直流勵磁同步電機和磁阻電機在新能源汽車中的應用
一、電機分類
目前車輛上常用的驅動電機種類有異步感應電機IM和永磁同步電機PMSM，其中中國市場以永磁電機為主。
業內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，似乎誘惑了很多工程師，并且成了很多銷售人士的賣點。當然，電勵磁同步電機也不是新發明，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公開很久了，在工業電機產品領域也有很多應用，只是電動汽車這個領域剛剛有批量使用的案例。
但是這個并不新鮮的技術并不代表電勵磁同步電機沒有門檻、可以隨意任性設計和量產，在設計和制造技術上還是有很多挑戰，需要新的技術和不斷的嘗試。
2020年驅動視界白皮書中介紹了永磁同步電機PMSM和異步感應電機IM，這里就不做重復，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容。
表1：各種類型驅動電機性能對比
以上對比的假設前提條件是驅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上對比各項指標差異，△數量多少代表優劣，由于磁阻電機還沒有量產應用，數據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計方案，沒有絕對的好壞區別，更沒有正確錯誤之分，需要綜合考量以及SWOT分析結果，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，增加高附加值環節的控制。
2) 各個公司產品布局的差異和整體設計的需求，以及改型換代、迭代的差異。
3) 應用領域的需要，比如：異步感應電機IM與永磁同步電機PMSM構成雙電機前后橋驅動系統，能很好的發揮組合優勢在各種工況下的綜合效率，提高能量利用效率。
二、驅動電機選擇原則
1) 動力性能：扭矩指標、功率指標。
2) 動態性能：轉矩波動小、反應速度快、瞬間加速度靈敏。
3) 高效性：效率高、損耗小、節能，在相同蓄電池kWh條件下，延長續航里程，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動電機體積更小，2021年新的標準重新定義了。
6) 高扭矩密度：扭矩體積比提高有利于驅動電機更緊湊。
7) 高連續功率比例：相同峰值功率條件下，目前一般水冷電機連續功率/峰值功率在40%-50%，如何通過優化冷卻效果提高連續功率，這里仍然有足夠空間來改進，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，提高連續功率/峰值功率達到70%。
8) 冷卻性：提高此性能用以實現上述性能指標
9) 魯棒性：可靠性、容錯性、過載能力。
10) NVH指標，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、小時、或者免維護（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、安全性要求進步提高。
13) 經濟性：RMB/kW、RMB/kg，這是我們必須面對的挑戰。
受疫情導致的產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，只有堅持理念創新、設計創新、制造工藝創新，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化，諧波電流的控制，降低NVH指標。
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諧波分析來優化反電動勢波形，優化NVH指標。
3.1.3 電機電磁仿真剖視圖，48槽8極,每槽4導體；轉子繞線單極集中繞線。工藝簡單，容易實現自動化繞線。不必考慮稀土磁鋼粘結強度，退磁等因素的失效。
3.1.4 電勵磁同步電機：當定子三相繞組通入三相交流電流時，產生旋轉的對應轉子極數的磁場，此時，轉子需要通入直流電流在勵磁繞組中，也會產生相同極數的磁場，根據NS磁性原理，轉子也會跟隨定子旋轉的磁場同步轉動，實現電能到機械能的轉化，此時是驅動電動機。反之，機械能也可以轉化成電能，成為發電機，能耗制動等等。
3.1.5 目前汽車交流發電機原理也是這樣的電勵磁同步發電機，如圖：
▲發電機電氣原理圖
圖中包括整流橋、調節器、定子總成、轉子總成、集電環、電刷等等。
3.1.6 關于直流電流導入轉子繞組，基本上有2種方式，其一，集電環結構，配合電刷在旋轉的集電環上把電流輸入到轉子繞組（如圖）
▲黃色：電刷；紅色：集電環
其二，通過無線傳輸方式，通過磁場與磁場的相互感應作用，實現電能的傳遞，目前市場上很多類似設計，如：無線充電、無線測溫等等，如下圖，轉子也可以據此實現電能轉化。
轉子無線勵磁原理示意圖：
3.1.7 電勵磁同步電機的最大優勢是磁場可控，通過控制轉子繞組電流大小，從而控制轉子磁場大小，實現主動控制磁場；特別是高速區域，達到提高效率、降低溫升、增大輸出功率軸向寬度的目的；而不是永磁同步電機的被動、不得不FOC增加直軸電流分量、達到增加直軸磁場的目的。從而降低高速區的相端電壓。轉子繞組電流可以通過PWM控制，調節不同占空比，調節平均勵磁電流大小，從而控制勵磁磁場。
3.1.8 從扭矩-轉速特性案例可以看出，在高速區域，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，根據需要控制勵磁電流大小；而永磁同步電機需要FOC弱磁被動控制直軸磁場，產生多余的電能損耗，高速區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別：
1) 轉子結構不同，電勵磁是繞組線圈產生磁場；而磁阻同步電機的轉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矩產生扭轉的驅動力矩，能量來源于定子繞組產生的旋轉磁場，根據磁場能力（磁力線）總是盡力流過磁阻小的轉子磁路路徑，對應的在轉子中產生了同等極數的旋轉磁場，伴著定子旋轉磁場同步轉動，實現電能到機械能的轉化。
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：轉矩脈動大、影響NVH效果。如下圖是轉矩脈動示意圖。徑向磁拉力波動較大；這些需要通過幾何形狀優化，控制器控制策略優化，更好地降低轉矩脈動。
四、電機結構介紹
4.1電勵磁同步電機: ZOE
1) 殼體：外鋁殼、內水道鋁殼
2) 主要零部件：定子、轉子、軸承、旋變器、溫度傳感器
3) 其他：漆包線、軸 、轉子鐵芯總成、集電環、電刷等等
4.2 電勵磁同步電機: BMW IX3
1) 殼體：外鋁殼、內水道鋁殼
2) 主要部件：定子、轉子、軸承、旋變器、溫度傳感器
3) 其他：漆包線、軸、轉子鐵芯總成、集電環、電刷等等
400Nm、 210kW、5075rpm，綜合效率大約 93%, 功率密度提高30%多。
BMW IX3 繞線轉子, 6極、單齒集中繞組繞線，槽口很寬是為了繞線針進入槽中，上下來回繞線。槽滿率不高，可以通過改進鐵芯的結構設計改變繞線方式提高轉子槽滿率，提高電機整體的功率密度。
轉軸液態氮冷卻，壓裝進入鐵芯總成：
扁線定子總成，線型自動成型，自動插線、扭頭、激光焊接：
五、電機開發關鍵技術
5.1電機設計方面
1) 高功率體積比、高功率質量比，追求小體積大輸出、小質量大功率。
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) 額定持續功率的寬范圍，高速區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設計。提高持續功率/峰值功率的比值、降低損耗。
5.2 工藝制造技術
1) 扁線生產設備開發能力、批量生產的質量保證能力。
2) TIG、激光焊接設備、質量監控。
3) 定子浸漆量、飽滿度、均勻度控制。
4) 轉子注塑過程質量控制、溫度監控。
5) 軸液態氮冷卻技術應用。
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、設備能力監控、控制參數的確定。
8) 動態NVH測試、變負載變轉速下頻譜分析、階次分析。
9) 二維碼追蹤、MES系統與客戶聯機、時時在線交換信息。
六、客戶關切
客戶關注的主要是：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切的重點，下面表格列舉了這些內容，供參考，不是具體某一款電機參數。
表格中，數字只是參考說明使用，不代表具體電機參數。
典型應用：電勵磁同步電機 BMW IX3
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