Trends in the development of modern electric motors: challenges, difficulties and results

全文:

Введение

Современные разработчики электродвигателей сталкиваются с дилеммой, которая связана с необходимостью создавать высокоэффективные, компактные и мощные приводы, одновременно преодолевая зависимость от дорогостоящих редкоземельных материалов [1]. Несмотря на активные поиски альтернатив в виде ферритов и новых композитных материалов, научные исследования в этой области остаются недостаточно финансируемыми и фрагментарными, что серьёзно замедляет технологический прогресс в этой области.

Растущие требования к характеристикам электродвигателей электрифицированных транспортных средств (ЭТС) в виде энергоэффективности, точности управления и увеличения удельной мощности вступают в противоречие с ограниченными возможностями существующих материалов и технологий [2]. Производители вынуждены балансировать между стоимостью, производительностью и доступностью компонентов, что делает особенно актуальными фундаментальные исследования в области новых материалов и инновационных конструкторских решений для электроприводов.

Электромобили и электродвигатели для них

Зарождение ЭТС началось с двигателей постоянного тока (ДПТ), которые благодаря простоте управления и надёжности стали первыми электродвигателями, применёнными на практике. В 1834 г. русский инженер Борис Семёнович Якоби установил ДПТ на лодку, продемонстрировав первый случай использования электричества для движения транспорта [3]. К концу XIX в. ДПТ стали основой для первых электромобилей, таких как созданный Густавом Труве трёхколёсный экипаж в 1881 г. и четырёхколёсные повозки с электромотором, созданные американцем Уильямом Моррисоном [4]. Несмотря на ограниченный запас хода до 100 км на одной зарядке и скорость около 30 км/ч, эти автомобили пользовались популярностью [5]. Однако в первой половине XX в. такие транспортные средства уступили место бензиновым из-за неразвитой системы управления силовыми агрегатами, начала массового производства автомобилей компанией Ford и повсеместного развития топливной инфраструктуры [6].

Возрождение электрического транспорта началось лишь к концу XX в., когда развитие электротехники привело к появлению более эффективной полупроводниковой электроники. Асинхронные двигатели, изобретённые Николой Теслой в 1888 г. [7], стали применяться в электромобилях благодаря своей надёжности и простоте. Ярким примером стала компания Tesla, которая в 2008 г. выпустила Roadster с асинхронным двигателем (АД), доказав, что электромобили могут обладать высокой динамикой и иметь перспективу для массового производства. Чуть позже стали доминировать ЭТС с синхронными машинами на постоянных магнитах (СМПМ), которые обладают ещё большей удельной мощностью и меньшими габаритами, а их управление осуществляется с помощью сложных инверторных систем, что обеспечивает высокую энергоэффективность и экологичность такого типа транспорта, а также рост его популярности.

На сегодняшний день согласно исследованиям аналитического агентства Rho Motion, в январе 2025 г. в мире было реализовано около 1,3 млн электромобилей. Несмотря на то, что это на треть ниже рекордного уровня декабря 2024 г., в годовом выражении продажи выросли на 18% [8].

Особого внимания заслуживает китайский рынок, где традиционное снижение продаж после новогоднего бума не помешало сохранить положительную годовую динамику. Рынок Европы и Северной Америки продолжает стабильный рост, подтверждая глобальный тренд на электрификацию транспорта (рис. 1).

 

Рис. 1. Актуальные данные о продажах электромобилей в мире.

Fig. 1. Latest data on electric vehicles worldwide sales.

 

В январе 2025 г. Китай подтвердил лидерство на рынке электромобилей, реализовав 700 000 единиц. Европейский союз и Великобритания вместе продали 250 000 электромобилей, тогда как рынок США и Канады достиг показателя в 130 000. Другие регионы мира суммарно реализовали 130 000 электромобилей, продемонстрировав рост на 50% по сравнению с январём 2024 г., хотя и показав небольшое снижение (-4%) относительно декабря 2024 г.

В условиях жёсткой конкуренции на рынке электромобилей ключевым фактором становится выбор оптимального типа электродвигателя. Анализ технических характеристик выявляет существенный разброс параметров различных типов двигателей от доступных асинхронных до высокотехнологичных аксиальных машин с высокими среди остальных показателями удельной мощности до 1500 Вт/кг (табл. 1).

