电驱高速化，以“瓷”为承？

文摘 2024-08-02 16:49 上海

大到整车，小到轴承，电气化推动着汽车产业链深度变革...

# 撰文 | 萧洋编审 | 宇傅

概述

Summarize

当前的设计趋势是电机轴和减速器输入轴的结构逐渐从四轴承演变为三轴承，这意味着电机驱动端的轴承将承受更多来自齿轮的力，导致轴承的负荷显著增加。在目前的电驱设计模式下，高速和高负荷已成为新的挑战。

首先是高速旋转，现在的电机转速通常在20,000-25,000rpm之间，这对轴承构成了严峻的考验，挑战在于耐久性能和极高转速的限制。同时，扁线电机逐渐成为技术趋势，这不仅提升了功率密度，也对轴承的润滑和散热提出了新的要求。

其次是低噪音，低噪音和振动是电动汽车用户体验中关键的一环，然而电机高速转动的趋势给整车的噪声、振动和刚度(NVH)带来挑战，而轴承则是NVH控制的关键因素之一。

■ 电腐蚀现象（图片来源：斯凯孚）

另一个挑战是电腐蚀问题。随着电机技术的发展，电腐蚀问题也随之而来。在传统的400V电驱系统中，钢球轴承电腐蚀已经相当普遍；而在800V高压系统中，随着广泛使用SiC基材逆变器，高压和高频率开关将进一步加剧电腐蚀。

此外，轻量化设计也带来了挑战。在新的设计中，轴承的数量逐渐减少，设计更加紧凑，这对轴承的轻量化和耐久性提出了更高要求。为了解决这些挑战，轴承行业急需新材料的应用。

陶瓷轴承将成为未来的一个发展趋势，陶瓷轴承是由套圈、滚动体、保持器、润滑脂和密封件组成的滚动轴承，当滚动体采用陶瓷材料时，这种轴承就被定义为陶瓷轴承。

■ 混合陶瓷轴承（左）全陶瓷轴承（右）

陶瓷轴承主要分为混合陶瓷轴承和全陶瓷轴承。混合陶瓷轴承通常使用陶瓷材料制造滚动体，而套圈则采用轴承钢制造；而全陶瓷轴承则滚动体和套圈均采用陶瓷材料制造。

陶瓷材料

Ceramic Materials

在材料方面，常见的陶瓷轴承材料包括氧化锆、氮化硅和碳化硅。氮化硅陶瓷被广泛认为是制造陶瓷轴承的最佳选择，原因如下：

轻量化：氮化硅陶瓷的密度为3.19～3.3g/cm³，仅为轴承钢的40%，这使得它能够承受小离心载荷，在高速运转时温升较低，从而适合在更高转速下工作，并且产生较少热量。

高硬度和高强度：氮化硅陶瓷轴承比钢制轴承更轻，硬度是钢制轴承的两倍，且不易受外界环境影响而变形，因此在轴承寿命和效率方面表现出色。

低摩擦：氮化硅陶瓷轴承中的球产生较少摩擦和热量，从而减少磨损，有时甚至无需润滑剂。此外，氮化硅陶瓷轴承减小了滚道应力，使机械工作温度降低。

■ 氮化硅陶瓷轴承

高耐热性：氮化硅陶瓷具有出色的温度特性，适用于高温环境，可在高达800℃的高温下稳定保持机械特性，不变形不收缩，具有良好的尺寸稳定性。

耐电腐蚀：氮化硅陶瓷轴承具有优异的抗电性，在电动汽车等场景中尤为重要，能够避免因高电压电机而产生的电蚀现象，而无需外层涂覆非导电材料。

长寿命：陶瓷轴承的使用寿命比钢制轴承长，减少更换次数和相关成本，对于电动汽车等应用，能延长车辆寿命并提供更长行驶里程。

■ 不同陶瓷材料与轴承钢的特性对比

混合陶瓷轴承

Mixed Ceramic Bearings

混合陶瓷球轴承采用钢制内外圈与陶瓷滚动体相结合，相对于钢球轴承，陶瓷球轴承在摩擦学性能方面具有无可比拟的优势。无论是耐磨性、高速下的摩擦损耗、运行温度、油脂寿命的延长，还是轴承的极限转速提升以及在润滑不良情况下保持正常运转等方面，陶瓷球表现出色。这些特性恰恰是新能源电驱轴承关键的技术要求。

