Детальное проектирование и разработка автомобильных двигателей: инженерное руководство.

< Назад к разработке платформы

Джонни Лю, генеральный директор компании Dowway Vehicle.

Опубликовано: 5 марта 2026 г.

Примечание автора: Поскольку автомобильная промышленность переходит на электромобили, двигатель теперь является сердцем автомобиля. Я написал это руководство, основываясь на своем инженерном опыте в компании Dowway Vehicle, чтобы подробно описать шаги, которые мы используем для достижения баланса между производительностью, надежностью и стоимостью при создании современных электродвигателей для электромобилей.

Введение в автомобильную механику

Вследствие глобальных норм по ограничению выбросов углерода и перехода к электромобилям, двигатели перестали быть простыми вспомогательными компонентами в автомобилях с бензиновыми двигателями и стали абсолютной основой автомобилей на новых источниках энергии (NEV).

Автомобильные двигатели должны соответствовать гораздо более строгим стандартам, чем обычные промышленные двигатели. Они должны быть компактными, обладать высокой удельной мощностью, превосходной эффективностью, высокой надежностью и устойчивостью к экстремальным температурам.от -40°C до 150°CОни также должны выдерживать сильную вибрацию и удары, сохраняя при этом низкие затраты. В конечном итоге, конструкция должна идеально соответствовать потребностям автомобиля в энергии, системе терморегулирования и стратегиям управления.

В настоящее время, Синхронные двигатели с постоянными магнитами (PMSM) На рынке доминируют двигатели с синхронным сопротивлением (SynRM) и синхронные двигатели с электрическим возбуждением (EESM), хотя альтернативные варианты, такие как двигатели с реактивным сопротивлением (SynRM) и синхронные двигатели с электрическим возбуждением (EESM), постепенно догоняют их. Новые технологии, такие как обмотки в форме шпильки, масляное охлаждение и многофизическое моделирование, ежегодно повышают производительность двигателей.

Основные принципы проектирования двигателей

Нельзя спроектировать двигатель в вакууме. Он должен соответствовать специфическим потребностям конкретного транспортного средства. Мы придерживаемся трех основных правил:

• Стратегия, основанная на спросе на транспортные средства: Мы проводим обратное проектирование двигателя на основе параметров автомобиля. Например, главный приводной двигатель для чисто электрического легкового автомобиля должен обладать высокой эффективностью при движении на высоких скоростях (эффективность). ≥93%) и кратковременная пиковая мощность для быстрого разгона. Разгон от 0 до 100 км/ч в ≤7с требуется пиковая мощность 20%-30% выше номинальной мощности.
• Междисциплинарная синергия: Проектирование электродвигателей подразумевает баланс между электромагнетизмом (мощность/эффективность), термодинамикой (охлаждение), машиностроением (вибростойкость/ударопрочность) и материаловедением (плотность мощности/срок службы). Чрезмерная оптимизация только одной области приведет к поломке всей системы.
• Технико-экономическое обоснование: Конструкция должна реально работать на сборочной линии. Конструкции с высокой удельной мощностью должны соответствовать существующим производственным процессам и использовать стабильные цепочки поставок. Мы закладываем резервирование процессов для достижения уровня выхода годной продукции в массовом производстве. ≥99,5%.

8-этапный процесс проектирования и разработки двигателя

Создание автомобильного двигателя — это строгий инженерный процесс. Мы разделим его на восемь этапов:

1. Анализ требований: Мы определяем пределы мощности, показатели эффективности, экологические требования (вибрация на единицу площади). ISO 16750защита в IP67/IP6K9K), и целевые показатели надежности (≥15 лет/300 000 км срок службы; частота отказов ≤0,1 раз/10 000 км).
2. Концептуальный и проектный дизайн: Мы выбираем топологию двигателя. А 48-гнездный/8-полюсный Такая компоновка хорошо подходит для главных приводов. Мы предпочитаем обмотки в форме шпильки, поскольку они обеспечивают коэффициент заполнения пазов. ≥75%. Для охлаждения двигателей мощностью 50-200 кВт используется вода, а для двигателей мощностью более 200 кВт — масло, чтобы предотвратить повышение температуры. ≤80K (за GB/T 18488-2015).
3. Этап детального проектирования:

• Электромагнитный: Для оптимизации магнитных полей и уменьшения пульсаций крутящего момента мы используем Ansys Maxwell или JMAG.
• Тепловой: Моделирование с помощью вычислительной гидродинамики (CFD) позволяет усовершенствовать систему охлаждения. Для двигателя мощностью 150 кВт с водяным охлаждением обычно требуется спиральная водяная рубашка с расходом воды. 8-10 л/мин и разница температур на входе и выходе в размере 5-8°C.
• Механический: Мы обеспечиваем структурную безопасность при максимальных скоростях. >15 000 об/мин. Расстояние между валами устанавливается в 4-6 раз больше диаметра вала, чтобы предотвратить резонанс. Динамическая балансировка ротора затрагивает Г2.5 оценка.
• Материалы: Мы используем 35WW300 кремнистая сталь для статора, 38H/42SH Магниты NdFeB, медные сплавы для обмоток и Класс H (180°C) теплоизоляция.

