【奥迪怎么装折叠电机】我们从奥迪E-TRAN学到什么？

前言

2020年奥迪第三季度E-TRON SUV的季度交付量达到创纪录的1983(同比增长16%)。

第三季度，奥迪全电动系列总共销售了2296辆(增长34.7%)，占奥迪总销量的4.8%，创历史新高。可以说奥迪E-TRON当之无愧的称得上最受欢迎的豪华纯电动SUV了。

E-TRON源于英文单词ELECTRONIC，最早始于2009年法兰克福国际车展上与大家见面。当时以E-TRON命名的概念车，定位类似R8车型，综合输出功率230kW，4500Nm。虽然此时的纯电动力系统不能很快投入量产，但"E-TRON"概念长远的发展前景得以展现，为后续的产品应用奠定了基础。

为满足前后轴不同布置要求，E-TRON电驱系统可分为前轴电驱和后轴电驱。其中前轴采用平行轴设计，速比9.205，代号APA250、APA320；后轴采用同轴设计，速度9.08，代号AKA320、AKA250。

对于E-TRON系列而言，不同代号电驱系统电机主体设计相同，不同的只是定子有效长度（120和210 mm）。控制器设计也是基本相同，只是根据不同的软件版本和DC连接自适应调整。前桥上的标准变速箱，后桥齿轮中的各个相同零件以及其他相同零件（滚动轴承，密封件，旋变等）的使用构成了模块化系统。

新能源汽车技术发展到现在已经非常成熟且丰富，因此针对不同电驱系统，我们不去谈不同技术路线的优劣，而是更多的关注在相同技术路线的差异和创新。

1. 电机类型

E-TRON采用的是交流异步电机，此次重点关注的是作为交流异步电机的核心组件—转子。关注转子的原因也是因为异步电机的特性导致，也是不同异步电机能产生差异和创新的地方之一。

在工业感应电机的生产制造中，鼠笼转子通常都是用铝铸造而成。首先铝具有良好的电阻率，其次铸铝转子可通过铸造成型，成本相对较低（熔点660℃），因而铸铝转子成为了感应电机转子的主流。

但是实际上，铜的电阻率只有铝的62.5%，这意味着铜转子的转子损耗比铝转子的低很多，那么为什么不用铜转子呢？原因是铜转子对制造工艺要求较高。

• E-TRON铝转子采用铸造工艺。假如材质由铝换成铜，那么首先铸造工艺就行不通了。因为纯铜的熔点是1083摄氏度，其浇铸温度远远高于这个熔点，浇铸温度已经接近熔点，从而导致模具寿命低；加之铜的流动性差，铸造过程的气孔问题也无法避免。

• 除了铸造还有什么工艺可以采用呢？目前主流的是焊接，制造过程如下:

1. 先将铜条插在转子槽中

b. 再在两侧焊上端环（端环通常使用离心铸造法制造，离心铸造的工艺可以排出其中的杂质和气泡）。

c. 制造铜芯转子的焊接工艺通常采用感应钎焊，铜条末端与短路联结环的接触面积决定着整个鼠笼转子的导电性能，即运行效率，短路联结环的自身强度与焊接点强度决定着电机的可靠性。如果焊接点出现损坏，轻则影响整个电机的性能，重则造成转子损毁。

是不是所有的铜转子都是上述工艺呢？这里我们对比Tesla的铜转子和蔚来铜转子制造工艺。

Tesla的铜转子制造工艺

Tesla异步电机铜转子制造工艺已有专利保护（Rotor Design for An Electric Motor），这项技术与焊接鼠笼技术方案前半段相同，将铜条插入了转子槽中。

区别在于，制造了一组表面镀银的铜质楔子，将这些楔子插入了铜条端部的间隙之中，这样一个铜质的“端环”就通过机械配合制造完成了。嵌块安装完毕后，需要对接触面进行钎焊加工，由于钎焊材料事先涂覆，在此仅需要加热即可，这个焊接要求比焊接方案中端环的感应钎焊成本、难度都低多了。