 

Таблица 1. Сравнительные характеристики различных типов электродвигателей

Table 1. Data for comparing the characteristics of different types of electric motors

Тип двигателя Параметр	АД с КЗ ротором	СМПМ	Коллекторный DC	Бесколлекторный DC (BLDC)	СМ с аксиальным потоком
Макс. удельная мощность (Вт/кг)	400–600 [9][10]	800–1200 [11][12]	300–400 [13]	600–1000 [12][14]	1000–1500 [15][16][17]
Удельный крутящий момент (Н·м/кг)	1.0–1.5 [10]	2.0–3.5 [11]	0.8–1.2 [13]	1.5–2.5 [12]	2.5–4.5 [15][16]
КПД (%)	85–93 [9][10]	90–97 [11][12]	75–88 [13]	88–95 [12][14]	92–98 [15][16][17]
Удельная масса (кг/кВт)	2.0–3.0 [9]	0.8–1.5 [11][12]	2.5–3.3 [13]	1.0–1.6 [12]	0.6–1.2 [15][17]
Макс. скорость вращения (об/мин)	до 12 000 [9]	до 20 000 [12][14]	до 6 000 [13]	до 20 000 [12][14]	до 25 000 [15][16][17]
Управляемость	Средняя [9]	Очень высокая [11]	Высокая [13]	Очень высокая [12]	Очень высокая [15][17]
Стоимость (отн.)	Низкая [9]	Высокая [11]	Низкая [13]	Средняя [12]	Высокая [15][16]
Надёжность	Высокая [9]	Высокая [11]	Низкая (щётки) [13]	Высокая [12]	Высокая [15]
Обслуживание	Минимальное [9]	Не требуется [11]	Требуется [13]	Не требуется [12]	Не требуется [15][17]

 

Принципиальное отличие между двигателями заключается в конструкции магнитной системы. В то время, как традиционные радиальные машины создают поток, перпендикулярный оси вращения, в аксиальных конструкциях, получивших развитие в последние два десятилетия, магнитный поток направлен вдоль оси, что обеспечивает их преимущества в компактности и эффективности.

Электродвигатель с АМП, хотя и был первым изобретённым человечеством электродвигателем, стал более активно изучаться и применяться в ЭТС только в последние 20 лет [18]. Это объясняется как тем, что в прошлые столетия инженеры испытывали трудности в обеспечении и налаживании его надёжного серийного производства, так и прогрессом в нынешних производственных технологиях, удешевлением добычи магнитов и более высокой удельной мощностью таких двигателей по сравнению с радиальными аналогами [19].

Согласно исследованиям ресурса IDTechEx Ltd (рис. 2), аксиальные электрические машины демонстрируют наилучшие удельные показатели среди различных типов электродвигателей. Анализ подтверждает их превосходство по ключевым параметрам мощности, момента и энергоэффективности [20].

 

Рис. 2. Удельные показатели разных по исполнению электродвигателей.

Fig. 2. Specific indicators of electric motors with different design.

 

Электродвигатели с АМП, относящиеся к СМПМ, обладают низким уровнем демпфирования, что исключает их работу непосредственно от сети переменного тока без применения отдельной системы управления. Результаты компьютерного моделирования подтверждают, что использование векторного регулирования позволяет снизить пульсации электромагнитного момента как в режиме холостого хода, так и при полной механической нагрузке [19].

В современных ЭТС наблюдается устойчивая тенденция ко всё более частому применению аксиальных двигателей [21]. Основными преимуществами таких машин по сравнению с аналогами являются меньшие габаритные размеры, более высокое отношение электромагнитного момента к массе и увеличенная удельная мощность [22]. Дополнительными достоинствами выступают сниженный расход материалов при производстве статора и ротора [23], а также упрощённая процедура регулировки воздушного зазора между этими элементами.

Сравнительный анализ конструктивных особенностей радиальных и аксиальных машин выявляет существенные различия. В аксиальных конструкциях максимальное количество полюсов и плотность крутящего момента определяются осевой длиной, в то время как в радиальных двигателях эти параметры не зависят от данного размера. Такая зависимость объясняется тем, что осевая длина аксиальных машин учитывает также толщину ярма.

Преимущество электродвигателей с АМП по плотности крутящего момента реализуется при условии пропорционального заполнения пазовых зон обмоточным материалом. Однако необходимо учитывать, что предельное значение плотности момента ограничивается эффектом насыщения зубцов статора. Применение метода конечных элементов позволило установить оптимальные значения осевой длины для различных нагрузочных режимов [24].

В ближайшие десять лет электродвигатели с АМП могут стать безусловным лидером рынка благодаря своим неоспоримым преимуществам перед традиционными решениями. Эти машины демонстрируют рекордные показатели удельной мощности, обеспечивая максимальные показатели энергоэффективности. Их уникальная осевая конструкция позволяет создать более компактные силовые установки, что критически важно для современных электромобилей. При этом технологический потенциал аксиальных двигателей не исчерпан. С развитием новых материалов и автоматизацией производства текущие ограничения по стоимости и доступности будут преодолены. Они не уступают в надёжности АД, а по сравнению с СМПМ предлагают более совершенную конструкцию с упрощённой регулировкой воздушного зазора и меньшим расходом материалов. Именно эти преимущества могут в ближайшем будущем сделать аксиальные машины основным выбором производителей электромобилей, оставив другим типам двигателей для ЭТС узкие нишевые применения.

