一、電機分類

目前車輛上常用的驅(qū)動電機種類有異步感應(yīng)電機IM和永磁同步電機PMSM，其中中國市場以永磁電機為主。

業(yè)內(nèi)今年新增加一個種類是BMW IX3的電勵磁同步電機，在寶馬沈陽工廠開始了批量生產(chǎn)，似乎誘惑了很多工程師，并且成了很多銷售人士的賣點。當(dāng)然，電勵磁同步電機也不是新發(fā)明，雷諾ZOE就采用了電勵磁同步電機，只是沒有普及開來。

電勵磁同步電機的原理已經(jīng)公開很久了，在工業(yè)電機產(chǎn)品領(lǐng)域也有很多應(yīng)用，只是電動汽車這個領(lǐng)域剛剛有批量使用的案例。

但是這個并不新鮮的技術(shù)并不代表電勵磁同步電機沒有門檻、可以隨意任性設(shè)計和量產(chǎn)，在設(shè)計和制造技術(shù)上還是有很多挑戰(zhàn)，需要新的技術(shù)和不斷的嘗試。

2020年驅(qū)動視界白皮書中介紹了永磁同步電機PMSM和異步感應(yīng)電機IM，這里就不做重復(fù)，這篇文章重點介紹電勵磁同步電機及其歐美研究中的磁阻電機等內(nèi)容。

表1：各種類型驅(qū)動電機性能對比

以上對比的假設(shè)前提條件是驅(qū)動電機功率和扭矩相同，也就是在電機電氣性能一致的基礎(chǔ)上對比各項指標(biāo)差異，△數(shù)量多少代表優(yōu)劣，由于磁阻電機還沒有量產(chǎn)應(yīng)用，數(shù)據(jù)只是單純意義上對比和參照。

至于采用什么種類的電機，各個國家和各個公司都有自己的設(shè)計方案，沒有絕對的好壞區(qū)別，更沒有正確錯誤之分，需要綜合考量以及SWOT分析結(jié)果，適合自己的才是最好的。

之所以不同國家和不同公司選取了不同類型的驅(qū)動電機，原因很多：

1) 國家資源分布的差異，如歐美國家稀土相對稀缺，而中國的儲量相對多些，但是也需要珍惜有限的自然資源，需要提高稀土制造利用率，增加高附加值環(huán)節(jié)的控制。

2) 各個公司產(chǎn)品布局的差異和整體設(shè)計的需求，以及改型換代、迭代的差異。

3) 應(yīng)用領(lǐng)域的需要，比如：異步感應(yīng)電機IM與永磁同步電機PMSM構(gòu)成雙電機前后橋驅(qū)動系統(tǒng)，能很好的發(fā)揮組合優(yōu)勢在各種工況下的綜合效率，提高能量利用效率。

二、驅(qū)動電機選擇原則

1) 動力性能：扭矩指標(biāo)、功率指標(biāo)。

2) 動態(tài)性能：轉(zhuǎn)矩波動小、反應(yīng)速度快、瞬間加速度靈敏。

3) 高效性：效率高、損耗小、節(jié)能，在相同蓄電池kWh條件下，延長續(xù)航里程，90%面積效率大于90%。

4) 緊湊：體積小、空間利用率高。

5) 高功率密度: 功率體積比提高使得驅(qū)動電機體積更小，2021年新的標(biāo)準(zhǔn)重新定義了。

6) 高扭矩密度：扭矩體積比提高有利于驅(qū)動電機更緊湊。

7) 高連續(xù)功率比例：相同峰值功率條件下，目前一般水冷電機連續(xù)功率/峰值功率在40%-50%，如何通過優(yōu)化冷卻效果提高連續(xù)功率，這里仍然有足夠空間來改進(jìn)，逼迫我們有好的思維想法。比如：水冷+油冷策略，可以減小電機體積，提高連續(xù)功率/峰值功率達(dá)到70%。

8) 冷卻性：提高此性能用以實現(xiàn)上述性能指標(biāo)

9) 魯棒性：可靠性、容錯性、過載能力。

10)  NVH指標(biāo)，降噪降振、階次分析、共振點分析、瀑布圖解析

11)  耐久性：使用公里數(shù)、小時、或者免維護(hù)（異步電機）

12)  安全性：ISO26262中功能安全的要求、ASILD等實施，對于電機容錯性、防錯性、安全性要求進(jìn)步提高。

13)  經(jīng)濟(jì)性：RMB/kW、RMB/kg，這是我們必須面對的挑戰(zhàn)。

受疫情導(dǎo)致的產(chǎn)出及美國量化寬松貨幣政策的影響，2020年以來有色金屬、黑色金屬和塑料件價格大幅上漲30%以上，電機制造商成本壓力空前；而銷售端產(chǎn)品價格受壓，出口匯率下降；壓力都在電機制造者身上，如何提高電機制造者利潤、如何生存下來，是擺在電機廠商面前的一道難題，只有堅持理念創(chuàng)新、設(shè)計創(chuàng)新、制造工藝創(chuàng)新，才有機會在競爭激烈的市場中存活下來。

