解密宝马i3和i8制胜技术eDrive混合同步电机

宝马为宝马i3和宝马i8配备了具有自主知识产权的eDrive混合动力同步电机，具有永磁电机和磁阻电机的优势。宝马在这方面取得的进展似乎表明，宝马已经找到了一种通过使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机的方法。

下图为2012年宝马公司专利申请文件中的图纸，其中显示了一种提高电机效率的方法。在电机中，转子除了磁层外，还有两组磁通感应组，由几个可充气的转子凹坑组成。宝马公司的专利申请文件No2012/0267977。单击此处查看大图。

宝马i3汽车配备了一台重达50公斤的驱动电机，最大输出功率为125千瓦，功率系数为2.5千瓦/公斤。该电机可输出线性功率，速度范围很高，最高转速为11400转/分。如果我们将日产聆风与宝马i3进行比较，日产2011年生产的“聆风”电动汽车配备了永磁电机，重量为58公斤，额定输出功率为80千瓦，功率系数为1.38千瓦/公斤。

背景：对于电动汽车来说，提高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。但改进电动汽车的驱动装置（电机、电力电子设备、传动机构、热管理）也可以发挥很好的作用。

例如，为了专注于先进电力电子设备、电机、热管理和传动机构技术的研发，美国能源部汽车技术办公室制定了“先进发电厂设备和电机”计划；

该计划一旦成功，其先进性是目前技术无法比拟的。电力电子设备和电机作为电动汽车驱动系统的子系统，对重量、体积、效率和成本都有严格的要求。为了成功开发这些设备，使用功率密度更高、成本更低的小型电机是关键。

有各种电机可以与电动汽车相匹配，包括直流电机、交流电机、感应电机、永磁电机、开关磁阻电机和轴流电机。除了特斯拉和丰田，所有其他主要汽车制造商都生产配备直流电机的电动汽车。特斯拉Model S配备了交流电机（据说特斯拉跑车也使用交流电机），丰田的电动汽车传动系统由特斯拉设计。值得注意的是，在宝马Mini-E电动汽车项目的首次测试中，宝马还将测试中的Mini-E变成了交流电机驱动的汽车。

广义上讲，感应电动机将交流电流输入电动机的固定外部定子线圈，在定子线圈中形成旋转磁场，转子绕组被旋转磁场感应产生电流。随着转子绕组电流的产生，也产生了转子绕组磁场，转子绕组磁场被定子磁场吸引。简而言之，转子的感应电流和由此产生的磁场被定子线圈的磁场吸引，从而使定子旋转并产生转矩。可以看出，交流感应电机可以在没有永磁体部件的情况下使转子旋转。

一般来说，感应电机的优点是可以大规模生产和使用，但不能满足美国《汽车效率和能源可持续性驱动技术研究与创新》对成本、重量、体积和效率的要求。

另一方面，永磁电机将永磁体安装或嵌入转子中，其磁场与通电产生的定子线圈中的磁场相对应。永磁电机具有结构紧凑、输出转矩密度高、可低电流启动的特点。然而，永磁体材料的成本是一个需要解决的问题，因为电动机旋转产生的热量可能会损坏永磁体。

开关磁阻电机结构简单，功率大，是成本最低的技术方案。但开关磁阻电机存在转矩波动大、噪声大、功率因数低、效率低等缺点。

因此，研究人员一直致力于设计新型电机。他们的研究方法包括降低永磁体的负载，使用多种材料制造电机，以及通过整合各种电机的技术优势来设计混合动力电机。2012年，《电气工程与技术杂志》发表了一篇论文，专门分析了混合动力电机的结构。以下是文章的一部分：

随着技术的进步，人们在工业领域对具有各种技术特征的电机有越来越多的需求。因此，关于改进电机的研究论文可以在各种文献中看到。根据这些文件的记录，已经开发出了新的电机，对现有电机的研究是压倒性的。

在各种论文中，永磁电机和磁阻电机是最受欢迎的研究对象。研究人员对永磁电机和磁阻电机的各种结构进行了探索和测试。值得注意的是，随着永磁材料性能的提高，研究人员对开发新型永磁电机的热情越来越高。永磁电机的类型可分为永磁同步电机和无刷直流电机。在基本转速条件下，永磁电机的性能很好，但永磁电机转速范围很小。