Основные тенденции развития тяговых электродвигателей

Современные тенденции в развитии тяговых электродвигателей для электромобилей сосредоточены на повышении эффективности, снижении зависимости от редкоземельных материалов и использовании передовых технологий проектирования.

1. Рост популярности синхронных машин с постоянными магнитами

СМПМ обладают высокой эффективностью и компактностью. Большинство современных электромобилей используют СМПМ из-за их высокой удельной мощности. Однако они требуют редкоземельных материалов (неодим, диспрозий), что делает их производство зависимым от поставок этих элементов.

Высокий КПД и компактность помогают увеличить запас хода за счёт снижения потерь энергии. Оптимизация пространства внутри автомобиля может позволить использовать более ёмкие батареи или улучшать аэродинамику.

2. Развитие асинхронных двигателей и отказ от редкоземельных магнитов

Некоторые автопроизводители, такие как Tesla, применяют асинхронные двигатели [25]. Они менее эффективны, но не требуют редкоземельных элементов, что снижает производственные риски и затраты.

Независимость от дорогих магнитов способна снизить себестоимость производства электромобилей и повысить устойчивость привода к перегрузкам, что может быть важно для спортивных ЭТС.

3. Переход на технологии, исключающие использование редкоземельных магнитов

Данный вопрос стал актуальным в последнее время, ведутся активные исследования по созданию ЭМ без использования редкоземельных материалов.

Варианты замены:

• ферритовые магниты — более доступные, но менее мощные;
• магнитопласты — используют в местах, где требуются магниты определённой формы;
• обмоточные роторные двигатели — используют электромагниты вместо постоянных магнитов;
• радиальные и аксиальные электродвигатели — обеспечивают высокую плотность мощности при меньшем количестве магнитных материалов.

Эффект от исключения использования редкоземельных магнитов заключается в снижении зависимости от монополии основного поставщика и уменьшении экологического следа.

4. Использование передовых материалов в управляющей электронике

Применение карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN) в силовых модулях инверторов снижает потери и повышает эффективность на 5–10%, что критично для увеличения запаса хода электромобиля.

Высокая теплостойкость и КПД силовой электроники могут снизить потери энергии и тем самым увеличивать запас хода, а уменьшение размеров силового инвертора позволит создать более компактные электрические приводы.

5. Совершенствование систем охлаждения

Тяговые двигатели подвергаются высоким нагрузкам, поэтому разрабатываются эффективные системы охлаждения, включая:

• жидкостное охлаждение (помимо классического теплосъёма из теплообменника в корпусе электродвигателя, используют непосредственное охлаждение вала ротора, непосредственное охлаждения лобовых частей обмотки, непосредственное охлаждение обмоток);
• масляное охлаждение, интегрированное с редуктором;
• комбинированное охлаждение совместно с воздушным и жидкостным охлаждением.

Эффективный теплосъём при высоких нагрузках может позволить повысить пиковую мощность и продлить срок службы электродвигателя ввиду того, что перегрев является основной из причин деградации материалов, в него входящих.

6. Внедрение цифровых двойников и расчётного ПО

Компьютерное моделирование позволяет проектировать электродвигатели с высокой точностью, снижая время на разработку. Цифровой двойник (Digital Twin) позволяет тестировать конструкцию в виртуальной среде до начала производства.

Моделирование привода до начала производства сокращает время разработки новых моделей ЭТС, а оптимизация таких параметров, как КПД, шум и вибрации, позволяет обойтись без ряда дорогостоящих физических прототипов изделий.

7. Развитие интегрированных электроприводов (e-Axle)

Интеграция электродвигателя, редуктора и инвертора в единый блок уменьшает потери и снижает вес, что улучшает динамику электромобиля. Компании, такие как Bosch и ZF, активно развивают e-Axle решения [26].

Снижение потерь и компактность помогают увеличить размер полезного пространства багажника или отсека для батарей, улучшать разгонную динамику за счёт снижения массы ЭТС, а также упростить сборку автомобиля, что влечёт за собой снижение себестоимости его производства.

Заключение

Будущее тяговых электродвигателей связано с внедрением новых материалов, технологий проектирования и моделирования. Инновационные подходы позволят повысить их эффективность, снизить зависимость от редкоземельных элементов и удешевить производство.

К сложностям в развитии отрасли можно отнести:

• дефицит редкоземельных материалов, используемых в магнитах электродвигателей;
• высокие требования к энергоэффективности и снижению тепловых потерь;
• ограничения по весу и габаритам электродвигателей;
• стоимость производства и интеграции новых технологий.

