寶馬公司為寶馬i3和寶馬i8配備了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的eDrive混合式同步電動(dòng)機(jī)，該電動(dòng)機(jī)具有永磁電動(dòng)機(jī)和磁阻電動(dòng)機(jī)優(yōu)點(diǎn)。寶馬公司在這方面取得的進(jìn)步似乎表明寶馬公司找到了一個(gè)利用含有較少稀土材料的磁體來制造高功率密度和高效率電動(dòng)機(jī)的方法。

　　下圖為寶馬公司2012年專利申請文件中的圖紙，該圖紙顯示一種能提高電動(dòng)機(jī)效率的方法————在電動(dòng)機(jī)內(nèi)，轉(zhuǎn)子除了磁層，還有兩組由數(shù)個(gè)充氣轉(zhuǎn)子凹坑組成的磁通感應(yīng)組。寶馬公司專利申請文件Nº2012/0267977。點(diǎn)擊此處看大圖。

　　寶馬i3汽車配置的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)重50千克，最大輸出功率為125千瓦，功率系數(shù)為2.5千瓦/千克;該電動(dòng)機(jī)能輸出線性功率，轉(zhuǎn)速范圍較高，其最高轉(zhuǎn)速為11400轉(zhuǎn)/分。如果將日產(chǎn)Leaf與寶馬i3進(jìn)行比較：日產(chǎn)公司在2011年生產(chǎn)的”Leaf”電動(dòng)汽車配備的是永磁電動(dòng)機(jī)，其重量為58千克，額定輸出功率為80千瓦，功率系數(shù)為1.38千瓦/千克。

　　背景：雖然對電動(dòng)汽車而言，改善電池性能是降低電動(dòng)汽車成本和提高運(yùn)輸效率的主要方法;但改善電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)裝置(電動(dòng)機(jī)、動(dòng)力電子設(shè)備、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、熱量管理)也能起到非常好的效果。

　　例如，為了集中力量研發(fā)先進(jìn)的動(dòng)力電子設(shè)備、電動(dòng)機(jī)、熱量管理和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)技術(shù)，美國能源部汽車技術(shù)辦公室制定了”先進(jìn)動(dòng)力電站設(shè)備和電動(dòng)機(jī)”計(jì)劃;一旦該計(jì)劃取得成功，其先進(jìn)性是現(xiàn)在技術(shù)所無法比擬的。動(dòng)力電子設(shè)備和電動(dòng)機(jī)作為電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的子系統(tǒng)，其重量、體積、效率和成本要嚴(yán)格要求，為了成功地研發(fā)出這些設(shè)備，使用更高功率密度和更低成本的小型電動(dòng)機(jī)是關(guān)鍵。

　　能匹配到電動(dòng)汽車上的電動(dòng)機(jī)多種多樣，包括直流電動(dòng)機(jī)、交流電動(dòng)機(jī)、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、永磁電動(dòng)機(jī)、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)和軸向磁通電動(dòng)機(jī)。除了Tesla和豐田，其他所有主要汽車生產(chǎn)廠商制造的電動(dòng)汽車均配備直流電動(dòng)機(jī)。Tesla Model S配備交流電動(dòng)機(jī)(據(jù)說Tesla Roadster也使用交流電動(dòng)機(jī))，而豐田的電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)就是采用Tesla公司的設(shè)計(jì)。值得注意的是，寶馬在其Mini-E電動(dòng)汽車項(xiàng)目的首次試驗(yàn)中，寶馬也讓試驗(yàn)中的Mini-E成為了交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車。

　　廣義地說來，一個(gè)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)就是向電動(dòng)機(jī)的固定外定子線圈輸入交流電流，在定子線圈內(nèi)形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子繞組受該旋轉(zhuǎn)磁場的感應(yīng)而產(chǎn)生電流，隨著轉(zhuǎn)子繞組電流的產(chǎn)生，轉(zhuǎn)子繞組磁場也隨之產(chǎn)生，轉(zhuǎn)子繞組的磁場受到定子磁場的吸引。簡而言之，轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電流和隨之產(chǎn)生的磁場被定子線圈磁場所吸引，由此讓定子旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生扭矩。由此可見，交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)無需永磁磁鐵零件便能讓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　總體而言，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢就是能被大規(guī)模生產(chǎn)和使用，但感應(yīng)電動(dòng)機(jī)不能滿足美國《關(guān)于汽車效率和能源可持續(xù)性的駕駛技術(shù)研究和創(chuàng)新》的在成本、重量、體積和效率方面的要求。

　　另一方面，永磁電動(dòng)機(jī)將永磁體裝入到或嵌入轉(zhuǎn)子，其磁場與通電產(chǎn)生的定子線圈內(nèi)磁場相對應(yīng)。永磁電動(dòng)機(jī)具有緊湊結(jié)構(gòu)和高扭矩密度輸出的特點(diǎn)，并且能以較低電流來啟動(dòng)。雖然如此，永磁體材料的成本是一個(gè)有待解決的問題，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量有可能對永磁體產(chǎn)生損害。

