电网脱碳背景下电动汽车开关磁阻电机设计优化：显著降低隐含碳排放与使用能耗的创新路径

《Energy Conversion and Management-X》：Improving the environmental performance of electric vehicles as the grid decarbonises: Design interventions to reduce embodied emissions and in-use energy losses of switched reluctance motors

本文针对电动汽车电机隐含碳排放高、稀土永磁体供应风险及铜污染钢回收三大痛点，首次采用形态学分析法系统优化无磁无铜开关磁阻电机（SRM）。研究表明，单组件改进可减少33%隐含排放与44%使用损耗，组合干预更可分别降低80%与68%。研究揭示电网碳强度决定减排优先级：英国需侧重降损耗，瑞典则应优先减隐含排放，为低碳电机设计提供关键决策依据。

　　

当全球交通电气化浪潮席卷而来，电动汽车的核心部件——驱动电机正面临前所未有的挑战。传统永磁电机依赖钕、镝等稀土元素，这些“工业维生素”不仅开采过程环境代价高昂，其供应链更高度集中于中国，存在显著的供应风险。与此同时，电机中大量使用的铜绕组在车辆报废后难以从钢材中彻底分离，成为钢铁回收流程中的“顽固污染物”，严重影响再生钢的质量。随着电网脱碳进程加速，车辆使用阶段的碳排放将持续下降，这使得电机生产制造过程中产生的“隐含碳排放”在总排放中的占比日益凸显。如何打破这些桎梏，设计出既环保又高效的电机，成为行业亟待攻克的难题。

剑桥大学工程系的Frederick Follows与Julian M. Allwood在《Energy Conversion and Management-X》发表的研究，正是瞄准这一关键缺口。他们选择极具潜力的开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor, SRM）作为突破口。这种电机天生无需永磁体，巧妙规避了稀土供应风险；更可通过采用铝绕组替代铜，从根本上解决钢回收污染问题。研究团队创新性地引入“形态学分析”（Morphological Analysis）方法，系统探索了电机六大核心组件（定子组件：电磁线圈、定子铁芯、外壳；转子组件：转子磁极、转子框架、转轴）所有可能设计干预措施的组合空间，旨在平衡并最小化电机全生命周期的隐含碳排放与使用阶段能耗。

为达成目标，研究构建了精细化的评估模型。在隐含碳排放计算方面，详细核算了各组件的材料（原生与再生铝/钢、软磁复合材料SMC、非晶铁、碳纤维增强聚合物CFRP等）、制造工艺（冲压、铸造、锻造、机加工等）及废料率的影响。在使用能耗评估方面，则基于全球统一轻型车辆测试程序（WLTP）驾驶循环，模拟了搭载基准SRM的1500kg乘用车行驶20万公里的全过程，精确计算电机内部因导体电阻（铜损）和磁芯磁滞/涡流（铁损）产生的能量损失。最终，通过将使用能耗乘以不同电网碳强度（英国0.225 kgCO₂e/kWh，瑞典0.054 kgCO₂e/kWh），实现了全生命周期排放的可视化对比。

4.1. Results – Baseline SRM

基准SRM（300Nm，300kW）的隐含碳排放为429 kgCO₂e，其中定子铁芯、电机外壳和转轴是主要贡献者。其全生命周期使用能耗为1600 kWh，约三分之二损耗来自磁芯（主要源于占电机磁材总量82%的定子）。与文献报道的永磁电机相比，按单位扭矩计算，该SRM的隐含碳排放处于最低区间（1.4 kgCO₂e/Nm），且使用能耗略低于永磁电机。

4.2. Results – Individual contributions

单一组件干预分析显示，将电机外壳从原生铝改为ABS塑料可减少33%的隐含排放；采用非晶铁定子铁芯则可降低44%的使用能耗。值得注意的是，减重带来的能耗降低效果有限，全电机最大减重18.5kg仅能减少0.8%的使用能耗。而采用软磁复合材料（SMC）定子会导致极高的铁损，显著增加使用能耗。

4.3. Results – Combined interventions

通过形态学分析组合所有干预措施，研究绘制了包含12,480种设计组合的“形态地图”。结果显示：

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  最小化隐含排放（84 kgCO₂e，降低80%）的方案为：全部磁材采用再生电工钢，线圈为绕制铝线，外壳为ABS，转子框架和转轴均为挤压再生铝。
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  最小化使用能耗（510 kWh，降低68%）的方案为：线圈为压缩铜线，定子和转子极均采用非晶铁，外壳为ABS，转子框架和转轴为碳纤维复合材料（CFRP）。
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  最优总排放取决于电网碳强度。在英国（较高碳电网），最优方案接近最低能耗电机，总排放可降至303 kgCO₂e，侧重降低使用能耗。在瑞典（近零碳电网），最优方案接近最低隐含排放电机，总排放可降至151 kgCO₂e，侧重降低隐含排放。
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  交叉点出现在电网碳强度低于0.094 kgCO₂e/kWh（约为2024年英国水平的42%）时，此后减排重心应从使用能耗转向隐含排放。

研究结论强调，开关磁阻电机通过设计干预，其环保性能可超越现有永磁电机。降低隐含排放的最有效途径是使用再生材料和近净成形工艺（如锻造、挤压替代机加工），分别可节省高达79%和75%的组件排放。降低使用能耗的关键在于采用低损耗的非晶铁磁芯，定转子同时采用可降低55%损耗。随着电网脱碳，电机全生命周期排放的构成将发生根本性转变，这要求设计策略做出相应调整。该研究提出的形态学分析方法，为在多重约束和目标下系统优化复杂机电产品提供了强大工具，其应用潜力远超电机设计领域。