當前，汽車工業向電氣化轉型已成為全球共識，但這一進程中仍面臨諸多技術與產業挑戰。其中，主流電動汽車所采用的永磁同步電機（PMSMs）對稀土永磁材料的高度依賴，成為制約行業發展的關鍵瓶頸 —— 稀土材料不僅采購成本高昂，其供應鏈還受地緣政治影響呈現不穩定性，且開采與加工過程對環境造成顯著破壞，給電動汽車制造商帶來了嚴峻考驗。

一、傳統電機技術的瓶頸與替代方案的探索

為擺脫對稀土材料的依賴，電勵磁同步電機（EESMs）成為重要替代方向。這類電機采用電勵磁轉子繞組而非永磁體，寶馬、雷諾等主流車企已將其應用于量產車型。然而，EESMs 存在一個核心缺陷：需通過 “滑環” 實現靜止部件向旋轉轉子的電力傳輸，這不僅會導致效率損失、因機械磨損產生污染風險，還需額外占用安裝空間 —— 據德國采埃孚（ZF Friedrichshafen）數據，EESMs 的空間需求平均比 PMSMs 多 90 毫米（增幅達 25%-35%）。

無線電能傳輸（WPT）技術為解決滑環問題提供了新思路。該技術通過非接觸式電磁耦合實現能量傳遞，無需電源與轉子間的直接電連接，從根本上消除了滑環。但現有 WPT 技術與旋轉機械的集成面臨難題：傳統金屬轉子會產生渦流損失并扭曲磁場，大幅降低 WPT 效率；部分解決方案采用非金屬軸段，卻又導致軸徑增大、功率密度下降，未能實現性能與結構的平衡。

二、“復合思維” 驅動的創新：電磁透明 GFRP 轉子設計

為突破 WPT 技術的集成瓶頸，由德國斯圖加特大學電氣工程轉換研究所（IEW）牽頭，聯合該校飛機設計研究所（IFB）及卡爾斯魯厄理工學院產品工程研究所（IPEK，冷卻領域專家）組成的研究聯盟，提出了基于復合材料的創新方案 —— 采用電磁透明玻璃纖維增強聚合物（GFRP）制造空心轉子軸，并將其置于 WPT 系統的磁通量路徑中。

這一設計實現了“結構功能” 與 “電磁功能” 的協同：GFRP 轉子既作為承載結構件，又構成緊湊的 WPT 系統組成部分，使系統運行效率可達 95%。更重要的是，該方案徹底摒棄了傳統 EESMs 中的稀土材料、WPT 系統所需的導磁材料以及機械滑環，同時解決了供應鏈、可持續性與性能三大行業痛點。

該項目由德國巴登 - 符騰堡州未來移動創新園區（ICM）研究集群資助，其核心突破在于 “重構設計目標”—— 正如斯圖加特大學 IEW 研究員 Andreas B?hr 所言：“現有方案的關鍵缺失在于，未能將電磁透明性與結構功能視為互補目標，而非競爭需求。要在磁通量路徑中合理布置電磁中性材料并同時保證結構完整性，必須同時深入理解復合材料力學與電磁場理論?！?/span>

三、材料選擇與工藝優化：精準匹配性能需求

研究團隊以“功能優先” 為原則，開展了系統性的材料篩選與工藝設計，確保 GFRP 轉子同時滿足電磁、機械與熱性能要求。

（一）電磁中性與機械性能的材料平衡

團隊明確排除了碳纖維增強材料—— 盡管碳纖維強度、剛度更高且重量更輕，但其導電性會產生渦流，破壞電磁透明性。最終選擇法國 Vetrotex 公司的 EC14 300 TD44C 玻璃纖維粗紗，正是因其兼具電磁中性與適應高速旋轉的機械性能。

為優化轉子軸的機械性能，團隊采用±45° 編織結構，通過德國 Herzog 公司的 RF 1-176-100 徑向編織機，用 176 根單獨纖維粗紗加工成型；同時設計 18 層編織預成型體，在實現 “載荷適配型” 力學行為的同時，保證制造過程中樹脂灌注所需的足夠滲透性。

（二）樹脂體系的熱性能與工藝性兼顧

基體樹脂的選擇需平衡加工可行性與熱性能。團隊最終選用瑞士西卡（Sika）公司的 Biresin CR172 環氧樹脂，該樹脂可在室溫下實現真空灌注，且玻璃化轉變溫度超過 150℃，既能滿足實驗室規模的加工需求，又可為集成于轉子軸內的電子系統提供充足的熱穩定性。

（三）熱管理的集成化設計

WPT 系統運行中會產生熱量，團隊并未將冷卻視為獨立系統，而是將其作為核心設計要素。正如卡爾斯魯厄理工學院 IPEK 研究員 Simon Knecht 所述：“我們利用 GFRP 空心軸的幾何特點開發了冷卻策略，熱管理設計直接影響了復合材料結構與 WPT 部件的布置和設計。”