三、電機基本原理

3.1電勵磁同步電機

3.1.1 電機控制器簡單示意圖，控制電機定子三相繞組電流電壓、相位角及其電流波形優(yōu)化，諧波電流的控制，降低NVH指標(biāo)。

3.1.2 反電動勢的示意圖，三相電流也是類似曲線在繞組中，需要考量IGBT最高允許工作電壓，并且保留安全余量，特別是最高工作轉(zhuǎn)速的時候，反電動勢過高，弱磁控制時需要直軸電流越大，影響擴速范圍。 通過FFT諧波分析來優(yōu)化反電動勢波形，優(yōu)化NVH指標(biāo)。

3.1.3 電機電磁仿真剖視圖，48槽8極,每槽4導(dǎo)體；轉(zhuǎn)子繞線單極集中繞線。工藝簡單，容易實現(xiàn)自動化繞線。不必考慮稀土磁鋼粘結(jié)強度，退磁等因素的失效。

3.1.4 電勵磁同步電機：當(dāng)定子三相繞組通入三相交流電流時，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的對應(yīng)轉(zhuǎn)子極數(shù)的磁場，此時，轉(zhuǎn)子需要通入直流電流在勵磁繞組中，也會產(chǎn)生相同極數(shù)的磁場，根據(jù)NS磁性原理，轉(zhuǎn)子也會跟隨定子旋轉(zhuǎn)的磁場同步轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)電能到機械能的轉(zhuǎn)化，此時是驅(qū)動電動機。反之，機械能也可以轉(zhuǎn)化成電能，成為發(fā)電機，能耗制動等等。

3.1.5 目前汽車交流發(fā)電機原理也是這樣的電勵磁同步發(fā)電機，如圖：

▲發(fā)電機電氣原理圖

圖中包括整流橋、調(diào)節(jié)器、定子總成、轉(zhuǎn)子總成、集電環(huán)、電刷等等。

3.1.6 關(guān)于直流電流導(dǎo)入轉(zhuǎn)子繞組，基本上有2種方式，其一，集電環(huán)結(jié)構(gòu)，配合電刷在旋轉(zhuǎn)的集電環(huán)上把電流輸入到轉(zhuǎn)子繞組（如圖）

▲黃色：電刷；紅色：集電環(huán)

其二，通過無線傳輸方式，通過磁場與磁場的相互感應(yīng)作用，實現(xiàn)電能的傳遞，目前市場上很多類似設(shè)計，如：無線充電、無線測溫等等，如下圖，轉(zhuǎn)子也可以據(jù)此實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)化。

轉(zhuǎn)子無線勵磁原理示意圖：

3.1.7 電勵磁同步電機的最大優(yōu)勢是磁場可控，通過控制轉(zhuǎn)子繞組電流大小，從而控制轉(zhuǎn)子磁場大小，實現(xiàn)主動控制磁場；特別是高速區(qū)域，達(dá)到提高效率、降低溫升、增大輸出功率軸向?qū)挾鹊哪康模欢皇怯来磐诫姍C的被動、不得不FOC增加直軸電流分量、達(dá)到增加直軸磁場的目的。從而降低高速區(qū)的相端電壓。轉(zhuǎn)子繞組電流可以通過PWM控制，調(diào)節(jié)不同占空比，調(diào)節(jié)平均勵磁電流大小，從而控制勵磁磁場。

3.1.8 從扭矩-轉(zhuǎn)速特性案例可以看出，在高速區(qū)域，輸出功率并沒有下降太多，基本保持水平，這個原因就是因為電勵磁繞組的磁場可以主動控制，根據(jù)需要控制勵磁電流大??；而永磁同步電機需要FOC弱磁被動控制直軸磁場，產(chǎn)生多余的電能損耗，高速區(qū)和輸出功率下降幅度較大。

3.2 磁阻同步電機

3.2.1 “控制器示意圖，三相電流示意圖”見“3.1 電勵磁同步電機”。

3.2.2 電勵磁同步電機與同步磁阻電機區(qū)別：

1)   轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同，電勵磁是繞組線圈產(chǎn)生磁場；而磁阻同步電機的轉(zhuǎn)子沒有任何稀土和繞組，只有硅鋼片鐵芯。

