以寶馬i3 2022 eDrive 35 L為例，其廠商指導(dǎo)價(jià)為34.99萬(wàn)元。
寶馬i3搭載無(wú)需稀土的勵(lì)磁同步電機(jī)
在發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，寶馬一直處于行業(yè)頂尖水平。無(wú)論是四缸、六缸還是八缸發(fā)動(dòng)機(jī)，性能都很出色，掌握了關(guān)鍵核心技術(shù)。在新能源時(shí)代，寶馬在電機(jī)領(lǐng)域投入了大量的資金和人力。其自主研發(fā)的無(wú)稀土勵(lì)磁同步電機(jī)系統(tǒng)同樣性能優(yōu)越！最大功率達(dá)到210 kW，最大扭矩400 Nm。
寶馬-I3純電車的動(dòng)力系統(tǒng)采用后驅(qū)的設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，就是電機(jī)和單速變速箱。整個(gè)功率部分重量輕，可靠性高。BMW-I3配備了一套由12個(gè)電池單元組成的8個(gè)電池模塊。電機(jī)最大功率125kW，約172馬力，最大扭矩250Nm。官方公布的百公里加速時(shí)間為7.2秒，電池充滿電后可行駛約130 km。
BMW-I3驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電機(jī)控制器采用一體化結(jié)構(gòu)，其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能參數(shù)如下：
BMW-i3驅(qū)動(dòng)電機(jī)高效區(qū)測(cè)試結(jié)果表明，該電機(jī)的顯著優(yōu)勢(shì)在于高效區(qū)比例大(90%)。
1)寶馬升到102會(huì)跳到97，然后繼續(xù)升溫；同樣，當(dāng)溫度下降到97時(shí)，會(huì)跳到102，然后繼續(xù)降溫。3354由于熱敏電阻R-T轉(zhuǎn)換過(guò)程計(jì)算為多段函數(shù)，節(jié)點(diǎn)位置處理引起跳變，但最終穩(wěn)定溫度值不變。
2)在75kW-10000 rpm下測(cè)量扭矩回路的溫升，發(fā)現(xiàn)電機(jī)功率在穩(wěn)定時(shí)大幅下降(75.1kw66.2kw)。用電流回路再次驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)溫升數(shù)據(jù)相差很大。3354驗(yàn)證電機(jī)的冷態(tài)反電動(dòng)勢(shì)(如下表所示)，初步判定電機(jī)已經(jīng)退磁。退磁的可能原因：熱態(tài)溫度升高，轉(zhuǎn)子溫度過(guò)高，導(dǎo)致退磁。
寶馬-I3，增程版，比純電動(dòng)車多了一個(gè)排量為0.65L的雙缸汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。在電量不足的時(shí)候可以用來(lái)給電池充電，但并不直接參與車輛的行駛。
電機(jī)采用電機(jī)和控制器一體化結(jié)構(gòu)，更加緊湊，節(jié)省布局空間。同時(shí)減少了控制器與電機(jī)之間的線束長(zhǎng)度，從而提高了連接的可靠性，降低了系統(tǒng)的總重量，僅為65Kg。如下圖：
電機(jī)和控制器的外表面覆蓋有隔音棉。由于主機(jī)在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，而電機(jī)和控制器又靠近發(fā)動(dòng)機(jī)，包裹的隔音棉可以有效隔熱，同時(shí)具有一定的隔音效果。對(duì)隔音棉單獨(dú)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，對(duì)于相同的噪聲源，包裹隔音棉可降低噪聲3-5dB。這種設(shè)計(jì)對(duì)于緊湊型串聯(lián)混合動(dòng)力系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。
對(duì)于BMW-I3驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其主要部件如下：