　　開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，動(dòng)力充沛，看起來是一個(gè)成本最低的技術(shù)解決方案。但開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)有不少缺點(diǎn)，如轉(zhuǎn)矩波動(dòng)高，噪音大、功率因數(shù)低和效率低。

　　因此，研究人員一直致力于設(shè)計(jì)新型電動(dòng)機(jī)，他們的研究方法有減少永磁體的載荷，使用多種材料來制造電動(dòng)機(jī)，以及綜合各種電動(dòng)機(jī)的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)來設(shè)計(jì)混合式電動(dòng)機(jī)。2012年出版的《電氣工程和技術(shù)雜志》就刊發(fā)了一篇論文，該論文專門對混合式電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。下面是該文章的一部分：

　　隨著技術(shù)的進(jìn)步，人們在工業(yè)領(lǐng)域?qū)邆涠喾N技術(shù)特征的電動(dòng)機(jī)的需求越來越多。因此，關(guān)于改進(jìn)電動(dòng)機(jī)的研究論文能在各種各樣的文獻(xiàn)中見到。依據(jù)這些文文獻(xiàn)資料的記載，新型電動(dòng)機(jī)已被研制出來，對現(xiàn)存的各種電動(dòng)機(jī)的研究也是鋪天蓋地。

　　在各種論文中，永磁電動(dòng)機(jī)和磁阻電動(dòng)機(jī)是最熱門的研究對象。研究人員已經(jīng)探討了各種結(jié)構(gòu)的永磁電動(dòng)機(jī)和磁阻電動(dòng)機(jī)，并對此進(jìn)行了試驗(yàn)。值得注意的是，隨著永磁材料的性能的提高，研究人員開發(fā)新型永磁電動(dòng)機(jī)的熱情日益高漲。永磁電動(dòng)機(jī)的類型可分為永磁同步電動(dòng)機(jī)和無刷直流電動(dòng)機(jī)。在基本速率的條件下，永磁電動(dòng)機(jī)的性能十分不錯(cuò)，但永磁電動(dòng)機(jī)的變速范圍十分小。

　　磁阻電動(dòng)機(jī)沒有永磁體零部件，讓它沒有退磁風(fēng)險(xiǎn)，并能在高溫環(huán)境中正常工作。磁阻電動(dòng)機(jī)的工作原理是基于磁阻原理，人們將其分為兩大類：開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)和同步磁阻電動(dòng)機(jī)。

　　永磁輔助磁阻電動(dòng)機(jī)是研究人員為了綜合永磁電動(dòng)機(jī)和磁阻電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)而研發(fā)到新型電動(dòng)機(jī)。永磁輔助磁阻電動(dòng)機(jī)被認(rèn)為具有高功率密度、高功率因數(shù)、高效率和變速范圍廣的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在永磁電動(dòng)機(jī)已經(jīng)成為了十分引人注目的話題。永磁輔助電動(dòng)機(jī)的扭矩由永磁磁場和磁阻效應(yīng)共同產(chǎn)生，研究人員因此將永磁輔助電動(dòng)機(jī)稱為混合式電動(dòng)機(jī)。研究人員為永磁輔助磁阻電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)了多種結(jié)構(gòu)，目的就是為了產(chǎn)生合適的磁場和磁阻效應(yīng)扭矩。

　　寶馬的研發(fā)方式

　　寶馬注意到由于電動(dòng)汽車的空間有限，電動(dòng)汽車使用的電動(dòng)機(jī)必須是功率輸出高、扭矩大和重量輕;電動(dòng)汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)的效率直接影響著電動(dòng)汽車時(shí)行駛里程。因?yàn)楦唠妷弘姵貎r(jià)格昂貴，提高電池電量的利用率就成為了獲取電動(dòng)汽車最大行駛里程的重要因素。

　　永磁電動(dòng)機(jī)能產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩和永磁轉(zhuǎn)矩。寶馬的2012年專利申請文件中有以下說明：永磁同步電動(dòng)機(jī)能在多個(gè)磁體方向中(即不同的磁極方向中)產(chǎn)生一系列不同的電磁感應(yīng)和與磁極方向相反的交叉電感;只要驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)以合適的方式驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)就能產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩。這種磁阻轉(zhuǎn)矩能對電動(dòng)機(jī)永磁磁通產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩相互補(bǔ)充。

　　簡單地說來，寶馬使用的電動(dòng)機(jī)可歸類為永磁同步電動(dòng)機(jī)，但寶馬對該電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了精心的設(shè)計(jì)，并選擇合適尺寸的零部件來制造，讓其能產(chǎn)生自磁化效應(yīng);該自磁化效應(yīng)原本只有磁阻電動(dòng)機(jī)才能產(chǎn)生。自磁化效應(yīng)帶來的額外勵(lì)磁效果能為電動(dòng)機(jī)電流勵(lì)磁提供有益的補(bǔ)充;在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩種勵(lì)磁方式讓其工作更加可靠。寶馬i3使用的電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速能達(dá)到11400轉(zhuǎn)/分。

