Turntide Technologies 新闻亮点：驱动电机创新，克里斯·帕尔默

工程学8（2022）9新闻亮点驱动电机创新克里斯·帕尔默高级技术作家自2018年以来，Turntide Technologies的高效电动机-基于19世纪早期设计的更新版本-已成为美国各地奶牛场的冷却风扇;此外，包括宝马 和 亚 马 逊 在 内 的 十 几 家 公 司 通 过 改 造 屋 顶 供 暖 、 通 风 和 空调（HVAC）系统与该公司的“智能电机系统”[1]。现在，正如2021年6月和7月所宣布的那样，这家总部位于美国加利福尼亚州森尼韦尔的公司在比尔盖茨和亚马逊的支持下，在获得2.25亿美元的资金并收购三家初创 公 司 -Hyperdrive Innovation ， BorgWarner Gateshead 和 AvidTechnology-分别生产电池，传动系统和EV控制后，将重点转移到电动汽车（EV）。对于电动机（图1），Turntide从一项近两个世纪的技术开始-开关磁阻电机（SRM），由W. H.泰勒在1838年[3]。SRM的制造成本相对较低，原因有二。首先，它的简单转子是由一块实心钢制成的，上面有用于磁极的凹口。其次，定子由均匀间隔的螺线管绕组电磁铁组成。相比之下，标准交流（AC）感应电机的绕组必须符合适合定子槽的复杂模式[3]。直到最近，SRM一直未能获得广泛的接受，因为它很难控制，导致相当大的噪音和振动。Turntide首席技术官Richard Hellinga表示，该公司的工程师已经通过在原型电机中放置传感器来跟踪转子的运动来克服这些挑战。这使他们能够使用机器学习算法来确定打开和关闭电流的正确时间。通过该过程获得的知识使他们能够设计出一种无传感器的SRM，使振动最小化。虽然它已经在商用车和铁路领域获得了一些客户，包括阿斯顿马丁和日立铁路[2]，但Turntide面临着激烈的竞争。随着世界各国寻求逐步淘汰燃气发动机，全球各地的公司正在使用人工智能（AI）辅助设计以及材料和自动化方面的进步来重新构想电动机，目标是使其更高效，购买和运营成本更低，制造更环保。图1.一、 Turntide的电动汽车电机将基于这里显示的SRM，目前用于工业应用，如谷仓冷却和HVAC。图片来源：Turntide Technologies（公有领域）。电动机运行从HVAC系统到硬盘驱动器，自动扶梯和各种制造设备的所有设备，占全球电力消耗的40%以上[4]。到21世纪，对电动汽车的需求将继续增长，预测表明，到2025年，电动汽车将占全球乘用车销量的10%，到2030年将占28%，到2040年达到58%[5]。随着汽车制造商纷纷转向电动汽车，大多数研发工作都集中在电池上--传统上电池是最昂贵、最限制行驶里程的部件。然而，提高电动机本身的效率可以提高续航里程和/或更小、更轻的电池组。今天制造的所有商用电动汽车电机都是基于交流永磁同步设计，该设计由两个主要部分组成：一个外壳，称为定子，因为它保持静止，以及一个转子，通常在定子内部旋转，但有时在外部旋转。附接到转子和定子的磁体按顺序彼此排斥或吸引以产生自旋并产生扭矩。这种简单的设置自19世纪末根据Hellinga的说法https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.11.0072095-8099/©2021 THE CONDITOR.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可从ScienceDirect获取目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/engC. 帕尔默工程学8（2022）910这种设计寿命长的原因是易于制造。“有很多工厂在建造这些东西，”Hellinga说。它们相对便宜，但价格标签掩盖了它们消耗大量能源的事实，以及供应链的建立方式意味着制造发动机的人不是为能源付费的人。由于能源变得如此昂贵，我们现在看到对电机技术创新的巨大需求。虽然大型汽车制造商对这一领域的创新大多保持沉默，但规模较小的公司和初创公司在推动电动机重新整合方面表现得更为积极。在一种创新方法中，总部位于比利时科特赖克的Magnax公司选择重新考虑其电机内的电磁由于空气传输磁通量差，他们的设计旨在最大限度地减少转子和定子齿之间的气隙。传统的径向磁通电机将转子置于定子内，而Magnax它使用两个转子，一个在定子的两侧来支撑它。在这种配置中，定子承载电磁齿，而不是作为转子的支撑或轭（图2）[6]。消除轭-一个钢圆柱体，占定子质量的三分之二-节省了大量的重量，该公司估计这与老式的轭式轴向发动机相比，取消轭式发动机的功率密度增加了一倍多无轭轴向磁通设计的其他优点包括，与功率和扭矩相似的径向磁通电机相比，定子仅需约60%的铜，转子仅需约80%的磁性材料[6]。该公司表示，计划从2022年开始每年生产25000台电机。在另一种方法中， Linear Labs （Dallas-Fort Worth ，TX ，USA）发现了一种在单个电机中组合轴向和径向通量设计的方法。他们中心转子在定子内部旋转，而第二转子在定子外部旋转两个额外的转子在定子的左端和右端，总共有四个通量源，所有扭矩都沿转子运动的方向产生。该公司声称，其结果是一种电机，在每分钟低转速（RPM）下产生的扭矩输出是任何其他电动机的两到三倍，并且与标准电机的平均效率相比，在整个扭矩和速度范围内保持两倍的效率[7]。