作者：核动力蜗牛、转载自微信公众号《电机产品技术前哨》

新年伊始，新能源电机市场大概率延续2021年激烈成本竞争的态势，资源持续向头部聚集。为避免同质化竞争走，差异化的技术路线将备受关注。其中“ 铜转子感应电机”技术路线会迎来更多的目光和机会。因其具备低成本和高可靠性的双重优势，在中低端市场会备受欢迎。

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缘起

铜转子感应电机不是什么新事物，十几年前就已面世，但一直不温不火，未能占居主流市场。 这是一种什么产品呢？简单地说就是普遍交流异步电机的转子工艺改善版本。

普遍交流异步电机的转子是采用铝合金铸造而成，因为这种转子工艺简单且廉价大规模应用工业电机、低速车等场合。但因为铝的导电能力较弱，转子的损耗比较大，这种电机的效率不高。为了改善该短板， 有人将转子的铸铝材料切换成了铜，因此效率得以大幅度提升。有人作了综述性研究，由铝换铜电机的效率能够提升1~2个百分点。

效率增加，且仍然保持低廉的价格，按道理应该大有所为，但铜转子产品的市场占有率仍然差强人意，其中主要的问题是在锂电应用场景如乘用车商用车等，对效率的敏感度较高。这种电机即便效率提升后，相较永磁同步电机仍然有较大效率差距。而这部分效率差需要增加锂电的成本来弥补，结果就是电机成本下降了，锂电成本增加了，这一增一减之间 三电的综合性价比未必最优。

为什么旧事重提？

故事本该到此为止，但市场情况出现了较大的变数--稀土价格快速爬升，相较2019年，在电机厂端钕铁硼的“可感”成本上升了2~3倍。原来设计时钕铁硼的成本模型在300~400元/kg，现在已经修正成600~800元/kg。

稀土价格的高企使得电机成本大幅度上升，电机厂商承压极大，如何降低成本成为一个事关存亡的问题。这种形势下使“去稀土化”技术路线渐入视野，目前我们能够看到的大概有如下五种技术路线：

对比这五种技术路线，铜转子这条路，除了效率低，没有可靠性差等致命问题，如果能够通过设计手段提升、绕组工艺改善能够提升效率，是比较有潜力的技术路线，至少在中低端应用中有一席之地。这也是为什么旧事重提的原因。

铜转子的两种工艺路径

前文说过铜转子是在原来铝转子的基础上的工艺改良，目前有铸造和插铜条两种技术路线。如下图所示，铸造工艺是将转子铁芯放置入铸造模具，将高温的铜液注入，冷却脱模后成为一个整体的铜鼠笼结构。这种工艺最主要问题是需要高温融铜，能耗大，效率低。而且高温铸造过程会对铁芯硅钢绝缘产生不利影响，增加铁耗。

针对上述问题，插铜条工艺有所改进，其过程是先将成型的铜条插入铁芯中 ，然后将端环和铜条焊接成一个整体。虽然工艺效率和能耗有所改善，但是铜环焊接过程仍然较繁琐。而且存在随着焊点增加焊接不良的概率增加的的缺陷。

鉴于上述两种工艺的缺陷，通用汽车采用了一种混合工艺方式，即铜条采用插入工艺，端环采用铸造铝工艺。铸铝的能量较少，容易实施，而且省却了端环和铜条的焊接过程，生产效率和可靠性都有提升。

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考究·过往产品比较

我能找到最早的关于车用铜转子电机的文献记载了麻省理工大学James L的一次实践，该项目应用于军方的一种载重车辆。电机设计功率140马力、12000rpm，成功装载在型号为HEMTT-A3的特种车辆上。如下图所示他们采用了插铜条+端环焊接工艺，电机相关参数见下图。

铜转子产品首次大规模应用在车辆上的荣誉当归属于特斯拉，在2012年版本的ModelS上装载了一款峰值扭矩430Nm、最高转速13000rpm、峰值功率225kw的产品。如下图所示这也是采用了插铜条+焊接端环的工艺。