外殼的內(nèi)壁與內(nèi)殼水套的外圓采用過(guò)盈配合，并通過(guò)熱套的方式裝配。與我公司電機(jī)外殼的結(jié)構(gòu)和工藝相比，主要有以下特點(diǎn)：
A.寶馬-i3電機(jī)底盤(pán)采用外殼內(nèi)殼水套形式，大駿電機(jī)采用一體式結(jié)構(gòu)。這種形式可以將水路設(shè)計(jì)成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，避免了水路澆鑄在外殼內(nèi)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的局限，滿足更高的散熱要求。
B.寶馬-I3底盤(pán)采用高壓鑄造工藝，大駿底盤(pán)采用低壓鑄造。這兩種工藝的主要區(qū)別如下：.高壓鑄件尺寸精度高，表面光潔度好，一般相當(dāng)于5~8級(jí)，強(qiáng)度和硬度較高。二。高壓鑄件容易產(chǎn)生氣孔，延伸率差，不能熱處理；然而，低壓鑄件很少有內(nèi)部缺陷，因此可以對(duì)其進(jìn)行熱處理以提高其硬度
C.外殼和內(nèi)殼的水套的法蘭面(出口側(cè))以及水套和外殼的內(nèi)壁止擋(非出口側(cè))由O形圈密封。
（一）定子繞組
定子繞組主要參數(shù)
項(xiàng)目 | 槽數(shù)Z | 極數(shù)2p | 相數(shù)m | 接線方式 | 繞線方式 | 極相槽數(shù)q | 節(jié)距Y | 并聯(lián)支路數(shù) | 并繞根數(shù) | 單層/雙層 | 每槽內(nèi)匝數(shù) | 每槽內(nèi)根數(shù) |
參數(shù) | 72 | 12 | 3 | 星型 | 同心繞組 | 2 | 1~8 2~7 | 6 | 12 | 單層 | 9 | 108 |
定子組件重21千克，鐵芯長(zhǎng)度為132毫米。采用單層同心繞組，一個(gè)極相組同心套裝兩個(gè)線圈，兩個(gè)線圈的節(jié)距分別為1~8槽和1~7槽。寶馬-I3由于定子鐵芯槽數(shù)較多，采用單層同心繞組，工藝性更好。它的主要優(yōu)點(diǎn)是：
A.每個(gè)槽只嵌一個(gè)線圈邊，所以電機(jī)的線圈總數(shù)等于鐵芯槽數(shù)的一半，提高了繞線嵌線的工作節(jié)奏；
B.由于槽內(nèi)只有一個(gè)線圈側(cè)，不需要層間絕緣，槽內(nèi)不存在相擊穿問(wèn)題，槽面積利用率高；
C.與鏈?zhǔn)嚼p繞相比，其端部互不重疊，厚度減小，成型更容易。
缺點(diǎn)是單層繞組的電磁波形不理想，電機(jī)的損耗和噪音比雙層繞組大，所以這樣的設(shè)計(jì)是技術(shù)和性能的平衡。
（二）定子鐵芯
BMW-I3電機(jī)的鐵芯采用組裝式結(jié)構(gòu)，如下圖所示：
定子為直槽，由整圓段疊壓后組裝而成，相鄰兩段由凸弧形臺(tái)階和凹槽夾緊連接。這種鐵芯厚度為0.15mm，鐵損小，散熱好，性能優(yōu)于我公司使用的寶鋼B27系列硅鋼片(厚度為0.27mm)。由于BMW-I3定子疊片的材料很薄，而且材料本身很貴，所以整片圓形疊片的成品率很低。另一方面，用于轉(zhuǎn)子的硅鋼片厚度為0.27mm，定子和轉(zhuǎn)子不能一次疊片成型，定子鐵芯分段疊片后組裝，材料利用率高，能有效降低成本。這種裝配方案對(duì)于電磁性能有明顯的不利，因?yàn)闊o(wú)論制造和裝配工藝多么精密，兩段裝配之間總是有間隙，所以會(huì)增加漏磁。
BMW-I3的定子疊片如下：
定子沖片在圓周上被分成六段，每一段都通過(guò)凸部E與下一段的凹槽B卡接，如下圖所示：
（三）三相線
寶馬-I3三相線的出線方式采用漆包線的OT端子，和我們電機(jī)的出線方式一樣。三相線出線和非出線端子參數(shù)如下：(單位均為mm)
在這種設(shè)計(jì)中，省略了電機(jī)接線座的結(jié)構(gòu)，控制器的連接器直接與電機(jī)腔體內(nèi)的接線端子連接，減少了電機(jī)的整體包絡(luò)空間。此外，在它們之間沒(méi)有外部線束的情況下，可以實(shí)現(xiàn)更好的輕質(zhì)設(shè)計(jì)。
（一）磁鋼性能
