马勒无稀土（Mahle-SCT Motor）超级电机技术介绍

摘要

如果以最小的成本满足所有的技术要求，就能找到电动机的最优设计。成本最优解决方案的关键成功因素之一是否具有高效的冷却系统，因为它对电机尺寸具有决定性影响。然而，对于长期商业成功，同样重要的是要意识到宏观经济环境对技术解决方案的影响：例如，外部励磁同步电动机的供应链要比具有永磁体的电机更可靠，因为后者的供应商多样化选择有限。马勒已经将工程技能和战略愿景结合起来，通过创新的电动机解决方案解决了这些挑战。

马勒无磁电机

马勒已经开发了一种不含永磁体的电动机，采用了马勒无接触传感器(MCT)，它在定子和转子之间无需机械接触或磨损传递能量。这种核心技术首次在汽车行业使用，其在整个寿命期间无需维护，且与油相容，这对未来应用非常重要。

此外，马勒提供具有直接油冷却技术的电动机，可以提供卓越的持续扭矩(SCT)，因此可以在最小体积的电机中提供高持续功率。通过驱动循环模拟展示了冷却概念在不同使用情况下的影响，并通过原型测试验证了技术概念。

关键词：电机冷却、感应传感器、外部励磁同步电动机

1 引言

观察到电动车辆（BEV、PHEV和FCEV）预测增长率的数据清楚地表明，电动驱动器的数量将比内燃机的历史增长速度更快（图1）——如果以电动马达的数量作为参考，预测的需求将更高，因为一些车辆配备了多个电动马达。为了确保新技术的安全启动，未来牵引电机的开发中有三个战略目标至关重要：首先，满足客户需求和特定应用用例，因为客户不会对他习惯的性能做任何妥协。其次，这些要求必须以最低成本满足；第三，必须确保产品可用性，这需要具有弹性的供应链以及低价格波动。马勒正在开发技术模块以实现这些目标，以下章节介绍了两个例子：马勒无接触传感器（MCT）和卓越持续扭矩（SCT）电机。

图1:历史和未来汽车销量:内燃机与电动汽车(纯电动汽车、插电式混合动力汽车和混合动力汽车)

2 电动机类型比较

在为电动车辆开发动力总成时，每个特定应用都会引发一个问题：哪种电机类型最合适？是永磁同步电机（PMSM）、外部励磁同步电机（EESM）还是感应电机（IM）？为了找到这个问题的答案，[1]中基于C级轻型车的专门设计，对不同电机类型进行了技术比较：第一种选择，PMSM通过永磁体实现转子场的励磁，这使得其具有高扭矩和功率密度。因此，与汽车行业相关的要求可以很好地通过PMSM满足。选择的另一个重要标准是电机效率，特别是对于商用车辆，车辆运营成本是最重要的客户需求之一。在PMSM的低速范围内，当机器的端电压低于直流链电压时，只需要提供为相应扭矩所需的电流量。然而，在速度范围超过拐点速度的情况下，还必须提供额外的电流来减弱转子场，以确保由转子感应的电压不超过定子处的端电压。由于这种减弱磁场的电流不参与扭矩产生，因此只会在定子绕组中产生额外的欧姆损耗。除此之外，铁损耗也随着速度增加而增加，总体上导致PMSM在低速时能够以高效率运行。一般来说，PMSM的效率也受益于由于使用永磁体而不需要额外的能量来励磁转子场这一事实。第二种选择，EESM与PMSM非常相似。最大的区别在于需要额外的电流来励磁转子。这种电流会在转子中产生欧姆损耗，从而降低了电机的效率，并且在低速时与PMSM相比是明显可见的。这种特性在高速时显示出优势：由于可以改变转子电流，可以避免在定子中进行减磁的显著额外电流，这意味着EESM可以以相当高的效率在高速下运行。转子电流的可变性还允许EESM以最佳功率因数运行，这对功率电子器件的尺寸和相关成本有积极影响。第三种选择，IM的主要区别也与机器的转子有关：转子的励磁是通过短接的导条实现的，其中电机定子场与转子的机械速度之间的速度差异引起了电流。一方面，这种布局的好处是成本低廉且简单，但另一方面必须接受机器性能上的劣势。与EESM类似，在IM的转子中也会产生欧姆损耗，这导致了EESM和IM的效率特性相似。此外，在减磁范围内，随着速度的提高，机械功率呈线性下降，这可以通过转子和定子场的刚性耦合来解释。

