解密寶馬i3和i8制勝技術eDrive混合同步電機

寶馬為寶馬i3和寶馬i8配備了具有自主知識產權的eDrive混合動力同步電機，具有永磁電機和磁阻電機的優勢。寶馬在這方面取得的進展似乎表明，寶馬已經找到了一種通過使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機的方法。

下圖為2012年寶馬公司專利申請文件中的圖紙，其中顯示了一種提高電機效率的方法。在電機中，轉子除了磁層外，還有兩組磁通感應組，由幾個可充氣的轉子凹坑組成。寶馬公司的專利申請文件No2012/0267977。單擊此處查看大圖。

寶馬i3汽車配備了一臺重達50公斤的驅動電機，最大輸出功率為125千瓦，功率系數為2.5千瓦/公斤。該電機可輸出線性功率，速度范圍很高，最高轉速為11400轉/分。如果我們將日產聆風與寶馬i3進行比較，日產2011年生產的“聆風”電動汽車配備了永磁電機，重量為58公斤，額定輸出功率為80千瓦，功率系數為1.38千瓦/公斤。

背景：對于電動汽車來說，提高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。但改進電動汽車的驅動裝置（電機、電力電子設備、傳動機構、熱管理）也可以發揮很好的作用。

例如，為了專注于先進電力電子設備、電機、熱管理和傳動機構技術的研發，美國能源部汽車技術辦公室制定了“先進發電廠設備和電機”計劃；

該計劃一旦成功，其先進性是目前技術無法比擬的。電力電子設備和電機作為電動汽車驅動系統的子系統，對重量、體積、效率和成本都有嚴格的要求。為了成功開發這些設備，使用功率密度更高、成本更低的小型電機是關鍵。

有各種電機可以與電動汽車相匹配，包括直流電機、交流電機、感應電機、永磁電機、開關磁阻電機和軸流電機。除了特斯拉和豐田，所有其他主要汽車制造商都生產配備直流電機的電動汽車。特斯拉Model S配備了交流電機（據說特斯拉跑車也使用交流電機），豐田的電動汽車傳動系統由特斯拉設計。值得注意的是，在寶馬Mini-E電動汽車項目的首次測試中，寶馬還將測試中的Mini-E變成了交流電機驅動的汽車。

廣義上講，感應電動機將交流電流輸入電動機的固定外部定子線圈，在定子線圈中形成旋轉磁場，轉子繞組被旋轉磁場感應產生電流。隨著轉子繞組電流的產生，也產生了轉子繞組磁場，轉子繞組磁場被定子磁場吸引。簡而言之，轉子的感應電流和由此產生的磁場被定子線圈的磁場吸引，從而使定子旋轉并產生轉矩。可以看出，交流感應電機可以在沒有永磁體部件的情況下使轉子旋轉。

一般來說，感應電機的優點是可以大規模生產和使用，但不能滿足美國《汽車效率和能源可持續性驅動技術研究與創新》對成本、重量、體積和效率的要求。

另一方面，永磁電機將永磁體安裝或嵌入轉子中，其磁場與通電產生的定子線圈中的磁場相對應。永磁電機具有結構緊湊、輸出轉矩密度高、可低電流啟動的特點。然而，永磁體材料的成本是一個需要解決的問題，因為電動機旋轉產生的熱量可能會損壞永磁體。

開關磁阻電機結構簡單，功率大，是成本最低的技術方案。但開關磁阻電機存在轉矩波動大、噪聲大、功率因數低、效率低等缺點。

因此，研究人員一直致力于設計新型電機。他們的研究方法包括降低永磁體的負載，使用多種材料制造電機，以及通過整合各種電機的技術優勢來設計混合動力電機。2012年，《電氣工程與技術雜志》發表了一篇論文，專門分析了混合動力電機的結構。以下是文章的一部分：

隨著技術的進步，人們在工業領域對具有各種技術特征的電機有越來越多的需求。因此，關于改進電機的研究論文可以在各種文獻中看到。根據這些文件的記錄，已經開發出了新的電機，對現有電機的研究是壓倒性的。

在各種論文中，永磁電機和磁阻電機是最受歡迎的研究對象。研究人員對永磁電機和磁阻電機的各種結構進行了探索和測試。值得注意的是，隨著永磁材料性能的提高，研究人員對開發新型永磁電機的熱情越來越高。永磁電機的類型可分為永磁同步電機和無刷直流電機。在基本轉速條件下，永磁電機的性能很好，但永磁電機轉速范圍很小。

