當(dāng)前，汽車工業(yè)向電氣化轉(zhuǎn)型已成為全球共識，但這一進(jìn)程中仍面臨諸多技術(shù)與產(chǎn)業(yè)挑戰(zhàn)。其中，主流電動汽車所采用的永磁同步電機(jī)（PMSMs）對稀土永磁材料的高度依賴，成為制約行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸 —— 稀土材料不僅采購成本高昂，其供應(yīng)鏈還受地緣政治影響呈現(xiàn)不穩(wěn)定性，且開采與加工過程對環(huán)境造成顯著破壞，給電動汽車制造商帶來了嚴(yán)峻考驗(yàn)。

一、傳統(tǒng)電機(jī)技術(shù)的瓶頸與替代方案的探索

為擺脫對稀土材料的依賴，電勵磁同步電機(jī)（EESMs）成為重要替代方向。這類電機(jī)采用電勵磁轉(zhuǎn)子繞組而非永磁體，寶馬、雷諾等主流車企已將其應(yīng)用于量產(chǎn)車型。然而，EESMs 存在一個核心缺陷：需通過 “滑環(huán)” 實(shí)現(xiàn)靜止部件向旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的電力傳輸，這不僅會導(dǎo)致效率損失、因機(jī)械磨損產(chǎn)生污染風(fēng)險，還需額外占用安裝空間 —— 據(jù)德國采埃孚（ZF Friedrichshafen）數(shù)據(jù)，EESMs 的空間需求平均比 PMSMs 多 90 毫米（增幅達(dá) 25%-35%）。

無線電能傳輸（WPT）技術(shù)為解決滑環(huán)問題提供了新思路。該技術(shù)通過非接觸式電磁耦合實(shí)現(xiàn)能量傳遞，無需電源與轉(zhuǎn)子間的直接電連接，從根本上消除了滑環(huán)。但現(xiàn)有 WPT 技術(shù)與旋轉(zhuǎn)機(jī)械的集成面臨難題：傳統(tǒng)金屬轉(zhuǎn)子會產(chǎn)生渦流損失并扭曲磁場，大幅降低 WPT 效率；部分解決方案采用非金屬軸段，卻又導(dǎo)致軸徑增大、功率密度下降，未能實(shí)現(xiàn)性能與結(jié)構(gòu)的平衡。

二、“復(fù)合思維” 驅(qū)動的創(chuàng)新：電磁透明 GFRP 轉(zhuǎn)子設(shè)計

為突破 WPT 技術(shù)的集成瓶頸，由德國斯圖加特大學(xué)電氣工程轉(zhuǎn)換研究所（IEW）牽頭，聯(lián)合該校飛機(jī)設(shè)計研究所（IFB）及卡爾斯魯厄理工學(xué)院產(chǎn)品工程研究所（IPEK，冷卻領(lǐng)域?qū)＜遥┙M成的研究聯(lián)盟，提出了基于復(fù)合材料的創(chuàng)新方案 —— 采用電磁透明玻璃纖維增強(qiáng)聚合物（GFRP）制造空心轉(zhuǎn)子軸，并將其置于 WPT 系統(tǒng)的磁通量路徑中。

這一設(shè)計實(shí)現(xiàn)了“結(jié)構(gòu)功能” 與 “電磁功能” 的協(xié)同：GFRP 轉(zhuǎn)子既作為承載結(jié)構(gòu)件，又構(gòu)成緊湊的 WPT 系統(tǒng)組成部分，使系統(tǒng)運(yùn)行效率可達(dá) 95%。更重要的是，該方案徹底摒棄了傳統(tǒng) EESMs 中的稀土材料、WPT 系統(tǒng)所需的導(dǎo)磁材料以及機(jī)械滑環(huán)，同時解決了供應(yīng)鏈、可持續(xù)性與性能三大行業(yè)痛點(diǎn)。

該項目由德國巴登 - 符騰堡州未來移動創(chuàng)新園區(qū)（ICM）研究集群資助，其核心突破在于 “重構(gòu)設(shè)計目標(biāo)”—— 正如斯圖加特大學(xué) IEW 研究員 Andreas B?hr 所言：“現(xiàn)有方案的關(guān)鍵缺失在于，未能將電磁透明性與結(jié)構(gòu)功能視為互補(bǔ)目標(biāo)，而非競爭需求。要在磁通量路徑中合理布置電磁中性材料并同時保證結(jié)構(gòu)完整性，必須同時深入理解復(fù)合材料力學(xué)與電磁場理論?！?/span>