有产品应用于车辆只能证明这是一条路子，但这条路线的竞争力几何，还待深入洞察，为此我们找了两个case ，用以比较铜转子电机和永磁同步电机的优劣。

第一个案例来源于美国铜业协会的研究。他们对标丰田Prius2004的永磁同步电机，做了一款铜转子感应电机：功率50kw，转速6000rpm，最高扭矩250Nm。

他们的铜转子电机外径和永磁同步电机保持一致。但叠高由增加了21mm，变为105mm，也就是说用了铜转子需要增加体积。

进一步对比效率map图,我们发现铜转子感应电机的最高效率要低永磁同步3个百分点，而且高效区域面积也明显减小。

如果以实际路况来对比能耗的话会看得更直观，铜转子电机在UDDS、US06、HWFET三种路况下表现能耗都远高于永磁同步，能耗分别为永磁同步的171%、177%、216%。所以可以看到铜转子电机有明显的效率劣势。

铜转子电机的强项在于成本，铜业协会这款电机因为没有永磁体，成本相较永磁同步大幅度降低，大致为永磁电机的73.1%，换句话说，就是用高永磁七成的能耗，换来三成的成本差额。同时也带来了转矩密度的损失。

孤例的说服力不大，我又找了一款国内电机加以补充，这款电机是北京交通大学 Qian Zhang等开发的。该电机应用于微型车辆，功率18kw，采用的铸铜转子工艺，最高转速8200rpm、最大扭矩200Nm。

为了深入理解这款电机的竞争力，我找了一款同等功率的永磁同步电机，稍加调整使之和铜转子电机可以对等比较。改造时外径维持不变，叠高由铜转子电机的140mm降低为110mm。这两款电机的效率对比如下图所示：最高效率相差1.7个百分点，高效面积永磁同步明显占优。

看完效率看成本，两款电机的成本模型如下表所示，铜转子电机的电磁材料成本相交永磁同步下降了29%，体积增加了27%，重量增加了32%。相关的数据和美国铜业协会的相当，可以交互印证。

到目前为止，我们了解了铜转子电机相交永磁同步的优劣， 可以用四句话总结：

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改进·铜转子电机的升级

我计划从两条路径出发来为了改善铜转子电机上述缺点， 一条是采用扁铜线定子，另外一条是充分多目标优化。

扁铜线在永磁电机中常用的一种工艺，能够有效提升电机的效率和功率密度。我们采用 扁铜线定子+铜转子的策略组合，这样就构建了一个 “全铜”的电机，期望这种工艺组合能够媲美圆线永磁同步电机。 我们的目标是能找到一种新的解，其性能略低于圆线永磁同步电机 ，而成本又能大幅度降低的方案。

如果仅从成本和性能两个维度出发，我们能够看到一组谱系解，在谱系的最左端是“成本最低而性能最弱”的普通异步电机方案，在谱系的最右端是“成本最高而性能最强”的扁铜线永磁同步电机方案。因为铜转子异步电机的性能较永磁同步电机有较大的差距，在这组谱系中存在一个较大空白区间，我们希望“全铜”电机能够填上这个空白。这种填充是有意义的，能给一些更偏向性价比的车型品类提供有竞争力的解决方案。

制约铜转子感应电机的另一个因素是 “优化困难”，相比永磁同步感应电机的优化至少存在三个方面的困难：

如果没有有效的优化手段，我们就没法给出性价比最优解，这样的后果很严重。举一个形象的例子：狗本来是比猫重的，但我们随机从狗群和猫群里抽出来一只作对比，可能会出现小狗比大猫的情况，并得出猫比狗重的结论。 因此一种电机路线的确定，需要配合上充分的“优化手段”，将这种技术路线的性价比发挥到极致。

在查找了很多文献后，目前能够找到最多的是“田口法”来优化感应电机，这种方法本来是应用在工厂产品的品质管理的。其本质是一种模拟实验法，找到一组最小样本进行测试，找到关键变量对性能的影响敏感度，并以此找到最佳参数组合。采用田口法避免了大规模的计算，是一种不得已的妥协。没法实现多变量多目标的充分优化。

为了解决铜转子感应电机优化困难的问题，我们必须找到一种支持大规模计算的优化方式，并解决上文说的三种优化困难。我们将探索的一些成果写入了我们的优化软件VoltPowerDesigner，其中一些策略可以和大家分享。

