在交通运输脱碳的无数挑战中，最引人注目的挑战之一涉及电动机。 在世界各地的实验室中，研究人员现在正在寻求一项突破，以加速向电动交通的过渡：一种坚固、紧凑、强大的电动机，具有高功率密度和承受高温的能力，而这并不意味着。 t 有稀土永磁体。
这是目前全球一些最优秀的机器设计师所面临的巨大挑战。 他们中的不少人都在 采埃孚腓特烈港股份公司，全球最大的汽车行业零部件供应商之一。 事实上，采埃孚去年年底宣布已制造出一款不使用稀土元素的 220 千瓦牵引电机，令分析师感到震惊。 此外，该公司还宣布，他们的新型电机具有与目前在汽车领域占据主导地位的稀土永磁同步电机相当的特性。 电动汽车。 最多 电动汽车 拥有 150 至 300 千瓦的稀土磁体电机，功率密度介于 1.1 和 3.0 千瓦每公斤。 与此同时，该公司表示，他们已经开发出一款处于该范围中间的无稀土电机：220 kW。 （该公司尚未透露其电机的比功率，即额定千瓦/千克。）
采埃孚机器 是一种称为他励（或双励）同步电动机的类型。 它的定子和转子中都有电磁体，因此它消除了当今道路上几乎所有电动汽车电机转子中使用的稀土永磁体。 在一个 他励同步电动机，施加到定子电磁体的交流电建立旋转磁场。 施加到转子电磁体的单独电流为它们通电，产生锁定旋转定子磁场的磁场，从而产生扭矩。
“事实上，95%的稀土是在中国开采的。 这意味着，如果中国决定不让其他人拥有稀土，我们就无能为力。” —Otmar Scharrer，采埃孚腓特烈港股份公司
到目前为止，这些机器还没有在电动汽车中大量使用，因为它们需要一个单独的系统将动力传输到旋转的转子磁体，并且没有理想的方法来做到这一点。 许多此类电机使用滑块和电刷与旋转表面进行电接触，但电刷会产生灰尘并最终磨损。 或者，可以通过电感来传输电力，但在这种情况下，设备通常很笨重，使得单元复杂并且物理上又大又重。
不过现在，采埃孚表示，它已经通过其实验性电机解决了这些问题，该电机被称为 我2SM （适用于转子内感应励磁同步电机）。 除了不使用任何稀土元素外，与永磁同步电机相比，该电机还具有其他一些优势。 这些都与这样一个事实有关：这种电机技术能够精确控制转子中的磁场，这是永磁体无法实现的。 例如，这种控制反过来又允许改变磁场，从而在高速下获得更高的效率。
ZF Friedrichshafen AG 总部位于德国巴登-符腾堡州，以 丰富的研发底蕴 和 许多商业上成功的创新 其历史可以追溯到 1915 年，当时它开始为齐柏林飞艇供应齿轮和其他零件。 如今，该公司在 31 个国家拥有约 168,000 名员工。 其电机和电动传动系统的客户包括 梅赛德斯-奔驰, 宝马， 和 捷豹路虎。 （去年年底，在宣布我2SM公司宣布出售其3,000,000th 发动机。）
采埃孚刚刚展示了无稀土电动汽车电机的前进方向吗？ 想要了解更多关于我2SM 和 ZF 对电动汽车牵引电机未来的愿景， 光谱 伸手去 奥特玛·沙雷尔，采埃孚电气化动力总成技术研发高级副总裁。 为了简洁明了，我们对他的采访进行了编辑。
奥特玛·沙雷尔谈…
IEEE 频谱：为什么消除或减少牵引电机中稀土元素的使用很重要？
采埃孚股份公司 (ZF Friedrichshafen AG) 的 Otmar Scharrer 正在领导一个团队探索制造不依赖永磁体和中国稀土垄断的电机的方法。 采埃孚集团
奥特玛·沙雷尔: 嗯，有两个原因。 一是可持续性。 我们称它们为“稀土”，因为它们在地球上确实很稀有。 您需要移动大量土壤才能获得这些材料。 因此，它们的占地面积相对较高，因为它们通常是用挖掘机和大型卡车从矿井中挖出的。 这会产生一些环境污染，当然也会改变景观。 这是一回事。 另一个是它们相对昂贵。 当然，这是我们作为第一层始终谨慎解决的问题 [automotive industry supplier]。
事实上，95%的稀土产自中国。 这意味着，如果中国决定不让其他人拥有稀土，我们就无能为力。 回收圈 [for rare earth elements] 行不通，因为那里没有足够的电动机。 他们仍然有活跃的一生。 当你的产量急剧增加时，当你的产量急剧增加时，你永远无法通过回收来满足你的需求。 只有当您有持续的业务并且您只是更换那些出现故障的设备时，回收才会起作用。 我确信这将会到来，但是当陡峭的增长结束后我们才会看到这一点。
