电磁透明 GFRP 转子：破解无稀土永磁电动汽车电机难题的复合材料创新方案

当前，汽车工业向电气化转型已成为全球共识，但这一进程中仍面临诸多技术与产业挑战。其中，主流电动汽车所采用的永磁同步电机（PMSMs）对稀土永磁材料的高度依赖，成为制约行业发展的关键瓶颈 —— 稀土材料不仅采购成本高昂，其供应链还受地缘政治影响呈现不稳定性，且开采与加工过程对环境造成显著破坏，给电动汽车制造商带来了严峻考验。

一、传统电机技术的瓶颈与替代方案的探索

为摆脱对稀土材料的依赖，电励磁同步电机（EESMs）成为重要替代方向。这类电机采用电励磁转子绕组而非永磁体，宝马、雷诺等主流车企已将其应用于量产车型。然而，EESMs 存在一个核心缺陷：需通过 “滑环” 实现静止部件向旋转转子的电力传输，这不仅会导致效率损失、因机械磨损产生污染风险，还需额外占用安装空间 —— 据德国采埃孚（ZF Friedrichshafen）数据，EESMs 的空间需求平均比 PMSMs 多 90 毫米（增幅达 25%-35%）。

无线电能传输（WPT）技术为解决滑环问题提供了新思路。该技术通过非接触式电磁耦合实现能量传递，无需电源与转子间的直接电连接，从根本上消除了滑环。但现有 WPT 技术与旋转机械的集成面临难题：传统金属转子会产生涡流损失并扭曲磁场，大幅降低 WPT 效率；部分解决方案采用非金属轴段，却又导致轴径增大、功率密度下降，未能实现性能与结构的平衡。

二、“复合思维” 驱动的创新：电磁透明 GFRP 转子设计

为突破 WPT 技术的集成瓶颈，由德国斯图加特大学电气工程转换研究所（IEW）牵头，联合该校飞机设计研究所（IFB）及卡尔斯鲁厄理工学院产品工程研究所（IPEK，冷却领域专家）组成的研究联盟，提出了基于复合材料的创新方案 —— 采用电磁透明玻璃纤维增强聚合物（GFRP）制造空心转子轴，并将其置于 WPT 系统的磁通量路径中。

这一设计实现了“结构功能” 与 “电磁功能” 的协同：GFRP 转子既作为承载结构件，又构成紧凑的 WPT 系统组成部分，使系统运行效率可达 95%。更重要的是，该方案彻底摒弃了传统 EESMs 中的稀土材料、WPT 系统所需的导磁材料以及机械滑环，同时解决了供应链、可持续性与性能三大行业痛点。

该项目由德国巴登 - 符腾堡州未来移动创新园区（ICM）研究集群资助，其核心突破在于 “重构设计目标”—— 正如斯图加特大学 IEW 研究员 Andreas Bähr 所言：“现有方案的关键缺失在于，未能将电磁透明性与结构功能视为互补目标，而非竞争需求。要在磁通量路径中合理布置电磁中性材料并同时保证结构完整性，必须同时深入理解复合材料力学与电磁场理论。”

三、材料选择与工艺优化：精准匹配性能需求

研究团队以“功能优先” 为原则，开展了系统性的材料筛选与工艺设计，确保 GFRP 转子同时满足电磁、机械与热性能要求。

（一）电磁中性与机械性能的材料平衡

团队明确排除了碳纤维增强材料—— 尽管碳纤维强度、刚度更高且重量更轻，但其导电性会产生涡流，破坏电磁透明性。最终选择法国 Vetrotex 公司的 EC14 300 TD44C 玻璃纤维粗纱，正是因其兼具电磁中性与适应高速旋转的机械性能。

为优化转子轴的机械性能，团队采用±45° 编织结构，通过德国 Herzog 公司的 RF 1-176-100 径向编织机，用 176 根单独纤维粗纱加工成型；同时设计 18 层编织预成型体，在实现 “载荷适配型” 力学行为的同时，保证制造过程中树脂灌注所需的足够渗透性。

（二）树脂体系的热性能与工艺性兼顾

基体树脂的选择需平衡加工可行性与热性能。团队最终选用瑞士西卡（Sika）公司的 Biresin CR172 环氧树脂，该树脂可在室温下实现真空灌注，且玻璃化转变温度超过 150℃，既能满足实验室规模的加工需求，又可为集成于转子轴内的电子系统提供充足的热稳定性。

（三）热管理的集成化设计

WPT 系统运行中会产生热量，团队并未将冷却视为独立系统，而是将其作为核心设计要素。正如卡尔斯鲁厄理工学院 IPEK 研究员 Simon Knecht 所述：“我们利用 GFRP 空心轴的几何特点开发了冷却策略，热管理设计直接影响了复合材料结构与 WPT 部件的布置和设计。”