优化策略

针对上述“优化困难”的问题我们探索了一系列优化策略，有些是工况设计层面的，有些是优化算法层面的，能够和大家分享的基本手段如下：

第一点确定了“全铜”电机的优化拓扑，定子36槽、转子28槽，定子采用每槽4根扁铜线的结构，转子采用插铜条+端环焊接的工艺。

在确定了拓扑之后第二个要解决的问题是如何“锁定一个工作点”。比如如何实现5000rpm@25Nm的工况。我们这里采用了直接给定转矩，电压和频率，采用非恒转速瞬态仿真，让转速能够自适应。这样能够保证转矩，转速会随着“转差”的不同，在5000rpm有小幅度的变化，但这不会影响优化。

解决了锁定工作点问题后，我们筛选了额定、峰值转矩、高速下峰值功率作为优化工况。但这里又会遇到一个问题，那就是低速峰值转矩工况的电压未用满，具体多少电压是按照控制算法来确定的，比如“最大转矩电流比”、“恒压频比算法”、“损耗最小算法”等。在优化时，我们引入了“电压系数”用以修正电压，优化算法会根据我们期望的控制算法，来自适应寻找最佳系数。通过此手段解决非满压工况的设置问题。

最后一步就是确定每个工况下优化目标以及优化变量。在额定工况我们取了“效率”、“电流”、“成本”作为优化目标，其它工况也类似，但各有侧重。优化变量最主要的是"定子内径"、"气隙"、"定转子槽型"的尺寸。到了这里全部设置已经完成，剩下的工作交给算法，我们静待它的表现。

优化结果对比

由于机时资源有限，我们仅作了28代优化计算，在点阵图上我们看到了比较乐观的结果：

第一幅图显示在成本450-500区间额定工况的效率能够超过92.5%，且同时这些解的峰值扭矩能够达到85Nm；

第二幅图显示，在成本450~500区间，电流密度存在大量6~8 A/mm^2的解，这意味着额定13kw电机能够长期运行；

我们从众多的方案中找到了一个典型解作为代表，作了map对比和CLTC路况对比。可以看到在五菱宏光这类微车应用中，全铜感应电机的最高效率达到93.83%，较永磁电机仅差了0.5个百分点。而考虑不同路况组合的CLTC路况，全铜感应电机的驱动效率为87.29%，永磁电机为91.72%，两者相差4.4个百分点，因此在综合续航上，全铜感应电机已经和永磁同步电机已比较接近。

接下来对比成本，全铜感应电机的定子和转子都用到较多的铜，比永磁电机多用2kg，但因为没有用到磁钢，电磁材料成本比永磁电机少用210元，下降比例达到31%。较改进前功率密度已有较大改进，定转子叠高仅相差10mm，功率密度较永磁同步电机仅减小13%。

作个小结，采用定子扁线+铜转子的技术组合，通过多目标优化后，能够达到一个什么预期效果呢：

到这里我们的设计意图已经达到，证明了这条路线是可行的，考虑到感应电机基本材料为铜和铁，没有永磁的失效模式，耐高温、耐振动、耐盐碱具备先天的可靠性优势，在很多应用场景中是一个极稳妥的选项。

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总结

这一期我们讨论了铜转子感应电机问题的来龙去脉，以及应用在车辆上的优缺点，最后探讨了扁线定子和铜转子策略组合下产品的性价比，最后得出了该全铜异步电机具备可行性。

最后借这个话题谈点感想，什么样的技术创新是靠谱的？关键不在于有多高大上，关键在于三句话：“解决问题，填补空白，突破瓶颈” 。

“解决问题”的意思是我们的技术是为了解决这样那样的实际问题，要么是降低成本，要么是提高性能或者改善可靠性。只要 “问题是真实”的目标就没有大问题。

“填补空白”的意思是我们做的东西是市场上还没有的，即便有也还算比较稀缺。我们的产品要么填补了高性能的空白，要么填补性价比的空缺。

“突破瓶颈”的意思是，天下没有新鲜的事情，我们想到的Idea前人肯定早已经想过甚至实践过，如果没有成，必然是有这样那样的瓶颈。要想有所作为必须补上这“临门一脚”。比如说我们通过技术创新，突破了某一项性能。有多大的突破，就有多大红利。这种靠自己的本事赚来的红利，才踏实。

唯有此我们的创新是脚踏实地的、是靠谱的，这也是我创业这三年的一点体会。