“功率密度与永磁电机相同，因为我们都生产这两种电机。 我可以告诉你，没有什么区别。” —Otmar Scharrer，采埃孚腓特烈港股份公司
您问了一个很好的问题：典型的牵引电机含有多少稀土金属？ 我不得不问我的工程师。 这是个有趣的问题。 我们大多数电动机的功率范围为 150 至 300 千瓦。 这是乘用车的主要动力范围。 这些电机通常含有 1.5 公斤的磁铁材料。 这种材料中的 0.5% 到 1% 是纯净的 [heavy rare-earth elements]。 所以这并不过分。 只有5到15克。 但是，是的，这是一种非常难以获得的材料。
这就是这个原因 [permanent-] 无磁电机。 这个概念本身并不新鲜。 它已经使用了很多年，几十年了，因为通常发电是用这种电机完成的。 因此，如果您有一个巨大的发电厂，例如燃气发电厂，那么您通常会发现像发电机这样的外部励磁机器。
由于它们的重量和尺寸，我们没有将它们用于乘用车或移动应用。 一些重量和尺寸问题直接来自于需要在转子中产生磁场，以取代转子 [permanent] 磁铁。 您需要将铜线圈置于通电状态下。 所以你需要在转子内部输送电流。 这通常是通过滑块完成的。 这些滑块会产生损失。 这是一件事，因为通常碳刷接触金属环，以便可以导电。
这些刷子使装置在轴方向上轴向更长？
沙雷尔： 确切地。 这才是重点。 您需要一个能够激励电机的逆变器。 普通逆变器有三相，然后您需要第四相来为转子通电。 这是第二个障碍。 许多原始设备制造商或电动汽车公司尚未准备好这项技术。 令人惊讶的是，第一个将其投入正式生产的是 [Renault]。 那是一辆非常小的汽车，一辆雷诺。 [Editor’s note: the model was the Zoe, which was manufactured from 2013 until March of this year.]
它的电动机功率相对较弱，只有 75 或 80 千瓦。 他们决定这样做是因为在电动汽车中，这种外部激励的机器具有巨大的优势。 您可以关闭和打开磁场。 这是一个很大的安全优势。 为什么要安全？ 想一想。 如果您的自行车有发电机 [for a headlight]，它的工作原理类似于电动机。 如果您在移动并且连接到车轮的发电机正在旋转，那么它就会发电。
“我们的效率约为 96%。 所以，损失很小。” —Otmar Scharrer，采埃孚腓特烈港股份公司
汽车中的电机也发生同样的情况。 如果您以每小时 75 英里的速度在高速公路上行驶，然后您的整个系统突然崩溃，会发生什么？ 在永磁电机中，由于转子磁铁仍在定子磁场中旋转，因此会产生巨大的电压。 但在无永磁电机中，什么也不会发生。 你刚刚关机。 所以它是自我安全的。 这是一个很好的功能。
如果您高速行驶，第二个功能会更好。 高速大约是每小时 75、80、90 英里。 这在大多数国家都不太常见。 但这是德国现象，在这里非常重要。
人们喜欢开快车。 然后您需要解决弱磁区域的问题，因为 [at high speed]，磁场会太强。 你需要削弱磁场。 如果你没有 [permanent] 磁铁，这很简单：您只需将电感应磁场调整到适当的值即可，并且不需要弱化磁场的要求。 这会导致高速时的效率更高。
你称这种磁场高速减弱？
沙雷尔：您需要减弱磁场以保持运行稳定。 这种减弱是由电池产生的额外电力引起的。 因此，电动机的效率较低。
未来电动汽车电机最有前途的概念是什么？
沙雷尔：我们相信我们的概念是最有前途的，因为正如您几分钟前指出的那样，当我们制作外部激励电机时，我们的实际长度正在增长。 我们想了很多我们可以做些什么来克服这个障碍。 我们得出的结论是，让我们通过电感来进行感应。 竞争对手也这样做了，但他们只是用电感发射器代替了滑环。
“我们相信，我们可以制造出与永磁体相同尺寸、相同功率水平的电动机。” —Otmar Scharrer，采埃孚腓特烈港股份公司
而这并没有改变这种情况。 我们所做的，是将感应单元缩小到转子轴的尺寸，然后将其放入轴内。 因此，我们减少了轴向长度 50 至 90 毫米的增长。 因此，最终结果是，与 PSM 相比，电机缩小了，外壳变小了，重量更轻了，并且具有相同的性能密度 [permanent-magnet synchronous motor] 机器。