寶馬-I3電機(jī)的轉(zhuǎn)子分為六個(gè)斜極，呈人字形不對(duì)稱排列。每個(gè)磁極由兩塊磁鋼排成一條平行線。其性能測(cè)試如下：
根據(jù)測(cè)試結(jié)果，寶馬-I3驅(qū)動(dòng)電機(jī)的磁鋼性能接近國(guó)產(chǎn)磁鋼牌號(hào)N35UH~N42UH。
（二）轉(zhuǎn)子鐵芯
每段鐵芯疊壓并用級(jí)進(jìn)模鉚接后，在每段鐵芯靠近外圓的兩端面形成兩排凹陷，沖片壓緊防止翹曲。然后用工裝定位，打出上圖中壓緊螺栓的安裝孔，最后按斜極角度壓6段鐵芯。
BMW-I3驅(qū)動(dòng)電機(jī)在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)，其特點(diǎn)主要分為兩點(diǎn)：1。轉(zhuǎn)子磁性層數(shù)為兩層；2.在轉(zhuǎn)子每極磁層的兩側(cè)沖有凹槽，類似于磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)，結(jié)合了永磁同步電機(jī)和磁阻電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。為此，在美國(guó)申請(qǐng)了專利。這種電機(jī)稱為永磁輔助磁阻同步電機(jī)。3.這
2.對(duì)于BMW-I3永磁輔助磁阻同步電機(jī)，除上述多磁層外，在每一磁層兩側(cè)沖壓兩組由若干個(gè)充氣轉(zhuǎn)子凹坑組成的磁通感應(yīng)組，形成磁鋼輔助的磁阻同步電機(jī)，以提高其性能。輸出轉(zhuǎn)矩不僅包括永磁轉(zhuǎn)矩，還包括很大比例的不對(duì)稱引起的磁阻轉(zhuǎn)矩。這種電機(jī)兼有內(nèi)置永磁電機(jī)和磁阻電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。從電磁性能方面來(lái)看，本設(shè)計(jì)方案的主要特點(diǎn)是：
A.由于直軸方向有多層永磁材料，其磁性相當(dāng)于氣隙，阻礙了直軸方向磁力線的通過(guò)，使得直軸電感很??；
b、允許跨軸磁力線貫穿整個(gè)轉(zhuǎn)子表面，跨軸磁阻小，使電機(jī)獲得大的跨軸電感；
C.因?yàn)殡姍C(jī)的交流DC軸電感差別很大，可以獲得更大的凸極比，產(chǎn)生更大的磁阻轉(zhuǎn)矩。與同樣輸出轉(zhuǎn)矩能力的永磁同步電機(jī)相比，所需永磁體數(shù)量會(huì)少很多。磁鋼材料可以采用磁性能較弱的非稀土永磁材料，或者降低磁鋼的等級(jí)，以節(jié)省永磁材料和電機(jī)制造成本。與永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子方案相比，在磁鋼用量不變的情況下，該方案可以提高輸出轉(zhuǎn)矩能力。
D.由于電機(jī)永磁磁場(chǎng)的磁密度較低，電樞磁場(chǎng)的削弱能力更明顯、更強(qiáng)，使電機(jī)具有更寬的削弱調(diào)速范圍，在電機(jī)高速失控時(shí)，不會(huì)造成過(guò)電壓危險(xiǎn)，從而保護(hù)電氣設(shè)備；
E.與永磁同步電機(jī)相比，永磁輔助磁阻同步電機(jī)永磁體的渦流損耗和鐵損明顯降低，高速區(qū)效率提高。另外，如上所述，寶馬-I3驅(qū)動(dòng)電機(jī)的定子采用了高磁導(dǎo)率能的硅鋼片(厚度為0.15mm)，也非常有利于降低鐵損。所以無(wú)論是測(cè)試結(jié)果還是寶馬官網(wǎng)的宣稱，這款電機(jī)95%的效率區(qū)域都是非常大的，使得寶馬-I3搭載了同樣電池的新電機(jī)，汽車的續(xù)航能力得到了提升。
3.轉(zhuǎn)子極數(shù)為12:用于驅(qū)動(dòng)新能源汽車的永磁同步電機(jī)大多為8極，極數(shù)越多電磁轉(zhuǎn)矩越穩(wěn)定，但鐵損越高。同時(shí)，在磁鋼數(shù)量相同的前提下，增加極數(shù)可以有效提高總電磁轉(zhuǎn)矩。所以對(duì)于永磁輔助磁阻同步電機(jī)，為了提高電磁轉(zhuǎn)矩，減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，應(yīng)該采用多極多槽配合方案，就像寶馬-I3驅(qū)動(dòng)電機(jī)72槽12極的方案一樣。