磁阻電機沒有永磁體部件，因此沒有退磁風險，可以在高溫環境下正常工作。磁阻電機的工作原理基于磁阻原理，可分為開關磁阻電機和同步磁阻電機兩類。

永磁輔助磁阻電機是研究人員為了綜合永磁電機和磁阻電機的優點而開發的一種新型電機。永磁輔助磁阻電機被認為具有高功率密度、高功率因數、高效率和寬……等技術優勢……

速度范圍。現在永磁電機已經成為一個非常有吸引力的話題。永磁輔助電動機的轉矩是由永磁場和磁阻效應產生的，因此研究人員將永磁輔助電機稱為混合電機。研究人員為永磁輔助磁阻電機的轉子設計了多種結構，以產生合適的磁場和磁阻效應轉矩。

寶馬的研發方法

寶馬注意到，由于電動汽車的空間有限，電動汽車中使用的電機必須具有高功率輸出、大扭矩和輕重量。電動汽車傳動系統的效率直接影響電動汽車的行駛里程。由于高壓電池價格昂貴，提高電池電量利用率已成為獲得電動汽車最大里程的重要因素。

永磁電機可以產生磁阻轉矩和永磁轉矩。寶馬2012年的專利申請指出，永磁同步電機可以在多個磁體方向上產生一系列不同的電磁電感和與磁極方向相反的交叉電感；只要驅動電機以適當的方式驅動，電機就可以產生磁阻轉矩。該磁阻轉矩可以補充由電動機的永磁通量產生的轉矩。

簡單地說，寶馬使用的電機可以歸類為永磁同步電機，但寶馬對電機進行了精心設計，并選擇了合適尺寸的零件進行制造，使其能夠產生自磁化效應；這種自磁化效應只能由磁阻電機產生。自磁化效應帶來的附加激勵效應可以為電機電流激勵提供有益的補充；當高速旋轉時，兩種激勵模式使其工作更加可靠。寶馬i3使用的電機最高轉速可達11400轉/分。

從前面的描述中，我們已經知道驅動電機定子中的電流在削弱磁場的范圍中起著重要作用。定子中的電流產生的磁場和永磁體的磁場相互排斥。即便如此，根據物理原理，永磁體材料的磁通密度不會衰減，并且這種磁通會被定子的磁場排斥。定子和轉子之間的氣隙為轉子鐵心磁通通道的形成提供了條件。

定子電流產生的磁通量沿著磁通通道在定子和轉子之間循環，磁通通道也稱為磁袋，有一個瓶口。這種瓶頸現象會導致定子齒的磁通密度發生變化，進而導致磁通密度的變化頻率超過驅動電機的頻率。上述現象將導致高的鐵芯損耗，并且電機的效率將大大降低。這種情況在磁場減弱的范圍內尤為明顯，因此必須根據電機的運行特性對其進行優化。

為了減少定子和轉子之間磁通瓶頸現象造成的損壞，提高磁通的穩定性是一種被廣泛接受的解決方案。為了改善磁通的平衡，我們只能增加磁性層的數量。但增加磁層數量的方法并不實用，為了適應電動汽車有限的空間，磁層必須做得很薄；然而，太薄的磁性層在安裝在電機的凹槽中時很可能會損壞，生產成本會急劇上升。

注意：本文中提到的磁性層通常由硅鋼片制成，硅鋼片太薄，在市場上很難買到，而且價格很高，在沖壓過程中也很容易斷裂或變形。這是我的工作經驗。

寶馬申請專利的目的是制造電動汽車的驅動電機；在磁場衰減范圍內，該電機的效率優于其他電機。這種電機由定子和轉子組成，至少有一對極；

電機的每個極對由至少一個嵌入的磁性層組成。根據寶馬的專利申請文件，電機的每個磁極由多個充氣轉子凹坑形成的磁通感應組組成，該磁極不會使每個磁層的磁場產生磁通電導。

通過磁通感應組，研究人員可以以簡單經濟的方式使轉子鐵芯在氣隙中形成的磁阻均勻。通過多個磁通感應組的作用，研究人員可以抑制或最小化定子齒中磁通密度的變化。研究人員發現，這種方法可以大大降低磁芯損耗，至少在磁場衰減的范圍內是這樣。該方法通過抑制驅動電機的定子和轉子之間的磁通流來抑制定子齒的磁通密度的變化。

美國專利申請號：No2012/0267977

寶馬在專利申請文件中指出，上述方法適用于多種驅動電機；同時，這種方法還可以降低生產成本，并且在沖壓過程中可以一次性加工出轉子的凹槽。

寶馬還提到，這種方法可以提高電機在高速旋轉時的效率。在使用相同電量的現有電池的情況下，配備寶馬新電機的電動汽車可以行駛得更遠。

另一方面，即使電池電量下降，搭載寶馬新電機的電動汽車的里程數仍能滿足原始技術要求。因此，通過使用新型電機，電動汽車的成本也可以降低，眾所周知，電池的成本在電動汽車的價格構成中占很大一部分，使用小容量電池的電動汽車成本將比使用大容量電池便宜得多。寶馬為寶馬i3和寶馬i8配備了具有自主知識產權的eDrive混合動力同步電機，具有永磁電機和磁阻電機的優勢。寶馬在這方面取得的進展似乎表明，寶馬已經找到了一種通過使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機的方法。