На сегодняшний день развитие современных электродвигателей идёт по пути создания высокоэффективных, экологически устойчивых и экономически выгодных решений. Основным вектором развития является переход на технологии без использования редкоземельных материалов с применением альтернативных магнитных систем и изменение обмоточных конструкций. Идёт повсеместное внедрение интегрированных модульных решений для снижения массы привода и потерь энергии, применение новых видов полупроводниковых компонентов в силовой электронике и совершенствование систем охлаждения для увеличения надёжности систем. Активное использование цифрового моделирования для ускорения разработки и оптимизации характеристик позволяет помочь разработчикам в сфере автомобилестроения преодолевать основные ограничении в проектировании, которые в основном связаны с дефицитом материалов для создания приводов, тепловыми потерями и высокой стоимостью производства ЭТС при параллельном улучшении энергоэффективности и массогабаритных показателей электроприводов.

Дополнительная информация

Вклад авторов. П.И. Жердев ― проведение анализа и исследований, обработка результатов, написание текста статьи; Р.Ш. Биксалеев ― формулирование целей, задач исследования, руководство научным проектом, участие в обсуждении материалов статьи, редактирование статьи; К.Е. Карпухин ― научное руководство, формулирование основных направлений анализа, планирование исследований, редактирование статьи, участие в обсуждении материалов статьи. Все авторы одобрили рукопись (версию для публикации), а также согласились нести ответственность за все аспекты работы, гарантируя надлежащее рассмотрение и решение вопросов, связанных с точностью и добросовестностью любой её части.

Этическая экспертиза. Неприменимо.

Источник финансирования. Исследование выполнено за счёт гранта Российского научного фонда № 24-71-00015, https://rscf.ru/project/24-71-00015/.

Раскрытие интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Оригинальность. При создании настоящей работы авторы не использовали ранее опубликованные сведения, помимо данных, на которые даны библиографические ссылки.

Доступ к данным. Редакционная политика в отношении совместного использования данных к настоящей работе не применима, новые данные не собирали и не создавали.

Генеративный искусственный интеллект. При создании настоящей статьи технологии генеративного искусственного интеллекта не использовали.

Рассмотрение и рецензирование. Настоящая работа подана в журнал в инициативном порядке и рассмотрена по обычной процедуре. В рецензировании участвовали два внешних рецензента, член редакционной коллегии и научный редактор издания.

Additional information

Author contributions: P.I. Zherdev: conducting analysis and research, processing results, writing the text of the article; R.Sh. Biksaleev: formulation of research goals, objectives, management of a scientific project, participation in the discussion of the materials of the article, editing the article; K.E. Karpukhin: scientific guidance, formulation of the main directions of analysis, research planning, editing the article, participation in the discussion the materials of the article. All the authors approved the version of the manuscript to be published and agreed to be accountable for all aspects of the work, ensuring that issues related to the accuracy or integrity of any part of the work are appropriately investigated and resolved.

Ethics approval: N/A.

Funding sources: The research was carried out at the expense of a grant from the Russian Science Foundation № 24-71-00015, https://rscf.ru/project/24-71-00015/.

Disclosure of interests: The authors have no relationships, activities, or interests for the last three years related to for-profit or not-for-profit third parties whose interests may be affected by the content of the article.

Statement of originality: No previously obtained or published material (text, images, or data) was used in this study or article.

Data availability statement: The editorial policy regarding data sharing does not apply to this work as no new data was collected or created.

Generative AI: No generative artificial intelligence technologies were used to prepare this article.

Provenance and peer review: This paper was submitted unsolicited and reviewed following the standard procedure. The peer review involved two external reviewers, a member of the editorial board, and the in-house scientific editor.

作者简介

Pavel Zherdev

Central Scientific and Research Automobile and Automotive Engines Institute NAMI

编辑信件的主要联系方式.
Email: pavel.zherdev@nami.ru
ORCID iD: 0009-0004-1002-0256
SPIN 代码: 2857-7951

1st grade design engineer of the Electronic Devices Center

俄罗斯联邦, Moscow

Rinat Biksaleev

Central Scientific and Research Automobile and Automotive Engines Institute NAMI

Email: rinat.biksaleev@nami.ru
ORCID iD: 0009-0004-0199-9394
SPIN 代码: 5186-4044

Cand. Sci. (Engineering), lead engineer of the Scientific and Educational Center

俄罗斯联邦, Moscow

Kirill Karpukhin

Central Scientific and Research Automobile and Automotive Engines Institute NAMI

Email: kirill.karpukhin@nami.ru
ORCID iD: 0000-0002-6192-7817
SPIN 代码: 8926-2694

Cand. Sci. (Engineering), Assistant Professor, Project Director of the Project Management Center

俄罗斯联邦, Moscow

参考

补充文件