团队通过拓扑优化算法设计了适用于旋转环境的散热器（流路需实现 180° 转向），并选择空冷方案而非油冷 —— 此举可规避密封复杂性与潜在污染问题，同时满足 WPT 系统 3-4 千瓦功率传输的散热需求，进而支撑电机 136 千瓦的峰值功率目标。

四、制造工艺与动力系统的协同集成

（一）高精度制造保障性能一致性

转子制造采用径向编织技术，可实现连续纤维铺设并保持±45° 方向的均匀纤维张力（该方向优化了抗扭性能）；通过机器人操作保证芯模同心度精度，为产品一致性与质量控制提供关键保障。

转子的金属端部用于适配轴承接口与扭矩传输，复合材料与金属部分采用美国 3M 公司的 Scotchweld EC-9323 结构胶粘结。团队通过应力分布分析与制造装配需求验证，将粘结接头布置在 WPT 系统的电磁影响区之外，确保连接可靠性与电磁性能互不干扰。

尽管实验室阶段采用的真空袋灌注工艺不适用于汽车规模化生产，但该工艺成功验证了设计可行性—— 最终成型的 GFRP 转子纤维体积分数达 60%，壁厚为 5 毫米；后续通过精密加工，满足了粘结接口与电机系统集成所需的尺寸公差。

（二）动力系统的高效集成

GFRP WPT 原型系统的初级与次级线圈采用德国 Elektrisola 公司的高频利兹线，按电磁场建模计算结果绕制，并使用西卡 SikaResin RE 531-93 聚氨酯灌封胶封装。这种半柔性灌封胶的导热系数达 0.73 瓦 / 米・开尔文（W/mK），显著优于传统环氧树脂系统（通常为 0.1-0.3 W/mK），可高效将热量传递至集成冷却系统。

电力电子集成是项目的另一大挑战。团队将旋转电子元件布置在旋转中心附近，最大限度降低离心力影响（这对高速汽车应用的可靠性至关重要）；紧凑的电子元件封装既适配 GFRP 转子的空心结构，又能保证充足冷却与 WPT 系统的电磁兼容性。

五、全面性能验证：效率、可靠性与热稳定性达标

研究团队通过多维度测试，验证了 GFRP 转子系统的综合性能：

• 电磁性能：集成 WPT 系统在整个运行范围内效率超过 90%，峰值效率达 95%，证明 GFRP 材料对功率传输效率无显著负面影响；

• 机械性能：在代表性扭转载荷下，复合材料与金属部分的粘结接头可成功传递全电机扭矩，同时满足高速旋转所需的同心度与动平衡要求；

• 热稳定性：运行过程中温度监测显示，Biresin CR172 环氧树脂基体的最高温度低于 120℃，远低于其玻璃化转变温度；散热器可有效冷却电力电子元件，聚氨酯灌封的线圈系统能高效将热量传递至气流路径，确保连续功率传输时线圈温度处于安全范围；

• 可靠性：由于消除了磨损表面与碎屑产生，该系统相比机械滑环系统具有潜在寿命优势，但复合材料 - 金属粘结接头在热循环与振动载荷下的长期稳定性，仍需进一步测试以满足汽车行业认证要求。

六、行业价值与未来展望

GFRP 电磁透明转子方案为电动汽车电驱动系统提供了 “多痛点一解” 的创新路径，也为复合材料在下一代电动动力总成中的应用开辟了新空间。目前，马勒（Mahle）、舍弗勒（Schaeffler）、采埃孚（ZF）等主流汽车供应商均在积极开发电动汽车 WPT 技术，表明无接触励磁系统已成为行业重要发展方向。

（一）供应链与可持续性优势

该方案的供应链价值不仅体现在“无稀土依赖”，还在于玻璃纤维的全球供应能力 —— 全球范围内拥有多家合格玻璃纤维供应商，与稀土永磁材料高度集中的供应链形成鲜明对比。正如 ICM 研究集群项目协调员 Marcel Nöller 所言：“欧洲汽车制造商有望通过该技术提升供应链韧性，同时减少采矿相关的环境影响，实现可持续发展目标。”

（二）应用场景的广泛延伸

这一技术的核心价值还在于其可扩展性—— 复合材料电磁透明设计理念不仅适用于汽车电机，还可推广至工业传动、风力发电机、航空航天等领域的旋转机械。Marcel Nöller 指出：“该应用中体现的材料认知与集成方法，可轻松迁移至不同功率规模与运行环境。”

（三）规模化制造的推进方向

当前，编织预成型体已验证了技术可行性，下一步的关键是实现规模化生产。正如斯图加特大学 IFB 研究员 Holger Ahlborn 强调：“量产阶段可能需转向拉挤成型或连续编织工艺，而 GFRP 转子的圆柱形几何与平衡纤维结构，与现有复合材料制造能力高度适配，具备良好的规模化经济性。”