下圖為2012年寶馬公司專利申請文件中的圖紙，其中顯示了一種提高電機效率的方法。在電機中，轉子除了磁層外，還有兩組磁通感應組，由幾個可充氣的轉子凹坑組成。寶馬公司的專利申請文件No2012/0267977。單擊此處查看大圖。

寶馬i3汽車配備了一臺重達50公斤的驅動電機，最大輸出功率為125千瓦，功率系數為2.5千瓦/公斤。該電機可輸出線性功率，速度范圍很高，最高轉速為11400轉/分。如果我們將日產聆風與寶馬i3進行比較，日產2011年生產的“聆風”電動汽車配備了永磁電機，重量為58公斤，額定輸出功率為80千瓦，功率系數為1.38千瓦/公斤。

背景：對于電動汽車來說，提高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。但改進電動汽車的驅動裝置（電機、電力電子設備、傳動機構、熱管理）也可以發揮很好的作用。

例如，為了專注于先進電力電子設備、電機、熱管理和傳動機構技術的研發，美國能源部汽車技術辦公室制定了“先進發電廠設備和電機”計劃；

該計劃一旦成功，其先進性是目前技術無法比擬的。電力電子設備和電機作為電動汽車驅動系統的子系統，對重量、體積、效率和成本都有嚴格的要求。為了成功開發這些設備，使用功率密度更高、成本更低的小型電機是關鍵。

有各種電機可以與電動汽車相匹配，包括直流電機、交流電機、感應電機、永磁電機、開關磁阻電機和軸流電機。除了特斯拉和豐田，所有其他主要汽車制造商都生產配備直流電機的電動汽車。特斯拉Model S配備了交流電機（據說特斯拉跑車也使用交流電機），豐田的電動汽車傳動系統由特斯拉設計。值得注意的是，在寶馬Mini-E電動汽車項目的首次測試中，寶馬還將測試中的Mini-E變成了交流電機驅動的汽車。

廣義上講，感應電動機將交流電流輸入電動機的固定外部定子線圈，在定子線圈中形成旋轉磁場，轉子繞組被旋轉磁場感應產生電流。隨著轉子繞組電流的產生，也產生了轉子繞組磁場，轉子繞組磁場被定子磁場吸引。簡而言之，轉子的感應電流和由此產生的磁場被定子線圈的磁場吸引，從而使定子旋轉并產生轉矩。可以看出，交流感應電機可以在沒有永磁體部件的情況下使轉子旋轉。

一般來說，感應電機的優點是可以大規模生產和使用，但不能滿足美國《汽車效率和能源可持續性驅動技術研究與創新》對成本、重量、體積和效率的要求。

另一方面，永磁電機將永磁體安裝或嵌入轉子中，其磁場與通電產生的定子線圈中的磁場相對應。永磁電機具有結構緊湊、輸出轉矩密度高、可低電流啟動的特點。然而，永磁體材料的成本是一個需要解決的問題，因為電動機旋轉產生的熱量可能會損壞永磁體。

開關磁阻電機結構簡單，功率大，是成本最低的技術方案。但開關磁阻電機存在轉矩波動大、噪聲大、功率因數低、效率低等缺點。

因此，研究人員一直致力于設計新型電機。他們的研究方法包括降低永磁體的負載，使用多種材料制造電機，以及通過整合各種電機的技術優勢來設計混合動力電機。2012年，《電氣工程與技術雜志》發表了一篇論文，專門分析了混合動力電機的結構。以下是文章的一部分：

隨著技術的進步，人們在工業領域對具有各種技術特征的電機有越來越多的需求。因此，關于改進電機的研究論文可以在各種文獻中看到。根據這些文件的記錄，已經開發出了新的電機，對現有電機的研究是壓倒性的。

在各種論文中，永磁電機和磁阻電機是最受歡迎的研究對象。研究人員對永磁電機和磁阻電機的各種結構進行了探索和測試。值得注意的是，隨著永磁材料性能的提高，研究人員對開發新型永磁電機的熱情越來越高。永磁電機的類型可分為永磁同步電機和無刷直流電機。在基本轉速條件下，永磁電機的性能很好，但永磁電機轉速范圍很小。

