寶馬公司為寶馬i3和寶馬i8配備了具有自主知識產(chǎn)權的eDrive混合式同步電動機，該電動機具有永磁電動機和磁阻電動機優(yōu)點。寶馬公司在這方面取得的進步似乎表明寶馬公司找到了一個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機的方法。

　　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機效率的方法————在電動機內(nèi)，轉(zhuǎn)子除了磁層，還有兩組由數(shù)個充氣轉(zhuǎn)子凹坑組成的磁通感應組。寶馬公司專利申請文件Nº2012/0267977。點擊此處看大圖。

　　寶馬i3汽車配置的驅(qū)動電動機重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;該電動機能輸出線性功率，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進行比較：日產(chǎn)公司在2011年生產(chǎn)的”Leaf”電動汽車配備的是永磁電動機，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：雖然對電動汽車而言，改善電池性能是降低電動汽車成本和提高運輸效率的主要方法;但改善電動汽車的驅(qū)動裝置(電動機、動力電子設備、傳動機構、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)先進的動力電子設備、電動機、熱量管理和傳動機構技術，美國能源部汽車技術辦公室制定了”先進動力電站設備和電動機”計劃;一旦該計劃取得成功，其先進性是現(xiàn)在技術所無法比擬的。動力電子設備和電動機作為電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的子系統(tǒng)，其重量、體積、效率和成本要嚴格要求，為了成功地研發(fā)出這些設備，使用更高功率密度和更低成本的小型電動機是關鍵。

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

　　廣義地說來，一個感應電動機就是向電動機的固定外定子線圈輸入交流電流，在定子線圈內(nèi)形成一個旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子繞組受該旋轉(zhuǎn)磁場的感應而產(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，交流感應電動機無需永磁磁鐵零件便能讓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。

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

　　另一方面，永磁電動機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。永磁電動機具有緊湊結構和高扭矩密度輸出的特點，并且能以較低電流來啟動。雖然如此，永磁體材料的成本是一個有待解決的問題，因為電動機旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量有可能對永磁體產(chǎn)生損害。

　　開關磁阻電動機結構簡單，動力充沛，看起來是一個成本最低的技術解決方案。但開關磁阻電動機有不少缺點，如轉(zhuǎn)矩波動高，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計新型電動機，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機，以及綜合各種電動機的技術優(yōu)點來設計混合式電動機。2012年出版的《電氣工程和技術雜志》就刊發(fā)了一篇論文，該論文專門對混合式電動機結構進行了分析。下面是該文章的一部分：

　　隨著技術的進步，人們在工業(yè)領域?qū)邆涠喾N技術特征的電動機的需求越來越多。因此，關于改進電動機的研究論文能在各種各樣的文獻中見到。依據(jù)這些文文獻資料的記載，新型電動機已被研制出來，對現(xiàn)存的各種電動機的研究也是鋪天蓋地。

　　在各種論文中，永磁電動機和磁阻電動機是最熱門的研究對象。研究人員已經(jīng)探討了各種結構的永磁電動機和磁阻電動機，并對此進行了試驗。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)新型永磁電動機的熱情日益高漲。永磁電動機的類型可分為永磁同步電動機和無刷直流電動機。在基本速率的條件下，永磁電動機的性能十分不錯，但永磁電動機的變速范圍十分小。

　　磁阻電動機沒有永磁體零部件，讓它沒有退磁風險，并能在高溫環(huán)境中正常工作。磁阻電動機的工作原理是基于磁阻原理，人們將其分為兩大類：開關磁阻電動機和同步磁阻電動機。

　　永磁輔助磁阻電動機是研究人員為了綜合永磁電動機和磁阻電動機的優(yōu)點而研發(fā)到新型電動機。永磁輔助磁阻電動機被認為具有高功率密度、高功率因數(shù)、高效率和變速范圍廣的技術優(yōu)點，現(xiàn)在永磁電動機已經(jīng)成為了十分引人注目的話題。永磁輔助電動機的扭矩由永磁磁場和磁阻效應共同產(chǎn)生，研究人員因此將永磁輔助電動機稱為混合式電動機。研究人員為永磁輔助磁阻電動機轉(zhuǎn)子設計了多種結構，目的就是為了產(chǎn)生合適的磁場和磁阻效應扭矩。

　　寶馬的研發(fā)方式

　　寶馬注意到由于電動汽車的空間有限，電動汽車使用的電動機必須是功率輸出高、扭矩大和重量輕;電動汽車的傳動系統(tǒng)的效率直接影響著電動汽車時行駛里程。因為高電壓電池價格昂貴，提高電池電量的利用率就成為了獲取電動汽車最大行駛里程的重要因素。

　　永磁電動機能產(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：永磁同步電動機能在多個磁體方向中(即不同的磁極方向中)產(chǎn)生一系列不同的電磁感應和與磁極方向相反的交叉電感;只要驅(qū)動電動機以合適的方式驅(qū)動，電動機就能產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩。這種磁阻轉(zhuǎn)矩能對電動機永磁磁通產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩相互補充。

　　簡單地說來，寶馬使用的電動機可歸類為永磁同步電動機，但寶馬對該電動機進行了精心的設計，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;該自磁化效應原本只有磁阻電動機才能產(chǎn)生。自磁化效應帶來的額外勵磁效果能為電動機電流勵磁提供有益的補充;在高速旋轉(zhuǎn)時，兩種勵磁方式讓其工作更加可靠。寶馬i3使用的電動機的最高轉(zhuǎn)速能達到11400轉(zhuǎn)/分。

　　從前文的描述中，我們已經(jīng)知道驅(qū)動電動機定子內(nèi)的電流在磁場削弱的范圍中起到了實質(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，磁通通道又被稱為磁口袋，存在著一個瓶口。這種瓶口現(xiàn)象將導致定子齒部的磁通通量密度變化，由此將進一步導致磁通密度的變化頻率超過驅(qū)動電動機的頻率。上述現(xiàn)象將導致較高的鐵芯損耗，電動機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，因此電動機必須按照其運行特性進行優(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)量的方法卻不實際————為了適應電動汽車的有限空間，磁層必須做得非常薄;但太薄的磁層在安裝到電動機的凹槽里的過程中，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。

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

　　有了磁通感應組，研究人員可以一種簡單而經(jīng)濟的方式讓轉(zhuǎn)子鐵芯在氣隙內(nèi)形成的磁阻變得均勻一致。通過多個磁通感應組所產(chǎn)生的效應，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)能達到此目的。這種方法通過壓制驅(qū)動電動機定子和轉(zhuǎn)子間的磁場通量流動來實現(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)動電動機;同時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機在高速旋轉(zhuǎn)時的效率，在使用當前同等電量電池的情況下，配置了寶馬新型電動機的電動汽車能行駛更遠的里程。

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