高速电机碳纤维转子技术解析与车企应用进展

新能源汽车行业正经历着驱动电机高速化的发展浪潮，但这一趋势也带来了转子在高转速下承受更大离心力的挑战，这对电机的稳定性和安全性提出了更高的要求。为应对这一挑战，保护永磁体成为关键。与传统的金属护套相比，采用碳纤维复合材料制成的护套不仅重量轻、强度高、耐用性强，还具备低电导率和高热导率的特点。碳纤维包覆转子在有效保护永磁体的同时，能够减少由涡流引起的损耗，且不影响转子的散热性能，更好地适应电机高速化的需求，从而提升电机的整体性能。此外，碳纤维护套还能与高强度硅钢片结合使用，两者的结合为高速电机转子提供了更强的抗离心力能力。

新能源车驱动电机高速化趋势明确，同时高转速导致转子所受离心力变大，对电机稳定性和安全性带来挑战。高速电机一般指转速超过10000 rpm的电机，具有功率密度高、体积小、可靠性高等一系列优点，小鹏汽车认为未来1-2年行业将向20000rpm发展。

一方面，通过高速化，新能源车驱动电机可以提高功率，进而提升汽车动力性；或者保持同样功率和动力性，同时可以缩小电机体积和降低成本。

在高功率密度驱动下，电机转速一路攀升，以丰田普锐斯（Prius）为例，三代车型转速逐步提升，由初代产品（Prius 2004）的6000 rpm提升至第三代产品（Prius 2015）的17000 rpm。

另一方面，电机在持续高转速的情况下会产生的巨大的离心力，进而产生位移、膨胀、解体等隐患。其中，转子在高速运转状态下所产生的离心力会使永磁体面临较大的拉应力和被甩出的风险。

为保证高速电机安全稳定运行，需对永磁体加以保护。

早期的解决方案是使用非磁性金属套管，如钛或铬镍铁合金。这种方法的优点是金属套筒非常坚固，与转子的其他部分相比具有非常相似的热膨胀特性。主要缺点是金属是导体，套管中会产生强烈的涡流，增加损耗，减少效率。

在这种背景下，碳纤维套管应运而生了。

得益于碳纤维的优异性能，碳纤维转子匹配电机高速化需求。相较于金属护套，碳纤维复合材料护套具有轻量化、高强度与耐久性、低导电率、高导热等特性，起到保护作用的同时能够降低涡流损耗，同时不会影响转子散热，可以更好地匹配电机高速化需求，从而提高电机性能。

此外，碳纤维护套可与高强度硅钢片同步使用，强强联手共同助力高速电机转子克服高离心力挑战。

碳纤维包覆转子是在转子表面有一层黑色物质覆盖，即所谓的碳钎维环氧树脂。

碳纤维环氧树脂的作用有两个。第一个作用是有效减少转子温度，转子温度很大一部分来自定子，碳钎维能有效减少热传导，可以减少磁钢退磁风险的同时减少高转速下的离心变形。第二个作用是“增加”转子磁通量。普通转子与碳纤维包覆转子对比如下：

碳纤维转子的设计在高转速电驱动系统中展现出显著的优势。考虑到碳纤维材料在受热时会发生热膨胀，需要在转子和定子之间保持适当的间隙，以确保气隙的稳定性。同时，碳纤维的高强度特性能够有效抑制金属热膨胀，允许缩小转子和定子之间的距离，提高磁通量的利用效率。这样，在相同的输入电流条件下，电驱动系统的转速更高，输出功率更大，效率也更优。

