解密宝马i3和i8制胜技术eDrive混合同步电机

　　宝马公司为宝马i3和宝马i8配备了具有自主知识产权的eDrive混合式同步电动机，该电动机具有永磁电动机和磁阻电动机优点。宝马公司在这方面取得的进步似乎表明宝马公司找到了一个利用含有较少稀土材料的磁体来制造高功率密度和高效率电动机的方法。

　　下图为宝马公司2012年专利申请文件中的图纸，该图纸显示一种能提高电动机效率的方法————在电动机内，转子除了磁层，还有两组由数个充气转子凹坑组成的磁通感应组。宝马公司专利申请文件Nº2012/0267977。点击此处看大图。

　　宝马i3汽车配置的驱动电动机重50千克，最大输出功率为125千瓦，功率系数为2.5千瓦/千克;该电动机能输出线性功率，转速范围较高，其最高转速为11400转/分。如果将日产Leaf与宝马i3进行比较：日产公司在2011年生产的”Leaf”电动汽车配备的是永磁电动机，其重量为58千克，额定输出功率为80千瓦，功率系数为1.38千瓦/千克。

　　背景：虽然对电动汽车而言，改善电池性能是降低电动汽车成本和提高运输效率的主要方法;但改善电动汽车的驱动装置(电动机、动力电子设备、传动机构、热量管理)也能起到非常好的效果。

　　例如，为了集中力量研发先进的动力电子设备、电动机、热量管理和传动机构技术，美国能源部汽车技术办公室制定了”先进动力电站设备和电动机”计划;一旦该计划取得成功，其先进性是现在技术所无法比拟的。动力电子设备和电动机作为电动汽车驱动系统的子系统，其重量、体积、效率和成本要严格要求，为了成功地研发出这些设备，使用更高功率密度和更低成本的小型电动机是关键。

　　能匹配到电动汽车上的电动机多种多样，包括直流电动机、交流电动机、感应电动机、永磁电动机、开关磁阻电动机和轴向磁通电动机。除了Tesla和丰田，其他所有主要汽车生产厂商制造的电动汽车均配备直流电动机。Tesla Model S配备交流电动机(据说Tesla Roadster也使用交流电动机)，而丰田的电动汽车传动系统就是采用Tesla公司的设计。值得注意的是，宝马在其Mini-E电动汽车项目的首次试验中，宝马也让试验中的Mini-E成为了交流电动机驱动的汽车。

　　广义地说来，一个感应电动机就是向电动机的固定外定子线圈输入交流电流，在定子线圈内形成一个旋转磁场，转子绕组受该旋转磁场的感应而产生电流，随着转子绕组电流的产生，转子绕组磁场也随之产生，转子绕组的磁场受到定子磁场的吸引。简而言之，转子的感应电流和随之产生的磁场被定子线圈磁场所吸引，由此让定子旋转并产生扭矩。由此可见，交流感应电动机无需永磁磁铁零件便能让转子转动。

　　总体而言，感应电动机的优势就是能被大规模生产和使用，但感应电动机不能满足美国《关于汽车效率和能源可持续性的驾驶技术研究和创新》的在成本、重量、体积和效率方面的要求。

　　另一方面，永磁电动机将永磁体装入到或嵌入转子，其磁场与通电产生的定子线圈内磁场相对应。永磁电动机具有紧凑结构和高扭矩密度输出的特点，并且能以较低电流来启动。虽然如此，永磁体材料的成本是一个有待解决的问题，因为电动机旋转产生的热量有可能对永磁体产生损害。

　　开关磁阻电动机结构简单，动力充沛，看起来是一个成本最低的技术解决方案。但开关磁阻电动机有不少缺点，如转矩波动高，噪音大、功率因数低和效率低。

　　因此，研究人员一直致力于设计新型电动机，他们的研究方法有减少永磁体的载荷，使用多种材料来制造电动机，以及综合各种电动机的技术优点来设计混合式电动机。2012年出版的《电气工程和技术杂志》就刊发了一篇论文，该论文专门对混合式电动机结构进行了分析。下面是该文章的一部分：

　　随着技术的进步，人们在工业领域对具备多种技术特征的电动机的需求越来越多。因此，关于改进电动机的研究论文能在各种各样的文献中见到。依据这些文文献资料的记载，新型电动机已被研制出来，对现存的各种电动机的研究也是铺天盖地。

　　在各种论文中，永磁电动机和磁阻电动机是最热门的研究对象。研究人员已经探讨了各种结构的永磁电动机和磁阻电动机，并对此进行了试验。值得注意的是，随着永磁材料的性能的提高，研究人员开发新型永磁电动机的热情日益高涨。永磁电动机的类型可分为永磁同步电动机和无刷直流电动机。在基本速率的条件下，永磁电动机的性能十分不错，但永磁电动机的变速范围十分小。