磁阻电机没有永磁体部件，因此没有退磁风险，可以在高温环境下正常工作。磁阻电机的工作原理基于磁阻原理，可分为开关磁阻电机和同步磁阻电机两类。

永磁辅助磁阻电机是研究人员为了综合永磁电机和磁阻电机的优点而开发的一种新型电机。永磁辅助磁阻电机被认为具有高功率密度、高功率因数、高效率和宽……等技术优势……

速度范围。现在永磁电机已经成为一个非常有吸引力的话题。永磁辅助电动机的转矩是由永磁场和磁阻效应产生的，因此研究人员将永磁辅助电机称为混合电机。研究人员为永磁辅助磁阻电机的转子设计了多种结构，以产生合适的磁场和磁阻效应转矩。

宝马的研发方法

宝马注意到，由于电动汽车的空间有限，电动汽车中使用的电机必须具有高功率输出、大扭矩和轻重量。电动汽车传动系统的效率直接影响电动汽车的行驶里程。由于高压电池价格昂贵，提高电池电量利用率已成为获得电动汽车最大里程的重要因素。

永磁电机可以产生磁阻转矩和永磁转矩。宝马2012年的专利申请指出，永磁同步电机可以在多个磁体方向上产生一系列不同的电磁电感和与磁极方向相反的交叉电感；只要驱动电机以适当的方式驱动，电机就可以产生磁阻转矩。该磁阻转矩可以补充由电动机的永磁通量产生的转矩。

简单地说，宝马使用的电机可以归类为永磁同步电机，但宝马对电机进行了精心设计，并选择了合适尺寸的零件进行制造，使其能够产生自磁化效应；这种自磁化效应只能由磁阻电机产生。自磁化效应带来的附加激励效应可以为电机电流激励提供有益的补充；当高速旋转时，两种激励模式使其工作更加可靠。宝马i3使用的电机最高转速可达11400转/分。

从前面的描述中，我们已经知道驱动电机定子中的电流在削弱磁场的范围中起着重要作用。定子中的电流产生的磁场和永磁体的磁场相互排斥。即便如此，根据物理原理，永磁体材料的磁通密度不会衰减，并且这种磁通会被定子的磁场排斥。定子和转子之间的气隙为转子铁心磁通通道的形成提供了条件。

定子电流产生的磁通量沿着磁通通道在定子和转子之间循环，磁通通道也称为磁袋，有一个瓶口。这种瓶颈现象会导致定子齿的磁通密度发生变化，进而导致磁通密度的变化频率超过驱动电机的频率。上述现象将导致高的铁芯损耗，并且电机的效率将大大降低。这种情况在磁场减弱的范围内尤为明显，因此必须根据电机的运行特性对其进行优化。

为了减少定子和转子之间磁通瓶颈现象造成的损坏，提高磁通的稳定性是一种被广泛接受的解决方案。为了改善磁通的平衡，我们只能增加磁性层的数量。但增加磁层数量的方法并不实用，为了适应电动汽车有限的空间，磁层必须做得很薄；然而，太薄的磁性层在安装在电机的凹槽中时很可能会损坏，生产成本会急剧上升。

注意：本文中提到的磁性层通常由硅钢片制成，硅钢片太薄，在市场上很难买到，而且价格很高，在冲压过程中也很容易断裂或变形。这是我的工作经验。

宝马申请专利的目的是制造电动汽车的驱动电机；在磁场衰减范围内，该电机的效率优于其他电机。这种电机由定子和转子组成，至少有一对极；

电机的每个极对由至少一个嵌入的磁性层组成。根据宝马的专利申请文件，电机的每个磁极由多个充气转子凹坑形成的磁通感应组组成，该磁极不会使每个磁层的磁场产生磁通电导。

通过磁通感应组，研究人员可以以简单经济的方式使转子铁芯在气隙中形成的磁阻均匀。通过多个磁通感应组的作用，研究人员可以抑制或最小化定子齿中磁通密度的变化。研究人员发现，这种方法可以大大降低磁芯损耗，至少在磁场衰减的范围内是这样。该方法通过抑制驱动电机的定子和转子之间的磁通流来抑制定子齿的磁通密度的变化。

美国专利申请号：No2012/0267977

宝马在专利申请文件中指出，上述方法适用于多种驱动电机；同时，这种方法还可以降低生产成本，并且在冲压过程中可以一次性加工出转子的凹槽。

宝马还提到，这种方法可以提高电机在高速旋转时的效率。在使用相同电量的现有电池的情况下，配备宝马新电机的电动汽车可以行驶得更远。

另一方面，即使电池电量下降，搭载宝马新电机的电动汽车的里程数仍能满足原始技术要求。因此，通过使用新型电机，电动汽车的成本也可以降低，众所周知，电池的成本在电动汽车的价格构成中占很大一部分，使用小容量电池的电动汽车成本将比使用大容量电池便宜得多。宝马为宝马i3和宝马i8配备了具有自主知识产权的eDrive混合动力同步电机，具有永磁电机和磁阻电机的优势。宝马在这方面取得的进展似乎表明，宝马已经找到了一种通过使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机的方法。