綜上所述，寶馬-I3采用的永磁輔助磁阻同步電機(jī)在提高電機(jī)輸出性能、降低成本方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景，尤其是在多層轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)空間的大型客車電機(jī)中。詳細(xì)的電磁分析請(qǐng)參考電磁仿真對(duì)比報(bào)告。
（三）端板
在轉(zhuǎn)子鐵芯的兩個(gè)軸向端面，寶馬-I3驅(qū)動(dòng)電機(jī)的端板設(shè)計(jì)方案與我公司隔磁板略有不同。其壓緊結(jié)構(gòu)采用螺栓穿過(guò)轉(zhuǎn)子鐵芯，另一端面用螺母壓緊。詳情見(jiàn)下圖：
寶馬-I3驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端板采用鋁板設(shè)計(jì)，中間板薄外圓厚的設(shè)計(jì)增加了端板外圓的剛性。主要原因在于轉(zhuǎn)子的兩個(gè)磁層和兩側(cè)開(kāi)槽的結(jié)構(gòu)，使得無(wú)法在外圓附近布置重疊的鉚接點(diǎn)。因此，增加了外圓的厚度，采用了加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)，同時(shí)采用了螺栓連接，使轉(zhuǎn)子沖片能夠壓緊，保證了轉(zhuǎn)子沖片的質(zhì)量
BMW-I3電機(jī)采用空心軸整體鍛造工藝，優(yōu)點(diǎn)是材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得非常堅(jiān)固致密，顯著提高了機(jī)械性能，并且比機(jī)加工實(shí)心軸更輕。但缺點(diǎn)是空心軸鍛造工藝成本增加，模具成本昂貴，適合批量生產(chǎn)。另一方面，轉(zhuǎn)子鐵心與軸采用過(guò)盈無(wú)鍵聯(lián)接配合，對(duì)于極角傾斜、轉(zhuǎn)速要求高的電機(jī)，過(guò)盈無(wú)鍵聯(lián)接的動(dòng)平衡優(yōu)于鍵聯(lián)接。電機(jī)主軸輸出端采用深溝球軸承6306，后軸承采用6006，均為印度NBC的產(chǎn)品。軸向軸由彈性擋圈限制，以防止其軸向移動(dòng)。
通過(guò)本次奧迪-P2汽車的基準(zhǔn)拆解，后續(xù)設(shè)計(jì)研發(fā)需要注意以下幾點(diǎn)：
1.針對(duì)定子槽的設(shè)計(jì)，在減少加工和離線工時(shí)的同時(shí)，從電磁和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩方面研究如何改進(jìn)槽結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大的缺點(diǎn)。
2.研究0.55mm厚的不銹鋼片P2電機(jī)作為隔磁板，可以減輕原隔磁板的重量，減少加工和裝配的工時(shí)。
3.P2電機(jī)水路采用鋼制件設(shè)計(jì)，如果有強(qiáng)度要求，在后期新電機(jī)設(shè)計(jì)中可以考慮鋼制件。另外，P2電機(jī)在水阻測(cè)試時(shí)水阻相對(duì)較小。后期設(shè)計(jì)這種大直徑小軸向的電機(jī)時(shí)，參考其水路形式和截面積。
4.對(duì)于連接器和線束，電機(jī)內(nèi)部零件全部采用整體注塑密封設(shè)計(jì)，以研究結(jié)構(gòu)是否能提高抗震和耐腐蝕性能。
5.5的水嘴。P2電機(jī)是注塑的，結(jié)構(gòu)和我們公司差不多，但是材質(zhì)不一樣。后期需要評(píng)估其性價(jià)比是否有優(yōu)勢(shì)。
6.6的鍛造工藝。采用P2轉(zhuǎn)子輪轂，中心沒(méi)有沉孔。轉(zhuǎn)子輪轂和轉(zhuǎn)子鐵芯采用過(guò)盈配合裝配，對(duì)ISG電機(jī)的后期開(kāi)發(fā)具有借鑒和研究意義。
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