这些发现的定性评估总结在图2中，包括商业方面的考量：为了确保技术的长期成功，不仅技术层面的最佳实现至关重要，还需要全面的商业视角。因此，产品成本及其由于原材料价格波动而产生的波动性也被考虑在内。总的来说，EESM显示出了所有评估标准之间的最佳折衷。与其他电机相比，最大的优势是不依赖稀土磁体，相关的后果将在下一章节中更详细地解释。EESM的核心组件是"马勒无接触传感器"，这使得这种电机类型能够满足未来动力总成的需求，例如与直接油冷却结合的EESM，这是马勒开发的另一个技术组件，并将基于中型和重型卡车应用案例进行介绍。

图2：在技术特性以及成本和价格稳定性方面比较PMSM、EESM和IM

3 稀土的需求驱动因素和地缘政治风险

根据美国地质调查局最新的矿产商品摘要[2]，稀土氧化物储量广泛分布在地球上。最大的份额分别位于中国（37%）、俄罗斯和越南（都为18%）。在价值链上直到磁体的最终生产，主要份额（94%）集中在中国。日本持有5%，而欧盟的其余1%归因于欧盟（见图3）。在西半球稀土产业长期没有投资的情况下，中国获得了垄断地位。

图3：2021年Nd-Fe-B磁铁的全球产量[3]

这种磁铁生产的地方垄断与全球磁铁需求形成了完全对比。图4是根据欧洲原材料联盟（2021年）的一份报告制作的，展示了2020年和2030年在欧盟内的磁铁市场预测[3]。左边的柱状图显示了不同行业的需求，右边的柱状图（黄色）显示了欧盟271个国家的生产能力，单位为千吨/年（kto/a）。尽管生产能力可能会迅速扩张，但对非欧盟27国家——特别是中国——的进口依赖性将会保持，因为磁铁需求将同时增长一倍以上。最大的需求驱动因素是风力发电机的电动发电机，其次是电动车辆的电动马达。

图4：2020年和2030年欧洲Nd-Fe-B磁铁需求和生产

值得注意的是，回收并不是一个快速解决方案。预计在2040年之前不会变得经济可行，而且只有在全球磁铁市场饱和时才能提供足够的供应。一方面是中国事实上对磁铁的垄断，另一方面是需求强劲增长的结合，可能导致进一步的供应链中断，从而导致磁铁价格高度波动且难以预测的情况可能会持续存在。这种情况最终可能导致产品成本高度波动，例如电动车的电动马达。为了展示磁铁价格对电动马达的影响，比较了PMSM和EESM的转子。这两种电动机都是专为C级车辆设计的，在性能参数方面相同。它们提供了150千瓦的峰值性能（持续30秒），330牛顿·米的峰值扭矩，并设计为400伏的额定电压等级。两种电机类型的包装类似，都采用直接油冷却作为冷却概念。在分析中，使用了磁铁、铜和电工钢的时间相关成本来说明价格波动对产品成本的影响。所有其他材料以及生产成本都被视为恒定值。这种成本计算的结果显示在图5中，从2010年到现在，EESM转子的产品成本显示为浅蓝色，而PMSM的成本显示为深灰色（这些值被归一化为2010年的PMSM）。可以清楚地看到PMSM转子比EESM转子更为敏感。特别是在2011年，中国出口报价下降导致了钕、镝和铽等磁铁原材料的全球大规模涨价 [4]。自COVID-19大流行爆发以及自2020年以来对全球供应链的严重影响以来，可以注意到类似的价格趋势，当时原材料市场也出现了极端价格高峰。自2022年中期以来，市场出现了轻微放松的迹象，但对未来几年的可靠预测仍然是不可能的。相比之下，EESM转子主要由铜和电工钢等材料构建，这些材料可以依赖于一个可持续且独立的全球供应链。这导致与PMSM相比更低的价格敏感度，以及客户端可能更低且更可预测的最终产品价格。