4. Многофизическое моделирование: Мы объединяем электромагнитные, тепловые и структурные моделирования. Тесты на вибрацию и жесткость (NVH) гарантируют сохранение вибрационных характеристик. ≤2,5 мм/с.
5. Прототипирование: Мы создаём физические модели, используя стандарты массового производства.

6. Стендовые испытания: Прототипы проходят испытания на испытательных стендах для проверки мощности, крутящего момента и изоляции, что обеспечивает достижение максимальной эффективности. ≥97%.
7. Калибровка на реальном автомобиле: Дорожные испытания подтверждают, что двигатель соответствует силовой установке автомобиля в экстремальных погодных и дорожных условиях.
8. Запуск серийного производства: Мы внедрили строгий контроль качества (КК) на этапах штамповки, ламинирования, намотки и сборки магнитов.

Ключевые элементы детальной конструкции двигателя

В зависимости от модели автомобиля, мы сосредотачиваем наши инженерные разработки на нескольких конкретных областях:

• Электромагнитная конструкция: Мы поддерживаем воздушные зазоры между 0,5-0,8 мм. Мы строго контролируем пульсации крутящего момента. в пределах 5%.
• Терморегулирование: Системы отопления двигателей должны синхронизироваться с логикой термостата автомобиля для поддержания оптимального рабочего диапазона. 80°C-120°C.
• Механическая структура: * Роторы: В роторах с внутренними постоянными магнитами (IPM) используется V-образная или двойная V-образная компоновка магнитов для повышения механической прочности.

• Валы: Мы используем высокопрочные сплавы, такие как 40CrNiMoAзакаленные, поэтому критические скорости находятся >1,2 раза пиковая рабочая скорость.
• Герметизация: Мы используем фторкаучуковые уплотнительные кольца и двухкромочные сальники.
• Балансировка: Остаточный дисбаланс строго контролируется. ≤3 г·мм.

• Инженерная адаптация: Для электромобилей необходим синхронный двигатель с постоянными магнитами (PMSM) с удельной мощностью . ≥4,5 кВт/кг. В коммерческих автомобилях для экономии средств часто используются асинхронные двигатели, ориентированные на… ≥3 кВт/кг.

Преодоление технических трудностей

• Надежность высокоскоростного ротора (>20 000 об/мин): Чрезмерные скорости вызывают центробежные силы, которые деформируют детали. Мы решаем эту проблему, используя высокопрочную кремниевую сталь для интермодуляционных магнитов или втулки из углеродного волокна для поверхностных постоянных магнитов (СПМ).
• Предотвращение размагничивания: Высокая температура и обратные магнитные поля разрушают магниты. Мы выбираем магниты с высокой коэрцитивной силой и добавлением диспрозия (например, 42SH, HcJ≥2000 кА/м, Tc≥150°CМы ограничиваем ток ослабления поля до -0.3In. Мы применяем Ni-Cu-Ni Покрытие для предотвращения коррозии и программное снижение допустимых температур, если температура превышает допустимый предел. 180°C.
• Освоение методов контроля уровня шума и вибрации: Высокочастотный свист ухудшает впечатления от вождения. Мы оптимизируем комбинации полюсов и пазов, а также частоты ШИМ-переключения. Кроме того, мы используем малошумные керамические подшипники и добавляем демпфирующие материалы.

• Управление затратами: Нестабильные цены на редкоземельные элементы негативно сказываются на бюджетах. Мы рассматриваем конструкции синхронных реактивных двигателей без использования редкоземельных элементов и применяем интегрированные силовые установки типа «X-в-1», чтобы сократить количество компонентов.

Будущие тенденции

Отрасль развивается стремительно. Мы стремимся к повышению удельной мощности (целевые показатели): ≥6 кВт/кг) и интеграция “многофункциональных систем в одном”, которая включает в себя преобразователи постоянного тока и бортовые зарядные устройства. Инженеры также тестируют системы управления жизненным циклом цифровых двойников и архитектуры без редкоземельных элементов для снижения затрат. Адаптация к многоэнергетическим системам, таким как водородные топливные элементы, определит развитие электродвигателей в следующем десятилетии.

