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开云体育:华为公开盘式电机相关专利能解决动平衡难题吗?

发布日期:2022-11-15 11:04:49浏览次数:

  在新能源汽车中,如果说动力电池系统是最为重要的核心部件的话,那么电驱系统可能就是第二重要的部分了。

  近日,华为公开了两件盘式电机相关专利,能提升盘式电机制造过程中存在的动平衡难以精准调节,以及生产效率不高的问题。前沿君带大家了解下相关专利技术。

  电驱系统主要由驱动电机、控制器、减速器构成,它与动力电池系统一起,构成了电动汽车的动力源,相当于燃油车的引擎。

  在电驱动系统中,驱动电机的一个发展方向是多电机化(当然,并不是每个车企的选择),即,采用多台电机共同提供动力。相比于单台电机,多电机化无疑具有更高的动力表现,在扭矩、效率方面更具优势。

  多电机发展的理想目标是实现每个车轮独立驱动,即轮毂电机,为此,电机的小型化已成为行业发展趋势。

  在一定的功率要求下,如何将电机做小?根据功率=转速*扭矩的计算关系,可知方式主要有两种:

  目前市面上的电动汽车,特斯拉的3D6驱动电机峰值功率220kw,峰值转速为19000r/min。比亚迪的“八合一系统”中的TZ200XYC电机,峰值功率230kw,峰值转速16000r/min。华为的DriveONE系统中的TZ210XY584电机,峰值功率220kw,峰值转速17000r/min。

  想要再进一步大幅提升转速很难,因为常规材料的齿轴等机械结构能承受的极限基本也就在20000r/min的水平。

  传统电机大多是径向磁通电机,大多呈现长筒型,直径较小,轴向尺寸很大。而新型的轴向磁通电机,其特点是轴向尺寸小,径向尺寸较大,看起来就像圆盘,因此也称为盘式电机。

  不过,两种电机最主要的区别不是在外观上,而是内部的结构。轴向磁通电机的磁铁呈盘状,设置在电机两端,作为转子与主轴固定,其通过电机轴向形成闭合磁通回路,因此具有较高的转矩密度。

  在电梯、商用车公交车、工程机械、军工、航空航天等领域,盘式电机有着广泛的运用,在电动汽车当中,运用也越来越多。

  现有盘式电机从结构上区分,常见的有单定子单转子、双定子单转子、双转子单定子三种结构,其中双转子单定子结构由于转矩密度最高,逐渐成为研究的热点。

  但是,在制造技术上,多转子的盘式电机,目前在动平衡调整方面没有成熟的方案。

  动平衡是转子动力学的一个重要的研究内容。当物体在高速旋转时,如果其各部分质量分布不均匀,就容易出现不规则运动,造成噪音、震动,并影响寿命。因此,电机在组装前需要对转子进行动平衡调整,以使其在转动过程中的质心和旋转中心尽可能的接近。

  目前的多转子盘式电机动平衡调整方案,大多是先将各转子利用假轴单独进行动平衡调整,再进行定子、转子和轴承的整体组装。

  国标GB9239.1-2006中,对最高转速达到950rpm以上的电动机的要求是需满足G2.5的动平衡标准。如果最高转速为10000rpm,那么其质心偏差需限制在2.5μm以内。

  而假轴装配由于与实际转轴装配存在偏差,在现有的装配工艺能力下,会造成整个转子系统的质心与旋转中心的偏差达到6-9μm左右,无法达到国标G2.5的动平衡要求。

  现有制造技术中,还有一种动平衡调整方法,是先对两个转子的系统做动平衡调整,然后拆卸其中一个转子,安装定子后再进行转子的安装。

  这种方法虽然精度更好,但装配步骤较多,不利于生产效率的提高,且反复拆装过盈配合的部件容易造成配件可靠性下降。

  如何兼顾动平衡调节的精准性与生产效率?华为在近日公开的一件名为《盘式电机及其组装方法、动力总成和车辆》的发明专利中提供了一种盘式电机及其组装方法,同时包括动力总成和相关车辆,可以提高动平衡调整的准确性,提高了组装的便利性。

  专利中的盘式电机的结构如上图所示,其中中间的12为定子,两端的11、13为转子,转子上分布有若干磁体,14为动力输出轴,与转子固定连接。转子整体通过轴承15与定子12滚动连接,整体结构上来看是一种经典的盘式电机结构。

  华为在专利中的创新点之一在于转轴14。从上图中可以看出,其将转轴14分为了两段,即图中的第一轴体141和第二轴体142,两段轴体的连接可以为过盈配合连接、键合连接、联轴器连接、销接或法兰连接,并不做限制。

  专利的另一个创新点在于调重与组装方法。如上图所示,在两端的两个转子的外侧设置有调重组件,即上图中的20。它由开孔或凸柱形式的固定元件(图中的21)以及配合连接的调重块(图中的22),例如标准螺母构成。这些固定元件呈环状均匀分布,在动平衡调整过程中,可通过增减调重块实现转子的增重和减重,直至达到预设平衡标准。

  其组装方法为先将一侧的转子套设固定在第一轴体上,并对固定连接的第一轴体和第一转子进行动平衡调整,完成后,再将另一侧的转子按照同样的方法进行动平衡调整。最后,再将两段轴体141、142拼装连接起来。

  在这个组装方法中,先对单个转子系统做动平衡调节,可通过严格控制单个转子系统的动平衡指标,再使得最终的盘式电机整体动平衡达到使用要求。

  此外,在装配过程中,整机动平衡仅存在一次装配误差,此误差影响可通过两个转子系统各自的剩余不平衡量、装配尺寸误差(如过盈量、同轴度等参数)消除,进而实现对整机剩余不平衡量的有效控制。

  再者,这种组装方法中,装配便捷性也得到提升,有利于在保证动平衡质量的同时,提升盘式电机的生产效率。

  从电动汽车的成本上看,电驱系统占整车制造的比例仅次于电池系统,其是一个千亿级市场。

  从其供应链模式来看,主要分为第三方电机电控企业配套以及主机厂自主研发配套两个模式。在日本,汽车行业产业链极为发达,但行业龙头丰田、本田、日产都倾向于自供电机产品。在中国,行业巨头们似乎也倾向于自研,纷纷投入巨资,希望将核心命脉掌握在自己手中。

  在2020年电机行业TOP10企业中,整车企业包括比亚迪、特斯拉、蔚然动力、大众变速器4家,其中比亚迪和特斯拉合计市占率达23.8%,龙头优势显著。但总体来看,第三方供应商自主研发的市占率较为接近。

  华为虽然和其他车企推出了赛力斯、极狐、问界等品牌,但并没有达到“振臂一呼,应者云集”的效果。好在,华为也一直强调不想亲自下场造车,而是想做核心零部件。

  前沿君通过检索发现,在汽车电机驱动系统领域,华为在国内共有近200件相关专利,这个数量相比一线巨头,并不算多。在此领域国内专利数量最多的企业是比亚迪,共有1700多件,PCT专利数量最多的则是博世,其领先第二名的丰田一倍多。

  不过,从增长趋势上来看,华为自2017年以后,汽车电机相关专利公开数量增长极快,几乎保持着每年翻一番的增速。

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