三、材料選擇與工藝優(yōu)化：精準(zhǔn)匹配性能需求

研究團(tuán)隊以“功能優(yōu)先” 為原則，開展了系統(tǒng)性的材料篩選與工藝設(shè)計，確保 GFRP 轉(zhuǎn)子同時滿足電磁、機(jī)械與熱性能要求。

（一）電磁中性與機(jī)械性能的材料平衡

團(tuán)隊明確排除了碳纖維增強(qiáng)材料—— 盡管碳纖維強(qiáng)度、剛度更高且重量更輕，但其導(dǎo)電性會產(chǎn)生渦流，破壞電磁透明性。最終選擇法國 Vetrotex 公司的 EC14 300 TD44C 玻璃纖維粗紗，正是因其兼具電磁中性與適應(yīng)高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械性能。

為優(yōu)化轉(zhuǎn)子軸的機(jī)械性能，團(tuán)隊采用±45° 編織結(jié)構(gòu)，通過德國 Herzog 公司的 RF 1-176-100 徑向編織機(jī)，用 176 根單獨(dú)纖維粗紗加工成型；同時設(shè)計 18 層編織預(yù)成型體，在實(shí)現(xiàn) “載荷適配型” 力學(xué)行為的同時，保證制造過程中樹脂灌注所需的足夠滲透性。

（二）樹脂體系的熱性能與工藝性兼顧

基體樹脂的選擇需平衡加工可行性與熱性能。團(tuán)隊最終選用瑞士西卡（Sika）公司的 Biresin CR172 環(huán)氧樹脂，該樹脂可在室溫下實(shí)現(xiàn)真空灌注，且玻璃化轉(zhuǎn)變溫度超過 150℃，既能滿足實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的加工需求，又可為集成于轉(zhuǎn)子軸內(nèi)的電子系統(tǒng)提供充足的熱穩(wěn)定性。

（三）熱管理的集成化設(shè)計

WPT 系統(tǒng)運(yùn)行中會產(chǎn)生熱量，團(tuán)隊并未將冷卻視為獨(dú)立系統(tǒng)，而是將其作為核心設(shè)計要素。正如卡爾斯魯厄理工學(xué)院 IPEK 研究員 Simon Knecht 所述：“我們利用 GFRP 空心軸的幾何特點(diǎn)開發(fā)了冷卻策略，熱管理設(shè)計直接影響了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與 WPT 部件的布置和設(shè)計?！?/span>

團(tuán)隊通過拓?fù)鋬?yōu)化算法設(shè)計了適用于旋轉(zhuǎn)環(huán)境的散熱器（流路需實(shí)現(xiàn) 180° 轉(zhuǎn)向），并選擇空冷方案而非油冷 —— 此舉可規(guī)避密封復(fù)雜性與潛在污染問題，同時滿足 WPT 系統(tǒng) 3-4 千瓦功率傳輸?shù)纳嵝枨?，進(jìn)而支撐電機(jī) 136 千瓦的峰值功率目標(biāo)。

四、制造工藝與動力系統(tǒng)的協(xié)同集成

（一）高精度制造保障性能一致性

轉(zhuǎn)子制造采用徑向編織技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)纖維鋪設(shè)并保持±45° 方向的均勻纖維張力（該方向優(yōu)化了抗扭性能）；通過機(jī)器人操作保證芯模同心度精度，為產(chǎn)品一致性與質(zhì)量控制提供關(guān)鍵保障。

轉(zhuǎn)子的金屬端部用于適配軸承接口與扭矩傳輸，復(fù)合材料與金屬部分采用美國 3M 公司的 Scotchweld EC-9323 結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)。團(tuán)隊通過應(yīng)力分布分析與制造裝配需求驗(yàn)證，將粘結(jié)接頭布置在 WPT 系統(tǒng)的電磁影響區(qū)之外，確保連接可靠性與電磁性能互不干擾。

盡管實(shí)驗(yàn)室階段采用的真空袋灌注工藝不適用于汽車規(guī)模化生產(chǎn)，但該工藝成功驗(yàn)證了設(shè)計可行性—— 最終成型的 GFRP 轉(zhuǎn)子纖維體積分?jǐn)?shù)達(dá) 60%，壁厚為 5 毫米；后續(xù)通過精密加工，滿足了粘結(jié)接口與電機(jī)系統(tǒng)集成所需的尺寸公差。

（二）動力系統(tǒng)的高效集成

GFRP WPT 原型系統(tǒng)的初級與次級線圈采用德國 Elektrisola 公司的高頻利茲線，按電磁場建模計算結(jié)果繞制，并使用西卡 SikaResin RE 531-93 聚氨酯灌封膠封裝。這種半柔性灌封膠的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá) 0.73 瓦 / 米?開爾文（W/mK），顯著優(yōu)于傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂系統(tǒng)（通常為 0.1-0.3 W/mK），可高效將熱量傳遞至集成冷卻系統(tǒng)。