5 самых часто задаваемых вопросов о проектировании и разработке двигателей

1. Каковы ключевые этапы проектирования и разработки электродвигателя?

Отвечать: Процесс включает в себя определение требований, детальное проектирование, моделирование, физическое прототипирование и окончательное тестирование.

Инженеры следуют этим структурированным этапам:

• Определение требований: Определение требуемого крутящего момента, скорости, КПД, номинальной мощности, напряжения и условий окружающей среды.
• Выбор топологии двигателя: Выбор подходящего типа двигателя (например, асинхронный двигатель, двигатель с постоянными магнитами, двигатель с переключаемым сопротивлением).
• Электромагнитная конструкция: Оптимизация геометрии статора и ротора, конфигурации обмоток и магнитных материалов.
• Тепловая конструкция: Обеспечение надлежащего охлаждения для предотвращения перегрева.
• Механическая конструкция: Строительные валы, подшипники, корпуса и конструктивные элементы.
• Имитация и моделирование: Использование программного обеспечения, учитывающего различные физические процессы, для проверки производительности.
• Создание прототипа и тестирование: Создание прототипов и тестирование характеристик, уровня шума, вибрации и надежности.

2. Какие параметры наиболее важны при проектировании двигателя?

Отвечать: Инженеры тщательно изучают крутящий момент, скорость, эффективность и температурные пределы, чтобы убедиться, что двигатель идеально подходит для конкретного автомобиля.

Ключевые параметры включают:

• Крутящий момент: Вращательная сила, создаваемая двигателем.
• Скорость (об/мин): Требуемая для данного применения скорость вращения.
• Выходная мощность: Рассчитывается на основе крутящего момента и скорости.
• Эффективность: Отношение механической выходной мощности к электрической входной мощности.
• Плотность мощности: Величина вырабатываемой мощности относительно размера или веса двигателя.
• Температурные пределы: Максимальная рабочая температура обмоток и магнитов.
• Характеристики источника питания: Требования к напряжению, частоте и току.

3. С какими наиболее серьезными проблемами приходится сталкиваться при проектировании и разработке электродвигателей?

Отвечать: Главные трудности заключаются в управлении сильным нагревом, снижении механического шума и балансировании высокой удельной мощности со строгими ограничениями по стоимости массового производства.

К числу конкретных проблем относятся:

• Увеличение удельной мощности при сохранении компактных размеров.
• Повышение энергоэффективности для снижения расхода заряда батареи.
• Регулирование температурного режима для предотвращения перегрева и деградации материалов.
• Ограничения в материальном обеспечении, особенно в отношении поставок и стоимости редкоземельных магнитов.
• Снижение уровня шума и вибрации (NVH) для более плавной работы.
• Сбалансированное сочетание эффективности, веса, стоимости и технологичности производства в рамках одной конструкции.

4. Каким образом инженеры повышают эффективность электродвигателей?

Отвечать: Мы повышаем эффективность за счет снижения потерь в сердечнике и меди, улучшения жидкостного охлаждения и усовершенствования общей конструкции магнитной системы.

К методам относятся:

• Использование высококачественных магнитных материалов (например, высококачественной кремнистой стали) для снижения потерь в сердечнике.
• Оптимизация геометрии статора и ротора для улучшения распределения магнитного потока.
• Снижение потерь меди достигается за счет более совершенной конструкции обмоток (например, с использованием технологии «шпилек»).
• Усовершенствование систем охлаждения (например, иммерсионного масляного охлаждения) для поддержания оптимальных рабочих температур.
• Использование передовых методов управления, таких как эффективные тяговые инверторы.
• Снижение потерь на механическое трение за счет использования более качественных подшипников и смазки.

5. Какие инструменты и технологии обычно используются в современной разработке двигательных систем?

Отвечать: Инженеры в значительной степени полагаются на программное обеспечение для цифрового моделирования, такое как FEA и CFD, для виртуального тестирования тысяч вариантов конструкции перед созданием физических моделей.

В стандартный набор инструментов входят:

• Конечно-элементный анализ (КЭА) для моделирования электромагнитного поля.
• Вычислительная гидродинамика (CFD) для термического и холодопроизводительного анализа.
• Многофизические платформы моделирования которые объединяют электромагнитные, тепловые и механические модели.
• Алгоритмы оптимизации для автоматического поиска оптимальных параметров проектирования.
• Системы быстрого прототипирования и автоматизированного тестирования.