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小米汽车核心技术:高速电机

2024-07-30


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“电机是电动车的“心脏”,是驱动系统中最为核心的零部件,对整车性能起着关键性作用。小米立志做全球最好的电动车,一开始就立项了「小米超级电机」项目。小米和联电、汇川一起,联合开发了小米超级电机V6和V6s,同时自研了刷新业内天花板的小米超级电机V8s。


三条技术路线平行

「小米超级电机」刷新行业天花板

首先,目标就是行业顶峰。3年前,宣布造车之后,行业最高水平仅为18,000rpm,小米起步就定了21,000rpm的目标。小米跟联电、汇川,一起联合研发。借助小米 AI 实验室的力量,用先进的 AI 仿真技术模拟出 20 余万种转子拓扑结构,解决了电机高转速下转子形变、过热等核心问题,成功找到结构最优解,带来了更强的电磁性能和更小的空气阻力,让整体效率进一步提升。

虽然现在业内也有了21,000rpm电机。但是,小米的21,000rpm在最高功率、最高扭矩、功率密度3个关键性能参数上,依然是同档中全球最领先、最强大的电机。甚至比被友商的22,000rpm还要厉害。


但 21,000rpm 远远不是小米的终极目标,要想真正实现转速“断层领先”,就需要深入技术的“无人区”。达成更高的转速,对转子硅钢应力、散热、效率等都提出了更大的挑战。特斯拉是转子外面裹了一层碳纤维,小米决定直接改进材料,与世界领先的材料公司合作,创新了强度达到960MPa高强度的硅钢。通过双向立体油冷技术,使散热效率提升超过 50%,让最高温度下降了 30℃。重新设计了整个定转子,采用新的扁线绕组设计,54 槽 6 极的定转子极槽配合,行业 pin型最少。槽满率提升到了77%、铁损降低了 25%,整体电机效率提升了 0.3%。最终达成了27,200rpm,成就了世界上最顶级的电机。


这还是不终点。小米创新研发“激光转子缠绕技术”,通过激光将套筒固化,避免了湿法缠绕伴生的热胀冷缩问题,带来高达 1,000mPa 的预紧力和更高的制造良率。电机转子通过“激光转子缠绕技术”加固后,目前已经可以在实验室中成功实现 35,000 rpm 的惊人转速!

图片来源于网络


小米超级电机 V6、V6s,转速高达 21,000rpm,现已大规模量产,即将在小米汽车 SU7 正式亮相。小米超级电机 V8s,27,200rpm,突破行业转速天花板!现已完成验证,计划 2025 年面市。面向未来的“激光转子缠绕”预研技术,已成功在实验室实现 35,000rpm 极限转速!技术探索永无止境,小米还在探索更好的。


关键选择

“扭矩优先”还是“转速转速”?

在讨论如何做出更强的电机之前,先来看看电机输出功率的计算公式:


P(输出功率)= 扭矩 * 转速 / 9550


显而易见, “扭矩”和“转速”是影响电机输出功率的两个主要变量。电机技术发展方向的选择,本质上是“大扭矩”和“高转速”的路线之争。


对于电动车的电机而言,如果要提升扭矩,主要靠提升转子直径和增大电流两条路——但前者意味着电机体积要增大,并不适用于乘用车;后者会带来更大的热损耗,不利于提高效率,且综合成本高。因此,努力提高转速,已经成为行业共识。

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当然仅有高转速是不够的,功率密度高低体现了电机研发的先进水平。功率密度越高,电机集成化程度更高,技术路线更先进。功率大、重量轻是一台好电机的具体表现。


小米自始至终坚持对核心技术自研投入,决定以转速为核心,并保证领先的功率密度,向电机性能天花板发起挑战。


21,000rpm 高转速背后

AI技术支撑的20多万种转子拓扑结构尝试

小米发现,转子强度是影响转速的核心瓶颈:转子转速越高,产生的离心力就越大,这对转子强度提出了更高要求。如果无视转子强度继续提升转速,永磁体会在铁芯最薄弱的磁桥处产生巨大应力,当它超过材料自身的屈服强度时,就会导致转子形变、解体甚至炸裂。在早期预研的过程中,小米发现转速一直很难突破 18,500rpm,问题也就在于此。

小米在AI领域的长期积累,发挥了关键作用。小米借助小米 AI 实验室的力量,用先进的 AI 仿真技术模拟出 20 余万种转子拓扑结构,又联合联电、汇川两家全球顶级的电机生产商,用了 8 个月的时间反复打样、测试、改良,最终成功找到结构最优解,将转子铁芯磁桥处的应力优化到材料屈服强度极限值之下,在不改变材料的前提下带来转速突破。结构优化还使得转子形变减少,定转子间给形变留出的余量也可以做到更小,气隙(转子外壁和定子内壁的间隙)随之降低到惊人的 1.3mm,带来更强的电磁性能和更小的空气阻力,让效率进一步提升。


基于这一技术突破,小米成功推出两款小米超级电机 —— V6 和 V6s, 转速均高达 2,1000rpm,功率分别达到了220kW和275kW,相当于燃油车 V6 和大 V6 发动机的性能。小米还对散热、表面处理工艺等技术细节做了进一步的优化,使电机在高转速下能够持续稳定运行。


