首先，目標(biāo)就是行業(yè)頂峰。3年前，宣布造車之后，行業(yè)最高水平僅為18000rpm，小米起步就定了21000rpm的目標(biāo)。小米跟聯(lián)電、匯川，一起聯(lián)合研發(fā)。借助小米 AI 實驗室的力量，用先進(jìn)的 AI 仿真技術(shù)模擬出 20 余萬種轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，解決了電機(jī)高轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子形變、過熱等核心問題，成功找到結(jié)構(gòu)最優(yōu)解，帶來了更強(qiáng)的電磁性能和更小的空氣阻力，讓整體效率進(jìn)一步提升。
雖然現(xiàn)在業(yè)內(nèi)也有了21000rpm電機(jī)。但是，小米的21000rpm在最高功率、最高扭矩、功率密度3個關(guān)鍵性能參數(shù)上，依然是同檔中全球最領(lǐng)先、最強(qiáng)大的電機(jī)。甚至比被友商的22000rpm還要厲害。
但 21000rpm 遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是小米的終極目標(biāo)，要想真正實現(xiàn)轉(zhuǎn)速“斷層領(lǐng)先”，就需要深入技術(shù)的“無人區(qū)”。達(dá)成更高的轉(zhuǎn)速，對轉(zhuǎn)子硅鋼應(yīng)力、散熱、效率等都提出了更大的挑戰(zhàn)。特斯拉是轉(zhuǎn)子外面裹了一層碳纖維，小米決定直接改進(jìn)材料，與世界領(lǐng)先的材料公司合作，創(chuàng)新了強(qiáng)度達(dá)到960MPa高強(qiáng)度的硅鋼。通過雙向立體油冷技術(shù)，使散熱效率提升超過 50%，讓最高溫度下降了 30℃。重新設(shè)計了整個定轉(zhuǎn)子，采用新的扁線繞組設(shè)計，54 槽 6 極的定轉(zhuǎn)子極槽配合，行業(yè) pin型最少。槽滿率提升到了77%、鐵損降低了 25%，整體電機(jī)效率提升了 0.3%。最終達(dá)成了27200rpm，成就了世界上最頂級的電機(jī)。
這還是不終點。小米創(chuàng)新研發(fā)“激光轉(zhuǎn)子纏繞技術(shù)”，通過激光將套筒固化，避免了濕法纏繞伴生的熱脹冷縮問題，帶來高達(dá) 1000mPa 的預(yù)緊力和更高的制造良率。電機(jī)轉(zhuǎn)子通過“激光轉(zhuǎn)子纏繞技術(shù)”加固后，目前已經(jīng)可以在實驗室中成功實現(xiàn) 35000 rpm 的驚人轉(zhuǎn)速！
小米超級電機(jī)系列：V6/V6s 遠(yuǎn)超競品，V8s領(lǐng)先行業(yè)一代，35000rpm探索技術(shù)無人區(qū)
小米超級電機(jī) V6、V6s，轉(zhuǎn)速高達(dá) 21000rpm，現(xiàn)已大規(guī)模量產(chǎn)，即將在小米汽車 SU7 正式亮相。小米超級電機(jī) V8s，27200rpm，突破行業(yè)轉(zhuǎn)速天花板！現(xiàn)已完成驗證，計劃 2025 年面市。面向未來的“激光轉(zhuǎn)子纏繞”預(yù)研技術(shù)，已成功在實驗室實現(xiàn) 35000rpm 極限轉(zhuǎn)速！技術(shù)探索永無止境，小米還在探索更好的。
在討論如何做出更強(qiáng)的電機(jī)之前，先來看看電機(jī)輸出功率的計算公式：
P（輸出功率）= 扭矩 * 轉(zhuǎn)速 / 9550
顯而易見， “扭矩”和“轉(zhuǎn)速”是影響電機(jī)輸出功率的兩個主要變量。電機(jī)技術(shù)發(fā)展方向的選擇，本質(zhì)上是“大扭矩”和“高轉(zhuǎn)速”的路線之爭。
對于電動車的電機(jī)而言，如果要提升扭矩，主要靠提升轉(zhuǎn)子直徑和增大電流兩條路——但前者意味著電機(jī)體積要增大，并不適用于乘用車；后者會帶來更大的熱損耗，不利于提高效率，且綜合成本高。因此，努力提高轉(zhuǎn)速，已經(jīng)成為行業(yè)共識。
行業(yè)的“轉(zhuǎn)速軍備競賽”，從 8000rpm 到 20000rpm
當(dāng)然僅有高轉(zhuǎn)速是不夠的，功率密度高低體現(xiàn)了電機(jī)研發(fā)的先進(jìn)水平。功率密度越高，電機(jī)集成化程度更高，技術(shù)路線更先進(jìn)。功率大、重量輕是一臺好電機(jī)的具體表現(xiàn)。
小米自始至終堅持對核心技術(shù)自研投入，決定以轉(zhuǎn)速為核心，并保證領(lǐng)先的功率密度，向電機(jī)性能天花板發(fā)起挑戰(zhàn)。