2)   原理上類似，只是磁阻同步電機完全依靠磁阻轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的驅(qū)動力矩，能量來源于定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場，根據(jù)磁場能力（磁力線）總是盡力流過磁阻小的轉(zhuǎn)子磁路路徑，對應(yīng)的在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生了同等極數(shù)的旋轉(zhuǎn)磁場，伴著定子旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)電能到機械能的轉(zhuǎn)化。

3.2.3 電機剖視圖、磁化曲線磁路圖。

3.2.4 磁阻同步電機有其先天的劣勢：轉(zhuǎn)矩脈動大、影響NVH效果。如下圖是轉(zhuǎn)矩脈動示意圖。徑向磁拉力波動較大；這些需要通過幾何形狀優(yōu)化，控制器控制策略優(yōu)化，更好地降低轉(zhuǎn)矩脈動。

四、電機結(jié)構(gòu)介紹

4.1電勵磁同步電機: ZOE

1)   殼體：外鋁殼、內(nèi)水道鋁殼

2)   主要零部件：定子、轉(zhuǎn)子、軸承、旋變器、溫度傳感器

3)   其他：漆包線、軸 、轉(zhuǎn)子鐵芯總成、集電環(huán)、電刷等等

4.2 電勵磁同步電機: BMW IX3

1)   殼體：外鋁殼、內(nèi)水道鋁殼

2)   主要部件：定子、轉(zhuǎn)子、軸承、旋變器、溫度傳感器

3)   其他：漆包線、軸、轉(zhuǎn)子鐵芯總成、集電環(huán)、電刷等等

400Nm、 210kW、5075rpm，綜合效率大約 93%, 功率密度提高30%多。

BMW IX3 繞線轉(zhuǎn)子, 6極、單齒集中繞組繞線，槽口很寬是為了繞線針進(jìn)入槽中，上下來回繞線。槽滿率不高，可以通過改進(jìn)鐵芯的結(jié)構(gòu)設(shè)計改變繞線方式提高轉(zhuǎn)子槽滿率，提高電機整體的功率密度。

轉(zhuǎn)軸液態(tài)氮冷卻，壓裝進(jìn)入鐵芯總成：

扁線定子總成，線型自動成型，自動插線、扭頭、激光焊接：

五、電機開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

5.1電機設(shè)計方面

1) 高功率體積比、高功率質(zhì)量比，追求小體積大輸出、小質(zhì)量大功率。

2) 高扭矩體積比，特別是峰值扭矩體積比的提高。

3) 高效率，90%面積大于效率90%，并且高效區(qū)要與工況配合，真正把高效率使用在長期運行的車速范圍。

4) 高可靠性、軸承壽命、高溫退磁等等因素考量。

5) 少稀土化的降成本措施。

6) 低NVH，優(yōu)化高次氣隙磁場諧波的影響，降低低階次徑向力波幅值，降低振動。

7) 額定持續(xù)功率的寬范圍，高速區(qū)功率下降幅度的減少措施。

8) 熱溫度場分析，冷卻能力提高的相關(guān)設(shè)計。提高持續(xù)功率/峰值功率的比值、降低損耗。

5.2 工藝制造技術(shù)

1) 扁線生產(chǎn)設(shè)備開發(fā)能力、批量生產(chǎn)的質(zhì)量保證能力。

2) TIG、激光焊接設(shè)備、質(zhì)量監(jiān)控。

3) 定子浸漆量、飽滿度、均勻度控制。

4) 轉(zhuǎn)子注塑過程質(zhì)量控制、溫度監(jiān)控。

5) 軸液態(tài)氮冷卻技術(shù)應(yīng)用。

6) 整機氣密測試、鋁殼氣密測試（特別是在熱套后）。

7) 綜合檢測EOL試驗、設(shè)備能力監(jiān)控、控制參數(shù)的確定。

8) 動態(tài)NVH測試、變負(fù)載變轉(zhuǎn)速下頻譜分析、階次分析。

9) 二維碼追蹤、MES系統(tǒng)與客戶聯(lián)機、時時在線交換信息。

六、客戶關(guān)切

客戶關(guān)注的主要是：成本、性能、安全、NVH、體積五個方面。

分別從性能、安全、NVH、體積、成本五個方面闡述客戶關(guān)切的重點，下面表格列舉了這些內(nèi)容，供參考，不是具體某一款電機參數(shù)。

表格中，數(shù)字只是參考說明使用，不代表具體電機參數(shù)。

典型應(yīng)用：電勵磁同步電機 BMW IX3