　　從前文的描述中，我們已經(jīng)知道驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)定子內(nèi)的電流在磁場削弱的范圍中起到了實(shí)質(zhì)性電流分量地作用。定子內(nèi)電流產(chǎn)生的磁場與永磁體的磁場相互排斥。雖然這樣，但按照物理原理，永磁體材料的通量密度是不會(huì)衰減的，此磁通將被定子的磁場所排斥。定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙為轉(zhuǎn)子鐵芯磁通通道的形成提供了條件。

　　定子電流產(chǎn)生的磁通在定子和轉(zhuǎn)子間沿著磁通通道循環(huán)流動(dòng)，磁通通道又被稱為磁口袋，存在著一個(gè)瓶口。這種瓶口現(xiàn)象將導(dǎo)致定子齒部的磁通通量密度變化，由此將進(jìn)一步導(dǎo)致磁通密度的變化頻率超過驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的頻率。上述現(xiàn)象將導(dǎo)致較高的鐵芯損耗，電動(dòng)機(jī)的效率也將大幅度降低。在磁場削弱范圍內(nèi)，這種狀況尤為明顯，因此電動(dòng)機(jī)必須按照其運(yùn)行特性進(jìn)行優(yōu)化。

　　為了減少定子和轉(zhuǎn)子間的磁通通量瓶口現(xiàn)象產(chǎn)生的損害，提高磁通通量的穩(wěn)定性是一個(gè)被廣泛接受的解決方法。而為了提高磁通通量的均衡性，只能增加磁層的數(shù)量。但增加磁層數(shù)量的方法卻不實(shí)際————為了適應(yīng)電動(dòng)汽車的有限空間，磁層必須做得非常薄;但太薄的磁層在安裝到電動(dòng)機(jī)的凹槽里的過程中，極有可能被損壞，而且將讓生產(chǎn)成本大幅上漲。

　　譯注：本文中提到的磁層通常使用矽鋼片制造，太薄的矽鋼片，市場上很難買到，價(jià)格較高，而且在沖壓過程中也很容易被折斷或變形。這是我的工作經(jīng)驗(yàn)。

　　寶馬申請專利的目的就是制造一種用于電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī);在磁場衰減范圍內(nèi)，該電動(dòng)機(jī)的效率要好于其他電動(dòng)機(jī)。這種電動(dòng)機(jī)由一個(gè)定子和一個(gè)轉(zhuǎn)子構(gòu)成，至少有一個(gè)極對;該電動(dòng)機(jī)的每個(gè)極對至少由一個(gè)內(nèi)嵌磁層組成。按照寶馬公司的專利申請文件的說明，該電動(dòng)機(jī)的每個(gè)磁極都由多個(gè)充氣轉(zhuǎn)子凹坑形成的磁通感應(yīng)組構(gòu)成，這種磁極不會(huì)讓每個(gè)磁層的磁場產(chǎn)生通量電導(dǎo)。

　　有了磁通感應(yīng)組，研究人員可以一種簡單而經(jīng)濟(jì)的方式讓轉(zhuǎn)子鐵芯在氣隙內(nèi)形成的磁阻變得均勻一致。通過多個(gè)磁通感應(yīng)組所產(chǎn)生的效應(yīng)，研究人員可以抑制或最小化定子齒部磁通密度的變化。研究人員發(fā)現(xiàn)這種方法能大幅度地降低鐵芯損耗，至少在磁場衰減范圍內(nèi)能達(dá)到此目的。這種方法通過壓制驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)定子和轉(zhuǎn)子間的磁場通量流動(dòng)來實(shí)現(xiàn)抑制定子齒部磁通密度的變化。

　　美國專利申請?zhí)枺篘º2012/0267977

　　在專利申請文件中，寶馬指出上述方法適用于多種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī);同時(shí)此方法也能降低生產(chǎn)成本，轉(zhuǎn)子的凹槽能在沖壓過程中一次性加工出來。

　　寶馬還提到此方法能提高電動(dòng)機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的效率，在使用當(dāng)前同等電量電池的情況下，配置了寶馬新型電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)汽車能行駛更遠(yuǎn)的里程。

　　從另一方面來講，即使電池電量下降，配置了寶馬新型電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)汽車的行駛里程還能達(dá)到原來的技術(shù)要求。因此，通過使用新型電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)汽車的成本也能降下來————眾所周知，而且在電動(dòng)汽車的價(jià)格構(gòu)成中，電池的成本占據(jù)了一大部分，使用小容量電池的電動(dòng)汽車的成本比使用大容量電池的電動(dòng)汽車將便宜不少。