碳纤维转子技术的主要优势：

高强度和刚度：碳纤维复合材料的抗拉伸强度和刚度是常规金属材料（如钢、铝、钛等）的3至5倍，这使得转子在高速运行时更加稳定，减少了因离心力引起的变形。

减小热膨胀：碳纤维复合材料的热膨胀率较低，可以有效减少转子的热膨胀，提高电机的运行精度和寿命。

提高磁通密度：碳纤维转子可以通过增加极间距来“增加”转子磁通密度，这对于提升电机的输出功率有着显著的效果。

高效小型发动机：采用碳纤维转子技术的电机可以实现高效的小型化设计，使得电机能够在短时间内提供巨大的动力，如1.99秒内将两吨重的汽车加速到60英里/小时。

当既要电机高速化、又要小型化，还要高效率时，碳纤维转子将是最优解决方案。

(1)湿法缠绕

湿法缠绕是将碳纤维丝束在特定浸胶装置中浸渍处理后再在张力控制下直接缠绕，缠绕完成后固化成型。

特点:纤维材料、树脂选择空间大，可调控性好。

(2)干法缠绕

干法缠绕使用预制好的碳纤维预浸料，加热软化以后再绕到转子铁芯上，省去纤维浸树脂工序，缠绕完成后固化成型。预浸料可为热固性或热塑性树脂。

特点:材料和生产设备成本高，材料可选性和可调控性相对有限。

(3)紧固法

紧固法是预先加工好碳纤维套筒，然后将护套过盈配合安装到永磁转子上。

特点:护套内径尺寸精度和过盈量的批量稳定性较难控制。

在成本控制方面，通过增加生产设备的投入，可以有效降低单位产品的生产成本，推动碳纤维转子技术的商业化和广泛应用。

从产业化的角度来看，特斯拉在2021年6月推出的Model S Plaid车型中率先采用了碳纤维材料包裹转子，显著增强了其结构强度，使得电机的最高转速能够超过20000转/分钟，进而实现了322公里/小时的最高时速。此后，国内外的多家汽车制造商和一级供应商也开始积极跟进这一技术趋势。

特斯拉在汽车行业中率先为电驱动系统的转子设计并应用了碳纤维保护套，这一创新设计的主要目的是增强转子的结构稳定性，以抵御在高转速条件下可能出现的永磁体脱落风险。此外，碳纤维保护套的使用还有助于提高电驱动系统的磁通效率，进而实现系统的轻量化。特斯拉Model S和Model X的Plaid版本就配备了这项先进技术，使得这两款车型的最高时速能够达到322公里/小时。这一成就得益于三电机四轮驱动的配置，包括一个前置单电机和两个后置双电机，它们能够达到每分钟20000转的最高转速。

东风汽车在其新能源车型中主要采用由智新科技设计研发的电驱动系统。在2023年春季的新能源动力系统品牌发布会上，东风汽车展示了其最新的东风马赫E新能源动力品牌。该品牌旗下的马赫电驱动系统以其"极致融合、高效高速、强劲动力、智能控制"四大核心优势而备受瞩目。特别值得一提的是，该系统采用了创新的碳纤维包覆转子技术，使得转子的转速能够达到每分钟30000转，显著提升了系统的高速性能。

此外，马赫电驱动系统还与智新科技自主研发的碳化硅控制器相结合，进一步提高了系统的能效。得益于这种先进的匹配，整个电驱动系统的峰值效率能够达到94.5%，真正实现了"高速高效"的目标。

红旗汽车独立研发的红旗HSM高效电驱系统，凭借其创新技术在全球范围内实现了95.5%的系统效率，并达到了几乎无法察觉的噪音水平。这一系统采用了多项独创技术，包括超轻量化和高磁密的碳纤维转子、超高频高功率的碳化硅模块，以及先进的主被动噪音抑制技术。

红旗汽车自主研发的碳纤维复合材料转子总成，充分利用了碳纤维材料极高的抗拉强度和极低的热膨胀系数，为转子铁心和磁钢提供了坚固的包裹保护。通过碳纤维环向的紧密缠绕技术，转子表面被施加了精确的预紧力，从而为整个电驱动系统的转子提供了全方位的保护，确保了系统的平稳运行。

这些技术的融合不仅提升了电驱动系统的效率，还大幅降低了噪音，使得红旗HSM高效电驱系统在性能和舒适性方面都达到了行业领先水平。

极氪汽车旗下的001FR车型搭载了由吉利威睿公司自主研发的四个800V碳化硅永磁同步电机。这款车型的后电驱动系统特别设计了两个并列排布的电机，每个电机的输出功率高达310千瓦，转速可达到每分钟20620转，功率密度达到了4.4千瓦/千克。为了应对这种超高转速带来的挑战，电驱动系统特别采用了自主研发的碳纤维包覆转子技术，使用了华渔公司提供的高质量碳纤维材料。

这种碳纤维转子的应用，不仅提升了电驱动系统的强度和耐久性，还有助于提高整体性能。极氪001FR的综合最大马力达到了1265匹。此外，车辆前部的两个电机采用了创新的非对称平行布局，每个电机的输出功率为155千瓦，这一设计进一步优化了车辆的动力输出和动态响应。