目前这两款超级电机已投入大规模量产,将在小米汽车的第一款产品——SU7 系列正式亮相。

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960兆帕超高强度硅钢转子

支撑27,200rpm转速天花板

21,000rpm 远远不是小米的终极目标,达成更高的转速,对转子硅钢应力、散热、效率等都提出了更大的挑战,要想真正实现转速“断层领先”,就需要深入技术的“无人区”,用自己的力量,做行业没做过的事情。

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小米优化转子拓扑结构降低应力,只是“压榨”出了当前转子硅钢片材料的极限性能,但要支持更极致的转速,就不得不突破材料本身的限制。为此,小米与材料行业的龙头企业合作,建立技术联合研发实验室。在一年半的时间里通过了百余次实验,构建合金复合强化性能预报模型,深入金属晶核挖掘不同金属元素的潜能,最终挑选出由10种元素组成的硅钢母材,再通过近千批次的强度试验、退火试验、冶炼测试、生产测试,最终共同研发出960Mpa超高强度特种硅钢,其强度达到目前行业主流材料的2倍以上,甚至可以媲美航空发动机所使用的钛合金!

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基于材料突破,小米成功研发出了小米超级电机 V8s,转速一举达到了空前的 27,200rpm!


这就是当前全球量产乘用车电机转速的天花板!


155项专利

散热和定转子设计的全面重构

达成高转速只是第一步,让电机在高转速下稳定工作,是一项更加复杂的系统工程,需要克服更多技术难关。小米在小米超级电机 V8s 的研发过程中,一共申请了155项专利,其中60项已授权。这里选择两个维度:散热和效率,来做重点介绍。

就像手机、PC 等电子产品算力升级后,也要匹配更强悍的散热能力。为了稳定达成 27,200rpm 的超高转速,小米必须重新设计整套散热系统。目前行业通行的电机散热设计,往往采用单向油路,弊端是油路远近两端温差大,影响散热效率。


小米研发定子双循环立体油冷技术,让冷却油在定子内部双向流动,有效散热面积增加 100%,同时将定子硅钢片错位叠放,增大了与油的接触面积,让导热更充分,定子最高降温超过20°C,两端温差小于5°C。同时在转子上应用S型立体油冷设计,转轴、铁芯同步冷却,转子最大降温30°C,降低温度升高带来的形变、退磁风险,保障电机在高转速下的持续稳定运转。


为了达成更高的效率,小米还进一步优化了定、转子的细节设计。小米超级电机 V8s 重新设计 54 槽 6 极定转子槽极配合,相比常见的 48 槽 8 极方案,可以降低磁场交变频率和铁损,进一步提高效率。


基于定、转子不同的性能需求倾向,小米选择定制材料和差异化厚度设计,专门强化定子硅钢片的电磁性能和转子硅钢片的机械性能,实现了效率和强度的兼顾。小米还创新采用了 8 层 Hair-Pin扁线绕组技术,提升纯铜槽满率,这意味着可以在相同空间内填充更多铜线,产生更大电流和更强磁场,大大提升功率密度;还将绕组 Pin 型精简至 6 种,提高可量产性。

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小米超级电机 V8s,不仅以 27,200rpm 的超高转速冠绝行业,更拥有425kW超高功率,98.11%最高效率,10.14kW/kg超高功率密度,性能媲美燃油车大 V8 发动机!小米找到国内两大权威机构——中国电工技术学会和国家新能源技术创新中心,组织院士专家团评审,专家们一致认为小米超级电机 V8s 的最高转速、最高效率、功率密度等指标处于国际领先水平!目前小米超级电机 V8s 已完成量产验证,计划于2025年与大家见面。


小米超级电机转速持续刷新

预研已实现35,000转

27,200rpm,就是终点吗?

通过强化转子来持续提高电机转速,除了优化转子结构和材料创新,还有一种“外挂强化”的方式——即在转子外部套筒以提供预紧力。行业目前较为领先的方案是碳纤维湿法缠绕,即使用细且强韧的碳纤维丝,配合液态胶缠绕附着于转子外壁,再通过高温烘烤固化。但这一方案也有其弊端:从高温固化到降温的过程伴随着材料的热胀冷缩,使转子外壁与套筒的贴合出现间隙,导致套筒并不能提供预期的预紧力,更致命的是,这一工艺的良率非常低,为了有限的收益,要付出高昂的生产成本。


小米在固化步骤成功找到突破口,创新研发“激光转子缠绕技术”,通过激光将套筒固化,避免了湿法缠绕伴生的热胀冷缩问题,带来高达 1,000mPa 的预紧力和更高的制造良率。电机转子通过“激光转子缠绕技术”加固后,目前已经可以在实验室中成功实现 35,000 rpm 的惊人转速!小米也为这项技术申请了专利,但实现大规模量产还需要经过不断测试和优化,还请大家耐心等待。

从大规模量产的小米超级电机 V6 系列(21,000rpm),到突破行业转速极限的小米超级电机 V8s(27,200rpm),再到面向未来的“激光转子缠绕技术”(35,000rpm),三代技术同步干,一代更比一代强!努力为最好的电动车打造最强电机,成为电机赛道的领航者,小米正稳步兑现着自己的承诺!


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