小米發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子強(qiáng)度是影響轉(zhuǎn)速的核心瓶頸：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越高，產(chǎn)生的離心力就越大，這對轉(zhuǎn)子強(qiáng)度提出了更高要求。如果無視轉(zhuǎn)子強(qiáng)度繼續(xù)提升轉(zhuǎn)速，永磁體會在鐵芯最薄弱的磁橋處產(chǎn)生巨大應(yīng)力，當(dāng)它超過材料自身的屈服強(qiáng)度時，就會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子形變、解體甚至炸裂。在早期預(yù)研的過程中，小米發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速一直很難突破 18500rpm，問題也就在于此。
小米在AI領(lǐng)域的長期積累，發(fā)揮了關(guān)鍵作用。小米借助小米 AI 實驗室的力量，用先進(jìn)的 AI 仿真技術(shù)模擬出 20 余萬種轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，又聯(lián)合聯(lián)電、匯川兩家全球頂級的電機(jī)生產(chǎn)商，用了 8 個月的時間反復(fù)打樣、測試、改良，最終成功找到結(jié)構(gòu)最優(yōu)解，將轉(zhuǎn)子鐵芯磁橋處的應(yīng)力優(yōu)化到材料屈服強(qiáng)度極限值之下，在不改變材料的前提下帶來轉(zhuǎn)速突破。結(jié)構(gòu)優(yōu)化還使得轉(zhuǎn)子形變減少，定轉(zhuǎn)子間給形變留出的余量也可以做到更小，氣隙（轉(zhuǎn)子外壁和定子內(nèi)壁的間隙）隨之降低到驚人的 1.3mm，帶來更強(qiáng)的電磁性能和更小的空氣阻力，讓效率進(jìn)一步提升。
基于這一技術(shù)突破，小米成功推出兩款小米超級電機(jī) —— V6 和 V6s， 轉(zhuǎn)速均高達(dá) 21000rpm，功率分別達(dá)到了220kW和275kW，相當(dāng)于燃油車 V6 和大 V6 發(fā)動機(jī)的性能。小米還對散熱、表面處理工藝等技術(shù)細(xì)節(jié)做了進(jìn)一步的優(yōu)化，使電機(jī)在高轉(zhuǎn)速下能夠持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。
目前這兩款超級電機(jī)已投入大規(guī)模量產(chǎn)，將在小米汽車的第一款產(chǎn)品——SU7 系列正式亮相。
小米超級電機(jī) V6 系列
21000rpm 遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是小米的終極目標(biāo)，達(dá)成更高的轉(zhuǎn)速，對轉(zhuǎn)子硅鋼應(yīng)力、散熱、效率等都提出了更大的挑戰(zhàn)，要想真正實現(xiàn)轉(zhuǎn)速“斷層領(lǐng)先”，就需要深入技術(shù)的“無人區(qū)”，用自己的力量，做行業(yè)沒做過的事情。
小米超級電機(jī)V8s 最高轉(zhuǎn)速27200rpm，
突破行業(yè)轉(zhuǎn)速天花板！
小米優(yōu)化轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)降低應(yīng)力，只是“壓榨”出了當(dāng)前轉(zhuǎn)子硅鋼片材料的極限性能，但要支持更極致的轉(zhuǎn)速，就不得不突破材料本身的限制。為此，小米與材料行業(yè)的龍頭企業(yè)合作，建立技術(shù)聯(lián)合研發(fā)實驗室。在一年半的時間里通過了百余次實驗，構(gòu)建合金復(fù)合強(qiáng)化性能預(yù)報模型，深入金屬晶核挖掘不同金屬元素的潛能，最終挑選出由10種元素組成的硅鋼母材，再通過近千批次的強(qiáng)度試驗、退火試驗、冶煉測試、生產(chǎn)測試，最終共同研發(fā)出960Mpa超高強(qiáng)度特種硅鋼，其強(qiáng)度達(dá)到目前行業(yè)主流材料的2倍以上，甚至可以媲美航空發(fā)動機(jī)所使用的鈦合金！
960MPa超高強(qiáng)度特種硅鋼，
強(qiáng)度達(dá)到目前行業(yè)主流材料的2倍以上
基于材料突破，小米成功研發(fā)出了小米超級電機(jī) V8s，轉(zhuǎn)速一舉達(dá)到了空前的 27200rpm！
這就是當(dāng)前全球量產(chǎn)乘用車電機(jī)轉(zhuǎn)速的天花板！
達(dá)成高轉(zhuǎn)速只是第一步，讓電機(jī)在高轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定工作，是一項更加復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要克服更多技術(shù)難關(guān)。小米在小米超級電機(jī) V8s 的研發(fā)過程中，一共申請了155項專利，其中60項已授權(quán)。這里選擇兩個維度：散熱和效率，來做重點介紹。