電力電子集成是項目的另一大挑戰(zhàn)。團(tuán)隊將旋轉(zhuǎn)電子元件布置在旋轉(zhuǎn)中心附近，最大限度降低離心力影響（這對高速汽車應(yīng)用的可靠性至關(guān)重要）；緊湊的電子元件封裝既適配 GFRP 轉(zhuǎn)子的空心結(jié)構(gòu)，又能保證充足冷卻與 WPT 系統(tǒng)的電磁兼容性。

五、全面性能驗(yàn)證：效率、可靠性與熱穩(wěn)定性達(dá)標(biāo)

研究團(tuán)隊通過多維度測試，驗(yàn)證了 GFRP 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的綜合性能：

• 電磁性能：集成 WPT 系統(tǒng)在整個運(yùn)行范圍內(nèi)效率超過 90%，峰值效率達(dá) 95%，證明 GFRP 材料對功率傳輸效率無顯著負(fù)面影響；

• 機(jī)械性能：在代表性扭轉(zhuǎn)載荷下，復(fù)合材料與金屬部分的粘結(jié)接頭可成功傳遞全電機(jī)扭矩，同時滿足高速旋轉(zhuǎn)所需的同心度與動平衡要求；

• 熱穩(wěn)定性：運(yùn)行過程中溫度監(jiān)測顯示，Biresin CR172 環(huán)氧樹脂基體的最高溫度低于 120℃，遠(yuǎn)低于其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度；散熱器可有效冷卻電力電子元件，聚氨酯灌封的線圈系統(tǒng)能高效將熱量傳遞至氣流路徑，確保連續(xù)功率傳輸時線圈溫度處于安全范圍；

• 可靠性：由于消除了磨損表面與碎屑產(chǎn)生，該系統(tǒng)相比機(jī)械滑環(huán)系統(tǒng)具有潛在壽命優(yōu)勢，但復(fù)合材料 - 金屬粘結(jié)接頭在熱循環(huán)與振動載荷下的長期穩(wěn)定性，仍需進(jìn)一步測試以滿足汽車行業(yè)認(rèn)證要求。

六、行業(yè)價值與未來展望

GFRP 電磁透明轉(zhuǎn)子方案為電動汽車電驅(qū)動系統(tǒng)提供了 “多痛點(diǎn)一解” 的創(chuàng)新路徑，也為復(fù)合材料在下一代電動動力總成中的應(yīng)用開辟了新空間。目前，馬勒（Mahle）、舍弗勒（Schaeffler）、采埃孚（ZF）等主流汽車供應(yīng)商均在積極開發(fā)電動汽車 WPT 技術(shù)，表明無接觸勵磁系統(tǒng)已成為行業(yè)重要發(fā)展方向。

（一）供應(yīng)鏈與可持續(xù)性優(yōu)勢

該方案的供應(yīng)鏈價值不僅體現(xiàn)在“無稀土依賴”，還在于玻璃纖維的全球供應(yīng)能力 —— 全球范圍內(nèi)擁有多家合格玻璃纖維供應(yīng)商，與稀土永磁材料高度集中的供應(yīng)鏈形成鮮明對比。正如 ICM 研究集群項目協(xié)調(diào)員 Marcel N?ller 所言：“歐洲汽車制造商有望通過該技術(shù)提升供應(yīng)鏈韌性，同時減少采礦相關(guān)的環(huán)境影響，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)?！?/span>

（二）應(yīng)用場景的廣泛延伸

這一技術(shù)的核心價值還在于其可擴(kuò)展性—— 復(fù)合材料電磁透明設(shè)計理念不僅適用于汽車電機(jī)，還可推廣至工業(yè)傳動、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、航空航天等領(lǐng)域的旋轉(zhuǎn)機(jī)械。Marcel N?ller 指出：“該應(yīng)用中體現(xiàn)的材料認(rèn)知與集成方法，可輕松遷移至不同功率規(guī)模與運(yùn)行環(huán)境?！?/span>

（三）規(guī)?；圃斓耐七M(jìn)方向

當(dāng)前，編織預(yù)成型體已驗(yàn)證了技術(shù)可行性，下一步的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。正如斯圖加特大學(xué) IFB 研究員 Holger Ahlborn 強(qiáng)調(diào)：“量產(chǎn)階段可能需轉(zhuǎn)向拉擠成型或連續(xù)編織工藝，而 GFRP 轉(zhuǎn)子的圓柱形幾何與平衡纖維結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)有復(fù)合材料制造能力高度適配，具備良好的規(guī)?；?jīng)濟(jì)性?！?/span>