下图为2012年宝马公司专利申请文件中的图纸，其中显示了一种提高电机效率的方法。在电机中，转子除了磁层外，还有两组磁通感应组，由几个可充气的转子凹坑组成。宝马公司的专利申请文件No2012/0267977。单击此处查看大图。

宝马i3汽车配备了一台重达50公斤的驱动电机，最大输出功率为125千瓦，功率系数为2.5千瓦/公斤。该电机可输出线性功率，速度范围很高，最高转速为11400转/分。如果我们将日产聆风与宝马i3进行比较，日产2011年生产的“聆风”电动汽车配备了永磁电机，重量为58公斤，额定输出功率为80千瓦，功率系数为1.38千瓦/公斤。

背景：对于电动汽车来说，提高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。但改进电动汽车的驱动装置（电机、电力电子设备、传动机构、热管理）也可以发挥很好的作用。

例如，为了专注于先进电力电子设备、电机、热管理和传动机构技术的研发，美国能源部汽车技术办公室制定了“先进发电厂设备和电机”计划；

该计划一旦成功，其先进性是目前技术无法比拟的。电力电子设备和电机作为电动汽车驱动系统的子系统，对重量、体积、效率和成本都有严格的要求。为了成功开发这些设备，使用功率密度更高、成本更低的小型电机是关键。

有各种电机可以与电动汽车相匹配，包括直流电机、交流电机、感应电机、永磁电机、开关磁阻电机和轴流电机。除了特斯拉和丰田，所有其他主要汽车制造商都生产配备直流电机的电动汽车。特斯拉Model S配备了交流电机（据说特斯拉跑车也使用交流电机），丰田的电动汽车传动系统由特斯拉设计。值得注意的是，在宝马Mini-E电动汽车项目的首次测试中，宝马还将测试中的Mini-E变成了交流电机驱动的汽车。

广义上讲，感应电动机将交流电流输入电动机的固定外部定子线圈，在定子线圈中形成旋转磁场，转子绕组被旋转磁场感应产生电流。随着转子绕组电流的产生，也产生了转子绕组磁场，转子绕组磁场被定子磁场吸引。简而言之，转子的感应电流和由此产生的磁场被定子线圈的磁场吸引，从而使定子旋转并产生转矩。可以看出，交流感应电机可以在没有永磁体部件的情况下使转子旋转。

一般来说，感应电机的优点是可以大规模生产和使用，但不能满足美国《汽车效率和能源可持续性驱动技术研究与创新》对成本、重量、体积和效率的要求。

另一方面，永磁电机将永磁体安装或嵌入转子中，其磁场与通电产生的定子线圈中的磁场相对应。永磁电机具有结构紧凑、输出转矩密度高、可低电流启动的特点。然而，永磁体材料的成本是一个需要解决的问题，因为电动机旋转产生的热量可能会损坏永磁体。

开关磁阻电机结构简单，功率大，是成本最低的技术方案。但开关磁阻电机存在转矩波动大、噪声大、功率因数低、效率低等缺点。

因此，研究人员一直致力于设计新型电机。他们的研究方法包括降低永磁体的负载，使用多种材料制造电机，以及通过整合各种电机的技术优势来设计混合动力电机。2012年，《电气工程与技术杂志》发表了一篇论文，专门分析了混合动力电机的结构。以下是文章的一部分：

随着技术的进步，人们在工业领域对具有各种技术特征的电机有越来越多的需求。因此，关于改进电机的研究论文可以在各种文献中看到。根据这些文件的记录，已经开发出了新的电机，对现有电机的研究是压倒性的。

在各种论文中，永磁电机和磁阻电机是最受欢迎的研究对象。研究人员对永磁电机和磁阻电机的各种结构进行了探索和测试。值得注意的是，随着永磁材料性能的提高，研究人员对开发新型永磁电机的热情越来越高。永磁电机的类型可分为永磁同步电机和无刷直流电机。在基本转速条件下，永磁电机的性能很好，但永磁电机转速范围很小。