① 防止变频驱动装置中的电腐蚀现象

在电机效率提高、高压系统加速上车的同时，电腐蚀问题一直困扰着电驱动行业。混合陶瓷球轴承方案关键性能之一是防止变频驱动装置中的电腐蚀现象。

在电机转速较低或长时间运行导致轴承温度升高时，润滑和绝缘性能可能下降，结合800V电压平台的提升，轴承油膜可能被击穿，破坏绝缘性，导致轴承中产生轴电流。

轴电流通过轴承时会产生高温，可能损伤轴承滚动体、内外圈，形成轴承电腐蚀，造成表面损伤、润滑剂老化和异响等问题，最终导致轴承失效。为避免电腐蚀危害，电机轴承需要具备绝缘设计。

混合陶瓷球轴承的应用能有效解决这些问题。氮化硅作为优秀的电绝缘体，可以阻止轴承内外圈之间的电流传导，特别是在抵抗新能源电驱高频轴电流方面表现卓越，从而避免电腐蚀导致的轴承故障。

② 通过延长润滑脂寿命来延长维护间隔时间

混合陶瓷轴承的另一个重要优势在于延长维护间隔时间和使用寿命。陶瓷滚动体在此发挥了关键作用，极大地延长了润滑剂的使用寿命，使得轴承可以持续运行更长时间而无需维护。陶瓷滚动体有助于改善润滑剂在滚动接触面上的润滑状态，减少摩擦和电腐蚀现象，避免润滑剂受热降解，因此使润滑性能得以长时间维持。

在SKF进行的测试中，混合陶瓷深沟球轴承中的润滑剂寿命是相同规格的全钢制轴承的两倍以上，最高甚至接近七倍。对圆柱滚子轴承进行的类似测试显示，混合陶瓷圆柱滚子轴承中的润滑剂寿命是相同规格的全钢制轴承的两倍至四倍。

③ 高转速性能有助于提升功率密度

混合陶瓷轴承的第三项优势在于其能够实现更高的转速，从而提高功率密度。这一特性符合电机制造行业的整体趋势，特别是在用于火车、汽车和工程车等交通工具的电机中。简单来说，功率是扭矩和转速的函数。如果轴承的转速提高，电机的功率也会相应增加。

由于混合陶瓷轴承比钢制轴承轻，因此其转速性能最多可提高25%。此外，混合陶瓷轴承的摩擦较小，这意味着工作温度更低，使用寿命在高速下更长。更重要的是，轴承刚度的提高有助于提高设备的精度，并降低发生转子动力学问题的风险。

■ 图源斯凯孚

④ 减少摩擦

混合陶瓷轴承的另一个优势是减少摩擦。减少轴承摩擦有助于降低能耗，这在现代工业中是一个重要的考虑因素。混合陶瓷轴承中的陶瓷滚动体直接影响了摩擦产生的滚动和滑动扭矩。对于混合陶瓷轴承来说，由于其高杨氏模量使得接触椭圆面更小，降低了滚动扭矩带来的能量损失。此外，陶瓷滚动体表面质量更好，从而降低了滑动摩擦扭矩。

根据SKF的试验结果显示，混合陶瓷轴承在高速运行时的摩擦扭矩比全钢制轴承低5%到8%。试验还表明，混合陶瓷轴承能够有效应对润滑不足和油脂粘度降低等情况，这一特性有助于减少摩擦。通过调整这些润滑因素，可以在不影响轴承寿命的情况下将摩擦最大程度地降低50%。

产能同步

Productivity Synchronization

制造一个小小的陶瓷球并不是一项简单的任务，需要经过一系列工艺步骤，首先将氮化硅粉末烧结成球坯，然后进行加工和磨削，最终制成尺寸一致的滚动体。氮化硅粉末的冶炼由于对高纯度的要求，技术含量很高，而不同的烧结工艺也会影响球体的气密性。

电动汽车发展已经迎来了一个拐点，当前电驱动系统正在经历全方位和系统级的创新。除了解决技术难题外，更先进的技术带来的是更高的功率输出和更经济的运行。

在电气化深度演进的未来，即使是微小的零部件也可能成为开启庞大市场的关键。那些提前介入并做好充分技术准备的先行者将在这充满机遇的市场中占据更有利的地位。

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