團隊通過拓撲優化算法設計了適用于旋轉環境的散熱器（流路需實現 180° 轉向），并選擇空冷方案而非油冷 —— 此舉可規避密封復雜性與潛在污染問題，同時滿足 WPT 系統 3-4 千瓦功率傳輸的散熱需求，進而支撐電機 136 千瓦的峰值功率目標。

四、制造工藝與動力系統的協同集成

（一）高精度制造保障性能一致性

轉子制造采用徑向編織技術，可實現連續纖維鋪設并保持±45° 方向的均勻纖維張力（該方向優化了抗扭性能）；通過機器人操作保證芯模同心度精度，為產品一致性與質量控制提供關鍵保障。

轉子的金屬端部用于適配軸承接口與扭矩傳輸，復合材料與金屬部分采用美國 3M 公司的 Scotchweld EC-9323 結構膠粘結。團隊通過應力分布分析與制造裝配需求驗證，將粘結接頭布置在 WPT 系統的電磁影響區之外，確保連接可靠性與電磁性能互不干擾。

盡管實驗室階段采用的真空袋灌注工藝不適用于汽車規模化生產，但該工藝成功驗證了設計可行性—— 最終成型的 GFRP 轉子纖維體積分數達 60%，壁厚為 5 毫米；后續通過精密加工，滿足了粘結接口與電機系統集成所需的尺寸公差。

（二）動力系統的高效集成

GFRP WPT 原型系統的初級與次級線圈采用德國 Elektrisola 公司的高頻利茲線，按電磁場建模計算結果繞制，并使用西卡 SikaResin RE 531-93 聚氨酯灌封膠封裝。這種半柔性灌封膠的導熱系數達 0.73 瓦 / 米?開爾文（W/mK），顯著優于傳統環氧樹脂系統（通常為 0.1-0.3 W/mK），可高效將熱量傳遞至集成冷卻系統。

電力電子集成是項目的另一大挑戰。團隊將旋轉電子元件布置在旋轉中心附近，最大限度降低離心力影響（這對高速汽車應用的可靠性至關重要）；緊湊的電子元件封裝既適配 GFRP 轉子的空心結構，又能保證充足冷卻與 WPT 系統的電磁兼容性。

五、全面性能驗證：效率、可靠性與熱穩定性達標

研究團隊通過多維度測試，驗證了 GFRP 轉子系統的綜合性能：

• 電磁性能：集成 WPT 系統在整個運行范圍內效率超過 90%，峰值效率達 95%，證明 GFRP 材料對功率傳輸效率無顯著負面影響；

• 機械性能：在代表性扭轉載荷下，復合材料與金屬部分的粘結接頭可成功傳遞全電機扭矩，同時滿足高速旋轉所需的同心度與動平衡要求；

• 熱穩定性：運行過程中溫度監測顯示，Biresin CR172 環氧樹脂基體的最高溫度低于 120℃，遠低于其玻璃化轉變溫度；散熱器可有效冷卻電力電子元件，聚氨酯灌封的線圈系統能高效將熱量傳遞至氣流路徑，確保連續功率傳輸時線圈溫度處于安全范圍；

• 可靠性：由于消除了磨損表面與碎屑產生，該系統相比機械滑環系統具有潛在壽命優勢，但復合材料 - 金屬粘結接頭在熱循環與振動載荷下的長期穩定性，仍需進一步測試以滿足汽車行業認證要求。

六、行業價值與未來展望

GFRP 電磁透明轉子方案為電動汽車電驅動系統提供了 “多痛點一解” 的創新路徑，也為復合材料在下一代電動動力總成中的應用開辟了新空間。目前，馬勒（Mahle）、舍弗勒（Schaeffler）、采埃孚（ZF）等主流汽車供應商均在積極開發電動汽車 WPT 技術，表明無接觸勵磁系統已成為行業重要發展方向。

（一）供應鏈與可持續性優勢

該方案的供應鏈價值不僅體現在“無稀土依賴”，還在于玻璃纖維的全球供應能力 —— 全球范圍內擁有多家合格玻璃纖維供應商，與稀土永磁材料高度集中的供應鏈形成鮮明對比。正如 ICM 研究集群項目協調員 Marcel N?ller 所言：“歐洲汽車制造商有望通過該技術提升供應鏈韌性，同時減少采礦相關的環境影響，實現可持續發展目標?！?/span>

（二）應用場景的廣泛延伸

這一技術的核心價值還在于其可擴展性—— 復合材料電磁透明設計理念不僅適用于汽車電機，還可推廣至工業傳動、風力發電機、航空航天等領域的旋轉機械。Marcel N?ller 指出：“該應用中體現的材料認知與集成方法，可輕松遷移至不同功率規模與運行環境?！?/span>

（三）規?；圃斓耐七M方向

當前，編織預成型體已驗證了技術可行性，下一步的關鍵是實現規模化生產。正如斯圖加特大學 IFB 研究員 Holger Ahlborn 強調：“量產階段可能需轉向拉擠成型或連續編織工藝，而 GFRP 轉子的圓柱形幾何與平衡纖維結構，與現有復合材料制造能力高度適配，具備良好的規?；洕?。”