图5：无稀土永磁和永磁牵引电机的产品成本比较

4. 转子电流传输：EESM的关键挑战

外部励磁同步机依赖于供给给转子中旋转线圈的直流电流，这导致磁转子场的励磁。需要传输的电功率在总机器性能的1-3%范围内，以创建合适大小的场。目前汽车市场上可用的最新解决方案是导电式传输器，它由碳刷和滑环组成（图6）。这些部件通过连续的机械接触在转子和定子之间建立了导电连接。正是这种摩擦接触是该概念的一个主要缺点，因为它容易磨损，可能需要在寿命结束时更换。另一个缺点是由于磨损效应而产生的碳粉尘的排放：如果碳粉落在绕组上，它可能会导致绝缘材料的加速老化，需要对材料残留物进行适当的管理或采用特殊绝缘材料。这些问题可以通过马勒无触点传输器（MCT）得到解决，该传输器由于在转子和定子之间没有任何机械接触而实现了电力传输，因此无需维护。用于电能的感应传输的中心组件是旋转变压器，它使能量能够在没有接触的情况下传输到转子。变压器的一次绕组和二次绕组形成了电机定子和转子之间的连接。由于转子必须能够相对于定子旋转，所以这两个子系统之间通过一个空气隙分隔开来，用蓝色虚线标示。旋转变压器包括一个磁芯，该磁芯由氧化铁磁材料制成。由于这种铁氧体的高导磁率，磁芯能够以尽可能少的损耗引导磁通。此外，它增加了两个绕组之间的耦合电感，从而可以减小组件的尺寸。

图6：基于[5]的导电与感应转子电流传输

4.1 马勒无触点传输器的架构与功能

图7详细展示了提供功能所需的完整系统。在传输器的主侧，需要一个功率电子电路，因为电机的控制需要一个确定的电流，以设定正确的转子励磁。而传导传输器则需提供直流电，而感应传输器系统中的变压器则需要交流电压。这个功能通过所谓的全桥推-拉式变换器实现，如图7的示意电路图所示。功率电子的输入端由四个功率半导体（S1 – S4）组成，它们从车辆高压电气系统的直流电压供应的直流链路中产生一个方波交流电压。这样，变压器（W1）就会交替地以正负方向运行，这意味着两个半波都用于能量传输。功率级通过相移方法进行控制，并且两个半桥都以50％的恒定占空比运行。这使得通过调整第一个和第二个半桥的控制信号之间的相移来调整传输功率成为可能。

传输器的旋转侧包括一个线圈（W2）以及一个带有四个二极管的桥式整流器（D1 - D4，标有绿色），用于将生成的交流电压转换为脉动直流电压。尽管存在脉动，由于转子绕组的高电感，仍会产生恒定的转子电流。由于转子线圈造成的损耗，在电子元件运行过程中会叠加热负载于径向力上。因此，将旋转部件减少到最小并合理地进行定位至关重要。此外，与此应用结合使用的主动转子冷却具有积极的效果，因为不需要高温耐受的电子元件。

图7:马勒非接触式变送器(MCT)，架构和功能

4.2 组件验证

马勒无触点传输器的功能已在组件和系统级别上得到验证。图8显示了一个代表性的性能曲线，显示了在功率电子的相移角度上传输功率，其中相移角度与传输的转子电流成正比。

图8:400V应用程序的示例测试结果

5 电动机的合理尺寸设计，以轻型和重型车辆为例

用于轻型车辆应用的牵引电机的高级开发目标与中型和重型卡车的目标有很大的重叠：最高效率，最佳功率密度以及最佳的噪音、振动、粗糙度（NVH）行为。然而，对于重型应用，还存在需要针对性解决的关键差异：三倍的更高耐久性要求和不那么动态的驾驶特性，但需要强烈的持续功率需求。

接下来的两个子章节将深入探讨两个对于重型车牵引电机合理尺寸设计至关重要的驱动循环。高速公路驾驶以恒定速度为基础，基于VECTO长途循环，而持续功率需求可以从穿越布伦纳山口的真实驾驶路线中推导出来。

5.1 通用应用领域 - VECTO长途

标准的40吨长途卡车，即欧洲车辆组5（5-LH），是目前最多才多艺的卡车之一，满足了许多使用场景。因此，将其电池电动版本用作参考车辆，以推导马勒牵引电机开发的性能要求。车辆参数如右图所示。

通常，需要考虑各种驱动循环，以满足应用的要求。对于5-LH卡车，特别重要的是两种通用的驱动循环：区域配送和VECTO中的长途循环。后者描述了5-LH卡车的典型应用领域，因此对于机器设计至关重要。速度曲线只有少量瞬变，并且最大速度约为80公里/小时，可以从以下图中推导出来：