　　磁阻电动机没有永磁体零部件，让它没有退磁风险，并能在高温环境中正常工作。磁阻电动机的工作原理是基于磁阻原理，人们将其分为两大类：开关磁阻电动机和同步磁阻电动机。

　　永磁辅助磁阻电动机是研究人员为了综合永磁电动机和磁阻电动机的优点而研发到新型电动机。永磁辅助磁阻电动机被认为具有高功率密度、高功率因数、高效率和变速范围广的技术优点，现在永磁电动机已经成为了十分引人注目的话题。永磁辅助电动机的扭矩由永磁磁场和磁阻效应共同产生，研究人员因此将永磁辅助电动机称为混合式电动机。研究人员为永磁辅助磁阻电动机转子设计了多种结构，目的就是为了产生合适的磁场和磁阻效应扭矩。

　　宝马的研发方式

　　宝马注意到由于电动汽车的空间有限，电动汽车使用的电动机必须是功率输出高、扭矩大和重量轻;电动汽车的传动系统的效率直接影响着电动汽车时行驶里程。因为高电压电池价格昂贵，提高电池电量的利用率就成为了获取电动汽车最大行驶里程的重要因素。

　　永磁电动机能产生磁阻转矩和永磁转矩。宝马的2012年专利申请文件中有以下说明：永磁同步电动机能在多个磁体方向中(即不同的磁极方向中)产生一系列不同的电磁感应和与磁极方向相反的交叉电感;只要驱动电动机以合适的方式驱动，电动机就能产生磁阻转矩。这种磁阻转矩能对电动机永磁磁通产生的转矩相互补充。

　　简单地说来，宝马使用的电动机可归类为永磁同步电动机，但宝马对该电动机进行了精心的设计，并选择合适尺寸的零部件来制造，让其能产生自磁化效应;该自磁化效应原本只有磁阻电动机才能产生。自磁化效应带来的额外励磁效果能为电动机电流励磁提供有益的补充;在高速旋转时，两种励磁方式让其工作更加可靠。宝马i3使用的电动机的最高转速能达到11400转/分。

　　从前文的描述中，我们已经知道驱动电动机定子内的电流在磁场削弱的范围中起到了实质性电流分量地作用。定子内电流产生的磁场与永磁体的磁场相互排斥。虽然这样，但按照物理原理，永磁体材料的通量密度是不会衰减的，此磁通将被定子的磁场所排斥。定子和转子之间的气隙为转子铁芯磁通通道的形成提供了条件。

　　定子电流产生的磁通在定子和转子间沿着磁通通道循环流动，磁通通道又被称为磁口袋，存在着一个瓶口。这种瓶口现象将导致定子齿部的磁通通量密度变化，由此将进一步导致磁通密度的变化频率超过驱动电动机的频率。上述现象将导致较高的铁芯损耗，电动机的效率也将大幅度降低。在磁场削弱范围内，这种状况尤为明显，因此电动机必须按照其运行特性进行优化。

　　为了减少定子和转子间的磁通通量瓶口现象产生的损害，提高磁通通量的稳定性是一个被广泛接受的解决方法。而为了提高磁通通量的均衡性，只能增加磁层的数量。但增加磁层数量的方法却不实际————为了适应电动汽车的有限空间，磁层必须做得非常薄;但太薄的磁层在安装到电动机的凹槽里的过程中，极有可能被损坏，而且将让生产成本大幅上涨。

　　译注：本文中提到的磁层通常使用矽钢片制造，太薄的矽钢片，市场上很难买到，价格较高，而且在冲压过程中也很容易被折断或变形。这是我的工作经验。

　　宝马申请专利的目的就是制造一种用于电动汽车的驱动电动机;在磁场衰减范围内，该电动机的效率要好于其他电动机。这种电动机由一个定子和一个转子构成，至少有一个极对;该电动机的每个极对至少由一个内嵌磁层组成。按照宝马公司的专利申请文件的说明，该电动机的每个磁极都由多个充气转子凹坑形成的磁通感应组构成，这种磁极不会让每个磁层的磁场产生通量电导。

　　有了磁通感应组，研究人员可以一种简单而经济的方式让转子铁芯在气隙内形成的磁阻变得均匀一致。通过多个磁通感应组所产生的效应，研究人员可以抑制或最小化定子齿部磁通密度的变化。研究人员发现这种方法能大幅度地降低铁芯损耗，至少在磁场衰减范围内能达到此目的。这种方法通过压制驱动电动机定子和转子间的磁场通量流动来实现抑制定子齿部磁通密度的变化。

　　美国专利申请号：Nº2012/0267977

　　在专利申请文件中，宝马指出上述方法适用于多种驱动电动机;同时此方法也能降低生产成本，转子的凹槽能在冲压过程中一次性加工出来。

　　宝马还提到此方法能提高电动机在高速旋转时的效率，在使用当前同等电量电池的情况下，配置了宝马新型电动机的电动汽车能行驶更远的里程。

　　从另一方面来讲，即使电池电量下降，配置了宝马新型电动机的电动汽车的行驶里程还能达到原来的技术要求。因此，通过使用新型电动机，电动汽车的成本也能降下来————众所周知，而且在电动汽车的价格构成中，电池的成本占据了一大部分，使用小容量电池的电动汽车的成本比使用大容量电池的电动汽车将便宜不少。