还有，图二. Magnax的轴向磁通电动机有两个转子包围中央定子，消除了对轭的需要，并减少了三分之二的定子重量，从而提高了电机的功率密度。图片来源：Magnax（公有领域）。因为它可以在低转速下高效工作，Linear Labs的电机不需要减速齿轮箱--减速齿轮箱是一种从驱动电机获得大约10000 RPM转速并降低车轮速度同时增加扭矩的装置--从而降低了车辆重量和成本。该公司表示已开始大规模生产，并计划到2021年底生产10万台电机[8]。其他制造商设计的电动机完全消除了大多数当前电动机的一个共同特征：永磁体。这些磁铁，来自稀土材料，创造自己的连续磁场，从而产生高扭矩密度。然而，稀土价格昂贵，2020年6月至2021年8月期间，钕的价格翻了一番，钕是电动机中最常用的稀土之一[9]。此外，稀土主要来自一个国家，即中国，这引发了对单一来源的担忧，正如2011年所经历的那样，当时中国警告称，在与日本的争端中，中国可能会削减供应，[9]的文件。此外，开采稀土会产生有毒化学物质与环境问题有关[10]。即使有这些问题，一些专家认为永磁体仍然广泛使用。德国卡尔斯鲁厄理工学院混合动力电动汽车教授马丁？多佩尔鲍尔（MartinDoppelbauer）表示：“坦率地说，我目前还没有看到远离永磁电机的趋势。”大多数人都使用它们，因为它们具有最高的功率密度和最佳的性能。那就说：我确实看到大多数制造商都在开发永磁电机的替代品，他们的抽屉里都有永磁电机，以备稀土材料价格再次上涨时使用。美国威斯康星州密尔沃基市马奎特大学的电气和计算机工程教授Ayman EL-Refaie正在与通用汽车公司合作开发不含稀土材料的传动系统。虽然他认为，没有稀土磁铁的电动机有潜在的需求，但这样做也有 困 难 。 ‘‘When you try to remove these magnets, there arechallenges,” he另一种替代电动机设计的方法是使用永磁体来转动转子，仅使用但是，在转子中放置铜绕组的设计需要将电力传输到移动目标，并且接触点会随着时间的推移而磨损。总部位于德国斯图加特的马勒公司（Mahle）就是一家试图克服这一挑战的这家汽车零部件公司制造了一种既不含稀土又不接触身体的发动机。无线传输到转子中的功率使绕组通电，从而产生电磁场（图3）。该公司预计将在2023年或2024年开始大规模生产乘用车电机[11]。其他设计不依赖永磁体的电动汽车电机的初创公司包括Powdermet（Euclid，OH，USA）[12]和Turntide[13]，而汽车行业的中坚力量日产，宝马，丰田和大众也在研究电机设计，以尽量减少永磁体的使用[14]。一些公司并没有专注于为中央传动系统制造更强大、更高效的电机，包括日本电产（日本京都）和Protean（英国法纳姆）在内的多家电动汽车制造商正在探索将更小的电机直接放置在车轮中的工程技术，这一举措将优化电动汽车的重量分布，消除对电机舱的需求，通过最大限度地减少扭矩传输损失来提高效率，并增加机动性[15]。日本电产声称，其轮内电机中的一个可以实现100千瓦的峰值功率输出-相当于1.8升汽油发动机-而重量仅为32公斤，并安装在50厘米的车轮内[16]，而Protean表示，其每个轮内电机在体重36公斤[17]。C. 帕尔默工程学8（2022）911图三. 在马勒的无永磁电动机中，无线传输到转子中的电力为绕组提供能量，仅通过电磁力转动转子。这种非接触式感应节省了磨损。该设计还使转子图片来源：Mahle（公有领域）。除了设计上的根本性变化，Doppelbauer还看到了电动机领域最重要的创新，特别是定子内的铜绕组用具有矩形横截面的发卡式绕组取代传统的圆形绕组，可实现更高的热应力，并优化定子内部空间的使用，以确保更高的扭矩和持续的输出。弯曲过程的自动化也比圆形缠绕更简单，便于大规模生产。“发夹绕组的缺点是你需要非常高的自动化水平，所以有很多前期成本来建立生产，”Doppelbauer说，并补充说，保时捷在自动化这一过程中特别成功，其Taycan EV的电机（图1）。 4）.Doppelbauer指出的另一个与生产相关的创新涉及冷却，传统上这意味着通过缠绕在定子外壳上的管道来运行水Equipmake（英国诺里奇）等公司正在探索增材制造见图4。对于Taycan EV，保时捷开发了一种自动化工艺，用于制造带有发夹线绕组的电动机，而不是圆形绕组。这些绕组允许更高的热应力并优化定子中的空间以确保更高的扭矩。图片来源：保时捷（公有领域）。以增加电机内部的表面积，从而减少对冷却的需求[15]。无论创新是来自优化生产设计还是从头开始重新设计，EL-Refaie说制造商需要采取长期的方法。“一些公司历史上认为短期，制定渐进的步骤变化，”EL Refaie说。‘‘However, when you try to come up withradically different motor designs or develop new materials ormanufacturing processes, you really need to be forward lookingand open to taking some technical swings for success in this com-petitive引用[1] 贝兰河可持续技术开发商Turntide Technologies筹集了2.25亿美元。旧金山：Tech Crunch; 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