焊接之后，再在两端箍上禁锢环：禁锢环的配合有效保证了转子的机械强度。

蔚来铜转子制造工艺

蔚来的铜转子采用了激光冷焊的工艺技术，提高转子强度，但是量产工艺一致性挑战难度高，蔚来目前能解决这个问题实属不易。

小结：奥迪E-Tron的异步电机转子实在普通的不能再普通，选择的是相对效率更低的铸铝转子。与Tesla、蔚来相比，稍逊一筹。但真的是这样吗？请继续往下看

2. 电机轴承设计

电机从结构来说，就是一个转子架上两个轴承上进行旋转，外表套一个定子。因为轴承方案的设计十分重要，不仅影响电机运转顺畅与否，更影响电机NVH以及寿命。

2.1 轴承防蠕变方案

从图中我们可以发现电机后轴承（非输出端）外圈带有双O型圈（槽开在轴承外圈），功能是防蠕变。

轴承蠕变是客观存在的，并不是所有的电驱系统都会遇到因轴承蠕变带来的失效问题。轴承蠕变可分为静止载荷引起的蠕变和旋转载荷引起的蠕变。其中电机轴承蠕变的主要原因来自后者（静止载荷的影响也存在）。

通过分析机理，我们很容易得出蠕变的关键因素：旋转载荷、配合间隙、电机转速。电机轴承蠕变的问题解决可以从以下几个方面入手：

• 减小间隙的手段是提高配合零件的加工精度，而轴承配合现有的要求已经很高，因此减少配合间隙所带来的收益是不大的。
• 减少旋转载荷是主要的方向，当电机设计已经定型后，主动减少旋转载荷的可能性不大。增加外部阻力，相当于间接的减少了旋转载荷，E-TRON选择的是上述O型圈方案。
• 蠕变的表征是磨损，因此提高配合零件的耐磨性也是有效的方法。E-TRON钢制衬套选用的是耐磨的42CrMo4。

2.1 轴承防电腐蚀方案

E-TRON电机转子具有特殊的轴接地，以避免可能的轴承电流流过滚动轴承或齿轮。同时，两个内部转子轴承设计为陶瓷轴承，以避免轴电流通过。功能是防轴承电腐蚀。

在正常情况下，电动机的轴电压较低，轴承内的润滑油膜能起到绝缘作用，不会产生轴电流。但当轴电压较高，或电机起动瞬间油膜未稳定形成时，轴电压将使润滑油膜放电击穿形成回路产生轴电流。轴电流局部放电能量产生的高温，可以融化轴承内圈、外圈或滚珠上许多微小区域，并形成凹槽。从而产生噪声，振动。若不能及时发现处理将导致轴承失效，对生产带来极大的影响。

小结：无论是轴承蠕变还是轴承电腐蚀，E-TRON对轴承的重视程度不言而喻。这些解决方案目前来说是都是现阶段的主流方案。虽无新意，却诚意满满。关于电机轴承问题，未完待续，请继续往下看

3. 冷却

谈到奥迪E-TRON，就不得不谈到它的独特、大胆的的冷却系统。前面说到奥迪不同电驱系统大同小异，我们以后驱AKA320电驱系统冷却系统进行分析。

E-TRON采用水冷方案，冷却对象包括控制器、前轴承座、后轴承座、电机定子、电机转子。

什么？听过定子冷却和转子冷却，怎么还有轴承座冷却？

先进的电机的热管理基本上都包含定转子冷却，比如Model 3、Nidec、Prius等，但需要注意的是上述电驱系统都是油冷方案。水冷电驱系统的定子冷却虽已经十分成熟，但是转子冷却却十分困难，这涉及到的是冷却水的泄露问题。油冷方案中，油液泄露的失效后果产生的严重度是相对较低的（电机发热限功率），而水冷方案中冷却水泄漏产生失效后果确是不能接受的，电机高压绝缘失效，甚至烧毁，影响整车的安全运行。需要注意的是：E-TRAN的转子冷却系统采用的是水冷。

轴承润滑分为油润滑和脂润滑，一般来说油润滑轴的轴承通过变速箱可实现冷却，脂润滑轴承的冷却很少看见。E-TRON承均为脂润滑，并实现了冷却，实现方式同电机定子。

带着众多疑惑，我们往下看，E-TRON冷却系统冷却路径如下所示：

冷却结构最为复杂的就是实现电机轴水冷的后端盖和双层导水管。导水管前后均布置有一个密封圈，前密封圈用于电机轴与导水管的密封，厂家为KACO，后密封圈用于电机轴与后端盖的密封，均为动密封。