磁阻电机没有永磁体部件，因此没有退磁风险，可以在高温环境下正常工作。磁阻电机的工作原理基于磁阻原理，可分为开关磁阻电机和同步磁阻电机两类。

永磁辅助磁阻电机是研究人员为了综合永磁电机和磁阻电机的优点而开发的一种新型电机。永磁辅助磁阻电机被认为具有高功率密度、高功率因数、高效率和宽……等技术优势……

速度范围。现在永磁电机已经成为一个非常有吸引力的话题。永磁辅助电动机的转矩是由永磁场和磁阻效应产生的，因此研究人员将永磁辅助电机称为混合电机。研究人员为永磁辅助磁阻电机的转子设计了多种结构，以产生合适的磁场和磁阻效应转矩。

宝马的研发方法

宝马注意到，由于电动汽车的空间有限，电动汽车中使用的电机必须具有高功率输出、大扭矩和轻重量。电动汽车传动系统的效率直接影响电动汽车的行驶里程。由于高压电池价格昂贵，提高电池电量利用率已成为获得电动汽车最大里程的重要因素。

永磁电机可以产生磁阻转矩和永磁转矩。宝马2012年的专利申请指出，永磁同步电机可以在多个磁体方向上产生一系列不同的电磁电感和与磁极方向相反的交叉电感；只要驱动电机以适当的方式驱动，电机就可以产生磁阻转矩。该磁阻转矩可以补充由电动机的永磁通量产生的转矩。

简单地说，宝马使用的电机可以归类为永磁同步电机，但宝马对电机进行了精心设计，并选择了合适尺寸的零件进行制造，使其能够产生自磁化效应；这种自磁化效应只能由磁阻电机产生。自磁化效应带来的附加激励效应可以为电机电流激励提供有益的补充；当高速旋转时，两种激励模式使其工作更加可靠。宝马i3使用的电机最高转速可达11400转/分。

从前面的描述中，我们已经知道驱动电机定子中的电流在削弱磁场的范围中起着重要作用。定子中的电流产生的磁场和永磁体的磁场相互排斥。即便如此，根据物理原理，永磁体材料的磁通密度不会衰减，并且这种磁通会被定子的磁场排斥。定子和转子之间的气隙为转子铁心磁通通道的形成提供了条件。

定子电流产生的磁通量沿着磁通通道在定子和转子之间循环，磁通通道也称为磁袋，有一个瓶口。这种瓶颈现象会导致定子齿的磁通密度发生变化，进而导致磁通密度的变化频率超过驱动电机的频率。上述现象将导致高的铁芯损耗，并且电机的效率将大大降低。这种情况在磁场减弱的范围内尤为明显，因此必须根据电机的运行特性对其进行优化。

为了减少定子和转子之间磁通瓶颈现象造成的损坏，提高磁通的稳定性是一种被广泛接受的解决方案。为了改善磁通的平衡，我们只能增加磁性层的数量。但增加磁层数量的方法并不实用，为了适应电动汽车有限的空间，磁层必须做得很薄；然而，太薄的磁性层在安装在电机的凹槽中时很可能会损坏，生产成本会急剧上升。

注意：本文中提到的磁性层通常由硅钢片制成，硅钢片太薄，在市场上很难买到，而且价格很高，在冲压过程中也很容易断裂或变形。这是我的工作经验。

宝马申请专利的目的是制造电动汽车的驱动电机；在磁场衰减范围内，该电机的效率优于其他电机。这种电机由定子和转子组成，至少有一对极；

电机的每个极对由至少一个嵌入的磁性层组成。根据宝马的专利申请文件，电机的每个磁极由多个充气转子凹坑形成的磁通感应组组成，该磁极不会使每个磁层的磁场产生磁通电导。

通过磁通感应组，研究人员可以以简单经济的方式使转子铁芯在气隙中形成的磁阻均匀。通过多个磁通感应组的作用，研究人员可以抑制或最小化定子齿中磁通密度的变化。研究人员发现，这种方法可以大大降低磁芯损耗，至少在磁场衰减的范围内是这样。该方法通过抑制驱动电机的定子和转子之间的磁通流来抑制定子齿的磁通密度的变化。

美国专利申请号：No2012/0267977

宝马在专利申请文件中指出，上述方法适用于多种驱动电机；同时，这种方法还可以降低生产成本，并且在冲压过程中可以一次性加工出转子的凹槽。

宝马还提到，这种方法可以提高电机在高速旋转时的效率。在使用相同电量的现有电池的情况下，配备宝马新电机的电动汽车可以行驶得更远。

另一方面，即使电池电量下降，搭载宝马新电机的电动汽车的里程数仍能满足原始技术要求。因此，通过使用新型电机，电动汽车的成本也可以降低，众所周知，电池的成本在电动汽车的价格构成中占很大一部分，使用小容量电池的电动汽车成本将比使用大容量电池便宜得多。

标签：宝马宝马i3丰田日产发现

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