图9:VECTO长途驾驶周期中的车速

在车辆行驶的几乎90％的时间里，车速高于75公里/小时，最高可达85公里/小时。为了提供最高的电动行驶里程和最低的运营成本，电动机的效率图需要针对这一特定应用进行优化。马勒通过迭代优化过程优化了永磁同步电机的电磁设计，在相关操作点上实现了高达96.5％的优异效率（在电动机测试台上测量）。这些点在图10中用蓝色标记，并且很明显，车速约为80公里/小时的情况下，以大约6,000转/分钟的电机转速为中心的集中度最高。选择永磁同步电机用于这种应用，因为它在效率和功率密度之间提供了良好的平衡，适用于这个特定的5-LH卡车应用。

图10:马勒SCT电机的实测效率图，包括VECTO内的工作点基于图11定义的边界条件的长途驾驶循环

5.2基准用例——布伦纳

展示重型车牵引电机持续功率需求的最佳方式是模拟欧洲最艰难和最频繁的山口之一——布伦纳山口的驱动循环。模拟的路线如下图所示。起点位于奥地利因斯布鲁克，沿着E45高速公路一直通往意大利博尔扎诺。经过多达7％的坡度，海拔最高点达到了1,370米，在第40公里处。选择5-LH卡车作为参考车辆，最大载重为40吨。

图11:布伦纳路线(左)、高程剖面图(中)[6]、车辆参数(右)

模拟的目标是展示两种不同的牵引电机冷却概念的能力。模拟分为两个步骤。首先，在一个综合的车辆模拟环境中，基于一个真实的速度曲线，计算扭矩和电机转速。在第二步中，使用一个电动牵引电机热行为的仿真模型。该模型的输入是第一次模拟的结果，因此两个电机都以相同的负载曲线驱动。输出是定子绕组内的热点温度和转子内的永磁体温度。定子绕组的温度限制为180°C，转子磁体的温度限制为150°C，不能超过这些限制，以避免最坏情况下的降额、去磁或电机损坏。为了展示持续功率优于峰值功率的优越性，我们将重点放在布伦纳山口最具挑战性的10公里路段上。超过十分钟的全负载运行远远超出了通常在重型应用中需要30到120秒的峰值功率的定义。在此之后，电动机必须降额，并且只能依靠其持续功率来避免过热。在温度限制下行驶意味着除非进行进一步的功率降额，否则无法使用峰值或增压功能。在图12中，展示了具有马勒 SCT技术（深蓝色）和最先进的水套冷却概念（浅蓝色）的电动机的定子绕组温度曲线，覆盖了前10公里。显示在第二个y轴上的海拔高度（m a.s.l.）具有平均3%的坡度。定子绕组的温度限制设定为180°C，并用虚线表示。从两种电机的冷却剂进口温度均为75°C开始，随着海拔高度和不断增加的功率需求，绕组温度迅速上升。仅仅在行驶3公里后，水套冷却电机的温度限制就达到了。这意味着需要性能降额，因此车辆必须减速。相比之下，SCT电机在同一位置约冷却了30°C，并且在整个距离上都保持了绕组温度舒适地低于180°C的限制。在第五公里处，SCT电机达到了最高温度。随着坡度短暂下降，温度迅速下降了30°C。这突显了马勒 SCT冷却概念的有效性和响应性，甚至可以在中间进行功率增压，例如用于超车。

图12:传统水套缠绕热点温度(浅蓝色)和直接油冷却概念(深蓝色)上坡驾驶场景(Brenner Autobahn)，包括海拔剖面(灰色)

为了达到类似于采用马勒 SCT技术的电机的等效持续功率，采用水套冷却的相应设计需要增加约80%的体积。这使得电机更加沉重、不太可持续，尤其是更加昂贵。尽管与SCT相比，峰值功率要高得多，但在轻型和重型卡车应用中并没有这样的性能特性的相关需求。

通过这种先进的冷却技术，马勒 SCT电机可以满足重型卡车应用的所有基本要求。该技术的工作原理在以下章节中将详细描述。

6. 先进的冷却概念 - 马勒 SCT

目前，在汽车市场上使用的牵引电机有各种冷却概念。最主要的是基本的水套冷却，它吸收定子绕组的热量。冷却剂通常是水-乙二醇混合物，在定子周围的通道中引导。先进的概念还可以集成转子冷却和/或使用油作为冷却剂，特别是对于直接冷却概念。组合方式多种多样，但都有一个主要目标：最大化连续和峰值扭矩之间的比值（Nmcont. / Nmpeak）。

