機轉子下了文章。主要是兩點：

鼠籠導條工藝由鑄鋁切換成插銅條的工藝，如此使得轉子電阻下降，轉子電流損耗也隨之下降；

鼠籠的端環仍然保留鑄鋁的工藝，因為端環的電阻占轉子電阻的比例很小，因此鑄鋁結構對損耗影響不大。

之所以采用這種復合結構，為什么不采用全鋁或者全銅的結構，一是因為一是要抑制轉子損耗，所以傳統的鑄鋁轉子必須要更換掉。二是全銅的鑄銅轉子方案，銅澆鑄溫度高，對轉子片絕緣的損害大，同時鑄銅轉子的不良率比較高成本居高不下。采用插銅條方案不需要高溫鑄造銅，即保留了鑄銅的優點，又避開了可能的缺陷。

GM的銅鋁混合感應電機轉速為13000rpm，功率密度超過了DOE2020的要求，但成本仍然較高。這主要是轉子鼠籠的工藝還不成熟，問題的關鍵在銅和鑄鋁交接面的質量上。

銅和鋁兩種不同材料之間的焊接非常困難，采用先插銅后鑄鋁的方式效果略好，但仍然需要改善接觸質量。接觸質量不好，端環容易在高速下失效，同時也會增加接觸電阻使得效率下降。GM從三個參數去作了優化，一為銅條深入端環的長度，二為鑄造溫度，三為鑄鋁流動參數。從公布的數據看目前達到的最好成績是在應力161Ma疲勞壽命360000萬次循環。

總結·技術的層次結構

這三個方案的第一個共同點都是去稀土的方案，第一個方案是輕稀土，就是還是用稀土但不用Dy等重稀土，以此來降低成本。第二個方案也是用輕稀土，但用量更少了，以此來進一步降低成本。第三個方案是感應電機，是一點稀土也不用了。所以這三個方案構成了一個漸進的層次結構，體現了產品系統策略的思量。這三個方案還有另外一個共同的特點，那就是都采用扁線定子平臺。且每極下槽數都為9槽，也就是說扁線的尺寸設計大致相同。

可以從兩個角度來理解為什么都選用扁線方案。一個是為了彌補功率密度缺陷，三條技術路線都是去稀土的技術，不可避免會減低磁場能量密度，因此需要用額外的一味“藥”來補這個缺陷.GM是最早開發扁線技術的一批公司，因此選擇扁線這味藥是情理之中。

從另外一個角度，經過這兩年的技術發展，我們能夠感受到扁線發卡的工藝在成熟，，設備的柔性度也在提升，所以工藝成本也在快速下降。因此選擇扁線技術慢慢的會變得不那么昂貴。

從GM的實踐過程我們能看到，他們在為DOE2025的目標持續而穩定的投入。只要目標還在，問題還在，技術就不會停止。它總是會以自己獨特的路徑，倔強的發展。