导水管内外两层空心管，夹层中的冷却水进入电机轴，且出水口分为两段，中间被支撑结构隔开，一 段出水口对应导水管底座的一个进水口1，另一段 出水口对应多个进水口2。来自后轴承座的冷却水 一部分直接从导水管进水口2进入导水管，另一部 分进入水罐（自带有进水和出水后），之后再从导 水管进水口1进入导水管，最后从导水管出水槽再 进入后端盖，最后流出。

同样，我们对比蔚来和Tesla异步电机冷却。其中，蔚来采用的是典型的机壳水冷定子铁芯方案，无转子冷却。Model S/X的前驱，各零部件冷却方式：

• 电机转子：导油管主动对转子前后端部喷淋
• 电机定子铁芯：导油管主动喷淋；
• 定子绕组：绕组端部通过集油盘主动喷淋冷却；
• 减速器：飞溅润滑。

导油管结构

集油盘

小结：平平无奇的奥迪E-Tran电机终于通过其独特、大胆的冷却系统扬眉吐气。创新分为“想他人所不敢想”和“做他们所不敢做”，奥迪E-Tran无疑属于后者。如果这种创新经得住市场的考验(笔者对水冷动密封心有余悸），那么它将会为传奇。另外，特殊的轴承座设计，采用和定子铁芯同样的水冷方式，让电机前后轴承的地位达到一个高度。E-Tran对轴承的重视，让我们深思，难道真的是有钱任性吗？

4. 双电机系统

接下来我们看下奥迪E-TRON系统有什么特别之处。如果细心的话，前面的产品介绍，我们会发现其中ATA250有点不一样。最近很火热的E-TRON双电机说的就是它。奥迪E-TRONS车型的后驱电驱系统ATA250采用双同轴电机，不需要差速器。每个轮子由两个独立的电机提供，它们通过螺栓连接在一起，但在扭矩传递路径上没有实现机械耦合。通过使用两个紧凑的同轴齿轮机构，与两个独立运行的电机相连。

后轴上的两个电机可以在两个后轮之间施加不同的扭矩，从而改善各种工况下的操控性。该双同轴电机可在几毫秒内实现高达2100Nm左右的瞬态扭矩分配。这会在车辆的垂直轴上产生一个偏置力矩，从而大大提高了汽车的自转向性能。在典型的牵引情况下，比如µ-split加速模式，可以分配高达3000 Nm的差动扭矩。与传统机电式差速器相比，左右车轮的机械耦合可以在扭矩分配方面实现全新的自由度。当然，这也对传动系统的动态控制提出了更高的挑战。

与奥迪E-TRON相比，Tesla似乎慢了一步，2021年Model S后驱将会搭载类似双电机系统。

小结：差速器的诞生是一个伟大的发明。作为一个机械结构，它能够使左、右（或前、后）驱动轮实现以不同转速转动。但随着电气化的加速，整车动态化控制的进步将会促使差速器的退出。就如新能源的发展，将会促使传统发动机的退出。

5. 电机性能

最后我们来看下奥迪E-TRON的电机性能，奥迪e-tron S车型的电机功率和扭矩曲线如图所示（需要注意的是要将后驱动的值相加，才能看到双同轴电机的全部性能）。由于异步电机的过载能力和有效的冷却系统，两个轴上都有大量的功率储备，用于提升峰值功率或实现电驱扭矩矢量控制。

在车速50km/h到200km/h，60s峰值功率达到320kW，结合电池的最大性能以及整合eTV/升压系统功率，10s峰值功率可以达到370 kW，且在车速60km/h到170km/h的范围内适用。对于peak模式（60s峰值功率）到eTV/boost模式（10s峰值功率），在车速0到70km/h的速度带下，e-tron S的综合扭矩处于800Nm（60s）到近1000Nm的高水平。特别值得注意的是，得益于良好的冷却系统，即使在室外温度较高的情况下，该异步电机满载30分钟后仍能提供2×70 kW（后驱动）和95 kW（前驱动）的高性能输出。即使在高负荷驾驶期间（赛道），电机过热和随后的功率降额也微乎其微。此外，关于能量回收性能，由于三个电机的布局，与e-tron基础款相比，回收功率可以从220kW增加到270kW。

总结

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针对不同电驱系统，我们不去谈不同技术路线的优劣，更多的要关注在相同技术路线的差异和创新。任何一种技术路线，做到极致就是传奇。