磁阻電機沒有永磁體部件，因此沒有退磁風險，可以在高溫環境下正常工作。磁阻電機的工作原理基于磁阻原理，可分為開關磁阻電機和同步磁阻電機兩類。

永磁輔助磁阻電機是研究人員為了綜合永磁電機和磁阻電機的優點而開發的一種新型電機。永磁輔助磁阻電機被認為具有高功率密度、高功率因數、高效率和寬……等技術優勢……

速度范圍。現在永磁電機已經成為一個非常有吸引力的話題。永磁輔助電動機的轉矩是由永磁場和磁阻效應產生的，因此研究人員將永磁輔助電機稱為混合電機。研究人員為永磁輔助磁阻電機的轉子設計了多種結構，以產生合適的磁場和磁阻效應轉矩。

寶馬的研發方法

寶馬注意到，由于電動汽車的空間有限，電動汽車中使用的電機必須具有高功率輸出、大扭矩和輕重量。電動汽車傳動系統的效率直接影響電動汽車的行駛里程。由于高壓電池價格昂貴，提高電池電量利用率已成為獲得電動汽車最大里程的重要因素。

永磁電機可以產生磁阻轉矩和永磁轉矩。寶馬2012年的專利申請指出，永磁同步電機可以在多個磁體方向上產生一系列不同的電磁電感和與磁極方向相反的交叉電感；只要驅動電機以適當的方式驅動，電機就可以產生磁阻轉矩。該磁阻轉矩可以補充由電動機的永磁通量產生的轉矩。

簡單地說，寶馬使用的電機可以歸類為永磁同步電機，但寶馬對電機進行了精心設計，并選擇了合適尺寸的零件進行制造，使其能夠產生自磁化效應；這種自磁化效應只能由磁阻電機產生。自磁化效應帶來的附加激勵效應可以為電機電流激勵提供有益的補充；當高速旋轉時，兩種激勵模式使其工作更加可靠。寶馬i3使用的電機最高轉速可達11400轉/分。

從前面的描述中，我們已經知道驅動電機定子中的電流在削弱磁場的范圍中起著重要作用。定子中的電流產生的磁場和永磁體的磁場相互排斥。即便如此，根據物理原理，永磁體材料的磁通密度不會衰減，并且這種磁通會被定子的磁場排斥。定子和轉子之間的氣隙為轉子鐵心磁通通道的形成提供了條件。

定子電流產生的磁通量沿著磁通通道在定子和轉子之間循環，磁通通道也稱為磁袋，有一個瓶口。這種瓶頸現象會導致定子齒的磁通密度發生變化，進而導致磁通密度的變化頻率超過驅動電機的頻率。上述現象將導致高的鐵芯損耗，并且電機的效率將大大降低。這種情況在磁場減弱的范圍內尤為明顯，因此必須根據電機的運行特性對其進行優化。

為了減少定子和轉子之間磁通瓶頸現象造成的損壞，提高磁通的穩定性是一種被廣泛接受的解決方案。為了改善磁通的平衡，我們只能增加磁性層的數量。但增加磁層數量的方法并不實用，為了適應電動汽車有限的空間，磁層必須做得很薄；然而，太薄的磁性層在安裝在電機的凹槽中時很可能會損壞，生產成本會急劇上升。

注意：本文中提到的磁性層通常由硅鋼片制成，硅鋼片太薄，在市場上很難買到，而且價格很高，在沖壓過程中也很容易斷裂或變形。這是我的工作經驗。

寶馬申請專利的目的是制造電動汽車的驅動電機；在磁場衰減范圍內，該電機的效率優于其他電機。這種電機由定子和轉子組成，至少有一對極；

電機的每個極對由至少一個嵌入的磁性層組成。根據寶馬的專利申請文件，電機的每個磁極由多個充氣轉子凹坑形成的磁通感應組組成，該磁極不會使每個磁層的磁場產生磁通電導。

通過磁通感應組，研究人員可以以簡單經濟的方式使轉子鐵芯在氣隙中形成的磁阻均勻。通過多個磁通感應組的作用，研究人員可以抑制或最小化定子齒中磁通密度的變化。研究人員發現，這種方法可以大大降低磁芯損耗，至少在磁場衰減的范圍內是這樣。該方法通過抑制驅動電機的定子和轉子之間的磁通流來抑制定子齒的磁通密度的變化。

美國專利申請號：No2012/0267977

寶馬在專利申請文件中指出，上述方法適用于多種驅動電機；同時，這種方法還可以降低生產成本，并且在沖壓過程中可以一次性加工出轉子的凹槽。

寶馬還提到，這種方法可以提高電機在高速旋轉時的效率。在使用相同電量的現有電池的情況下，配備寶馬新電機的電動汽車可以行駛得更遠。

另一方面，即使電池電量下降，搭載寶馬新電機的電動汽車的里程數仍能滿足原始技術要求。因此，通過使用新型電機，電動汽車的成本也可以降低，眾所周知，電池的成本在電動汽車的價格構成中占很大一部分，使用小容量電池的電動汽車成本將比使用大容量電池便宜得多。

標簽：寶馬寶馬i3豐田日產發現

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