智己汽车在2023年推出的LS6车型中，其电驱动系统引入了先进的定转子双油冷方案，这一方案有效提高了电机的冷却效率和持续运行的性能。特别值得一提的是，该车型的转子采用了碳纤维外壳技术，这是智己汽车与上汽集团合作开发的800V高压电驱系统的一部分。

这款被称为"超级组合"的全新电驱动系统，不仅将最高转速提升至每分钟21000转，而且还助力LS6车型实现了252公里/小时的最高速度，展现了其卓越的动力性能和技术创新。

在2023年，小米汽车为其新车型SU7的电驱动系统引入了一系列令人瞩目的创新技术。继成功实现21000转/分钟的小米超级电机V6/V6s的量产，并计划在2025年推出转速高达27200转/分钟的小米超级电机V8s之后，小米的研发实验室宣布，已经完成了35000转/分钟电机技术的预研，这一技术突破预示着小米在电机技术领域的领先地位将得到进一步巩固。

除了转速的显著提升，小米汽车在新型电机的研发中还引入了创新的碳纤维极光缠绕转子工艺。这项工艺采用了先进的激光原位固化技术，实现了碳纤维材料的精确缠绕和固化。与传统的转子制造方法相比，碳纤维极光缠绕转子工艺不仅提高了制造精度和预紧力，还显著增强了转子的机械强度和耐用性。此外，这项工艺还有助于提高生产效率和降低成本，为电机的大规模生产和广泛应用提供了坚实的基础。

2023年3月3日，广汽埃安在其产品线中增添了一项突破性创新——夸克电驱，这是一款集成了尖端技术的高性能电驱动系统。夸克电驱采用了广汽埃安自主研发的X-PIN扁线定子技术与碳纤维高速转子技术，这两项专利技术的应用使得电驱动系统在体积上成功缩减了25%，同时实现了超过30%的功率提升。X-PIN碳纤维高速电机技术还拥有三项国家专利的绕线方案，这些方案支持从70kW到320kW的功率范围以及从220到450Nm的扭矩范围，确保了该技术在多个平台上的兼容性和广泛应用潜力。

8月24日，广汽埃安夸克2.0在锐湃动力量产下线。电驱系统工况效率93%，中汽研一级能效认证94.7%。采用1mm碳纤维护套，采用T800碳丝湿法缠绕。加速更快，极速更高，能耗更低。其采用非晶合金定子 碳纤维高速转子材料，转速可达30000rpm，电机功率密度13kW/kg，电机效率98.5%，转速、功率密度、电机效率均号称“世界最高”。

作为一级供应商的博格华纳，在2023年4月的上海国际汽车工业展览会上，展示了其创新的碳纤维电机转子技术。这款转子以其高达每分钟25000转的转速，为开发高性能、高转速的电驱动系统提供了强有力的支持，推动了相关产品的应用发展。

汇川联合动力已经批量生产的第四代动力总成电机，转速高达每分钟20,000转，这一性能超越了市场上常见的12,000至14,000转的转速标准。公司还宣布已经完成了25,000转/分钟的碳纤维转子技术的开发，标志着其在高转速电机领域的进一步进步。

天蔚蓝的专家分享了一个引人注目的案例，该案例涉及一种800V、20000转/分钟的电机。在这项技术改进中，通过将空气间隙从1mm增加到2mm，并引入1.2mm厚的碳纤维层，成功地将电机的功率从280kW提升至314kW，扭矩增加了16Nm，同时最高效率提高了0.2%。该公司在碳纤维转子技术领域展现出了强大的竞争力和创新能力，为客户提供了高性能、高可靠性的电驱动解决方案。

墨森科技在中国碳纤维高速永磁电机转子结构的正向研发领域占据领先地位。墨森科技成功攻克了在超高张紧强度条件下实现无损缠绕的关键技术难题，并全面掌握了从碳纤维材料选择、结构与电磁设计、成型与装配工艺，到装备制造和检验检测的全方位技术。此外，公司还与超过20家汽车制造商和一级供应商建立了紧密的合作关系，共同推进新能源汽车用高速永磁电机碳纤维转子的研发工作。

电机高速化是电驱动系统的必然趋势，高速电机有望逐步成为行业主流，而转速上限取决于主机厂与Tier 1对性能、成本、应用场景的综合考虑。碳纤维转子具有高强度、高效率、轻量化、高导热等优势，匹配电机高速化趋势，有望对高性能碳纤维带来增量需求，同时将进一步提升电动汽车的性能与效率。