这个目标促使马勒开发了马勒 SCT技术，该技术能够实现行业领先的扭矩比率，最终成为市场上最耐用的牵引驱动电机。集成直接油冷却的工作原理如图13所示。

从图的左侧开始，油被吸入转子的中空轴中并在轴内传播，以冷却那里的永磁体。随后，冷却剂离开轴并直接流向右侧的定子端绕组，而不会将油溢出到转子和定子之间的气隙中。这对于最小化阻力损失并实现最高效率非常重要。在右侧绕组区域，油循环并吸收定子损耗。然后，油被引导到电机的左侧，在那里它也循环周围的端部绕组以吸收热量。在左侧和右侧端绕组之间，冷却通道提供了定子损耗向冷却剂的有效传热。最后，油要么直接输送到齿轮箱中，要么在前端收集到液体管理模块中。

图13:马勒SCT电机-冷却概念

通过这种集成的直接油冷却技术，电动机中的每个关键温度热点都被达到，并且热损失以非常有效的方式被冷却剂吸收。这使得连续与峰值扭矩的最佳比率达到了93%，连续功率密度为7.1 kW/kg，最大效率为96.5%（见图14）。与此同时，极其紧凑的设计在材料成本和重量方面带来了优势-更轻的电机在制造过程中需要更少的材料，并增加了商用车辆的可能净载荷。

图14:SCT冷却概念的验证

然而，为了更大程度地摆脱原材料价格和地缘政治发展的影响，SCT E-电机也可以设计为无磁铁。由于马勒开发的独特无接触传感器（MCT），这种无磁铁电机也将无磨损地高效运行，而且只需要比PMSM稍微多一点的空间。

7 结论

外激磁同步电动机（EESM）在技术性能、成本和地缘政治风险之间提供了非常有吸引力的折衷方案。马勒的无接触传感器（MCT）是一项创新技术，用于在EESM中无接触地将电能传递到转子，已经被验证为当前和未来动力传动需求的关键推动技术。例如，直接油冷却是马勒开发的另一项技术模块，作为电动机合适尺寸的解决方案，不仅将所需空间减少到最低限度，还降低了产品成本。

8 缩写词

BEV：电池电动汽车

EESM：外部励磁同步电机

FCEV：燃料电池电动汽车

ICE：内燃机

IM：感应电机

m a.s.l.：海拔高度（米）

MCT：马勒无接触传感器

LH：长途运输

PHEV：插电式混合动力电动汽车

PMSM：永磁同步电机

SCT：卓越连续扭矩

VECTO：车辆能耗计算工具

9 参考文献

References

[1] C. Schmülling, G. Esteves Albieri und M. Rehermann, „Technischer Vergleich von Traktionsmaschinen in Elektrofahrzeugen,“ in ATZlive / Experten-Forum Powertrain, Hanau bei Frankfurt am Main, 2022.

[2] USGS - United States Geological Survey, „Mineral Commodity Summaries - Rare-Earths,“ United States Geological Survey, Reston, 2022.

[3] R. Gauß, C. Burkhardt, F. Carencotte, M. Gasparon, O. Gutfleisch, I. Higgins, M. Karaji?, A. Klossek, M. Mäkinen, B.Schäfer, R. Schindler und B. Veluri, „Rare Earth Magnets and Motors: A European Call for Action,“ European Raw Materials Alliance, Berlin, 2021.

[4] S. Kalantzakos, „How China Came to Dominate the Rare Earth Industry,“ in China and the Geopolitics of Rare Earths,Oxford University Press, 2018, p. 117–164.

[5] A. Littau, B. Wagner, S. Köhler und A. Dietz, „Design of inductive power transmission into the rotor of an externally excited synchronous machine,“ in COFAT, Nurnberg, Munich, 2014.

[6] M. Schäfer, „https://www.t-online.de,“ 2017. [Online]. Available: https://images.tonline.de/2021/05/81687722v4/0x98:1920x1080/fit-in/768x0/die-europabruecke-auf-der-brennerautobahn-ist-teil-einerder-wichtigsten-alpenpaesse-und-oesterreichs-hoechste-bruecke.jpg. [Zugriff am 2022].

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