就像手機(jī)、PC 等電子產(chǎn)品算力升級后，也要匹配更強(qiáng)悍的散熱能力。為了穩(wěn)定達(dá)成 27200rpm 的超高轉(zhuǎn)速，小米必須重新設(shè)計整套散熱系統(tǒng)。目前行業(yè)通行的電機(jī)散熱設(shè)計，往往采用單向油路，弊端是油路遠(yuǎn)近兩端溫差大，影響散熱效率。
小米研發(fā)定子雙循環(huán)立體油冷技術(shù)，讓冷卻油在定子內(nèi)部雙向流動，有效散熱面積增加 100%，同時將定子硅鋼片錯位疊放，增大了與油的接觸面積，讓導(dǎo)熱更充分，定子最高降溫超過20°C，兩端溫差小于5°C。同時在轉(zhuǎn)子上應(yīng)用S型立體油冷設(shè)計，轉(zhuǎn)軸、鐵芯同步冷卻，轉(zhuǎn)子最大降溫30°C，降低溫度升高帶來的形變、退磁風(fēng)險，保障電機(jī)在高轉(zhuǎn)速下的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。
為了達(dá)成更高的效率，小米還進(jìn)一步優(yōu)化了定、轉(zhuǎn)子的細(xì)節(jié)設(shè)計。小米超級電機(jī) V8s 重新設(shè)計 54 槽 6 極定轉(zhuǎn)子槽極配合，相比常見的 48 槽 8 極方案，可以降低磁場交變頻率和鐵損，進(jìn)一步提高效率。
基于定、轉(zhuǎn)子不同的性能需求傾向，小米選擇定制材料和差異化厚度設(shè)計，專門強(qiáng)化定子硅鋼片的電磁性能和轉(zhuǎn)子硅鋼片的機(jī)械性能，實現(xiàn)了效率和強(qiáng)度的兼顧。小米還創(chuàng)新采用了 8 層 Hair-Pin扁線繞組技術(shù)，提升純銅槽滿率，這意味著可以在相同空間內(nèi)填充更多銅線，產(chǎn)生更大電流和更強(qiáng)磁場，大大提升功率密度；還將繞組 Pin 型精簡至 6 種，提高可量產(chǎn)性。
小米超級電機(jī) V8s 兼顧強(qiáng)度與效率的定轉(zhuǎn)子設(shè)計
小米超級電機(jī) V8s，不僅以 27200rpm 的超高轉(zhuǎn)速冠絕行業(yè)，更擁有425kW超高功率，98.11%最高效率，10.14kW/kg超高功率密度，性能媲美燃油車大 V8 發(fā)動機(jī)！小米找到國內(nèi)兩大權(quán)威機(jī)構(gòu)——中國電工技術(shù)學(xué)會和國家新能源技術(shù)創(chuàng)新中心，組織院士專家團(tuán)評審，專家們一致認(rèn)為小米超級電機(jī) V8s 的最高轉(zhuǎn)速、最高效率、功率密度等指標(biāo)處于國際領(lǐng)先水平！目前小米超級電機(jī) V8s 已完成量產(chǎn)驗證，計劃于2025年與大家見面。
27200rpm，就是終點嗎？
通過強(qiáng)化轉(zhuǎn)子來持續(xù)提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，除了優(yōu)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和材料創(chuàng)新，還有一種“外掛強(qiáng)化”的方式——即在轉(zhuǎn)子外部套筒以提供預(yù)緊力。行業(yè)目前較為領(lǐng)先的方案是碳纖維濕法纏繞，即使用細(xì)且強(qiáng)韌的碳纖維絲，配合液態(tài)膠纏繞附著于轉(zhuǎn)子外壁，再通過高溫烘烤固化。但這一方案也有其弊端：從高溫固化到降溫的過程伴隨著材料的熱脹冷縮，使轉(zhuǎn)子外壁與套筒的貼合出現(xiàn)間隙，導(dǎo)致套筒并不能提供預(yù)期的預(yù)緊力，更致命的是，這一工藝的良率非常低，為了有限的收益，要付出高昂的生產(chǎn)成本。
小米在固化步驟成功找到突破口，創(chuàng)新研發(fā)“激光轉(zhuǎn)子纏繞技術(shù)”，通過激光將套筒固化，避免了濕法纏繞伴生的熱脹冷縮問題，帶來高達(dá) 1000mPa 的預(yù)緊力和更高的制造良率。電機(jī)轉(zhuǎn)子通過“激光轉(zhuǎn)子纏繞技術(shù)”加固后，目前已經(jīng)可以在實驗室中成功實現(xiàn) 35000 rpm 的驚人轉(zhuǎn)速！
小米也為這項技術(shù)申請了專利，但實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)還需要經(jīng)過不斷測試和優(yōu)化，還請大家耐心等待。
從大規(guī)模量產(chǎn)的小米超級電機(jī) V6 系列（21000rpm），到突破行業(yè)轉(zhuǎn)速極限的小米超級電機(jī) V8s（27200rpm），再到面向未來的“激光轉(zhuǎn)子纏繞技術(shù)”（35000rpm），三代技術(shù)同步干，一代更比一代強(qiáng)！努力為最好的電動車打造最強(qiáng)電機(jī)，成為電機(jī)賽道的領(lǐng)航者，小米正穩(wěn)步兌現(xiàn)著自己的承諾！