到底什么是感应励磁机？
沙雷尔：感应励磁机的意思就是无需接触任何东西即可传输电力。 你用磁场来做到这一点。 我们是在转子轴内部进行的。 这是能量从外部传输到轴的地方 [and then to the rotor electromagnets]。
那么转子轴与电机轴（实际扭矩轴）有什么不同吗？
沙雷尔： 一样的。
我所知道的电感是在变压器中，线圈彼此相邻，并且可以从另一个线圈中的通电线圈感应出电压。
沙雷尔：这正是我们的转子轴中发生的情况。
那么，您使用专门设计的线圈，并且从一个线圈到另一个线圈感应出电压吗？
沙雷尔： 是的。 我们有一个非常整齐的小包装，其直径不到 30 毫米。 如果可以将其缩小到该值，则可以将其放入转子轴内。
当然，如果你有两个线圈，并且它们彼此相邻，那么就会有间隙。 所以这个间隙可以让你旋转，对吗？ 由于它们不接触，因此可以独立旋转。 所以你必须设计一些可以转移场的东西。 换句话说，即使其中一个在旋转，它们也可以耦合。
沙雷尔：我们的转子轴中有一个线圈，它随轴旋转。 然后我们还有另一个固定在转子轴内部，而轴绕其旋转。 并且中间有一个气隙。 一切都发生在转子轴内部。
效率如何？ 你失去了多少力量？
沙雷尔：我们的效率约为 96%。 所以，损失很小。 对于磁场来说，你不需要很多能量。 您需要 10 到 15 千瓦的电场。 假设传输功率为 10 千瓦，则损耗约为 400 瓦。 这 [relatively low level of loss] 很重要，因为我们不会主动冷却设备，因此它需要这种高效率。
电机不是用液体冷却的吗？
沙雷尔：电机本身采用油进行主动冷却，但感应单元采用被动冷却，将热量传递到附近的冷却结构。
“好的发明总是很容易的。 如果你看起来像一名优秀 IP 的工程师，那么你会说，‘好吧，看起来不错。’” —Otmar Scharrer，采埃孚腓特烈港股份公司
您制造过的最大电机是多少，或者您认为可以制造的最大电机是多少（千瓦）？
沙雷尔：我们认为这项技术没有限制。 我们坚信，我们可以制造出与永磁体相同尺寸、相同功率水平的电动机。
您可以生产 150 千瓦或 300 千瓦的电机吗？
沙雷尔： 绝对地。
到目前为止你做了什么？ 你建造了哪些原型？
沙雷尔：我们有一个 220 千瓦的原型机。 例如，我们可以轻松地将其升级到 300。 或者我们可以将其缩小到 150。这总是很容易。
您的这款电机的具体功率是多少？
沙雷尔：你的意思是千瓦每公斤？ 老实说，我不能告诉你。 很难比较，因为它总是取决于边界在哪里。 你永远不会拥有单独的发动机。 您也总是需要住房。 您在计算中包括住房的哪一部分？ 但我可以告诉你一件事：功率密度与永磁电机相同，因为我们两者都生产。 我可以告诉你，没有什么区别。
您目前与哪些汽车制造商签订了协议？ 您是否为某些汽车制造商提供电动机？ 现在您的客户有哪些？
沙雷尔：例如，我们为宝马、捷豹路虎提供专用混合动力变速箱，为梅赛德斯-奔驰和吉利莲花提供电桥驱动器。 当然，我们正在开发许多其他应用程序。 我想你明白我不能谈论这个。
那么，你们为宝马、路虎、梅赛德斯-奔驰提供电动机和传动系统部件吗？
沙雷尔：宝马和路虎。 我们提供专用混合动力变速箱。 我们提供八速自动变速箱和高达 160 千瓦的混合动力电机。 它是最好的混合动力变速箱之一，因为您可以用 160 千瓦的功率进行全电动驱动，这相当了不起。
“我们在功率密度和其他特性方面实现了相同的值，对于 [permanent] 磁铁电机。 这确实是一个突破，因为据我们所知，这以前从未发生过。” —Otmar Scharrer，采埃孚腓特烈港股份公司
为了在转子轴内传输动力，您必须克服哪些主要挑战？
沙雷尔：主要的挑战始终是它需要非常小。 同时，它需要超级可靠，而且需要简单。
一个好的发明总是很容易的。 当你看到它时，如果你看起来像一个好的IP工程师 [intellectual property]，然后你说，“好吧，看起来不错”——很明显这是一个好主意。 如果这个想法很复杂并且需要解释而你又不理解它，那么通常这不是一个好实现的想法。 这一个非常简单。 直截了当。 这是个好主意：将其收缩，放入转子轴中。
所以你的意思是很容易解释？
沙雷尔： 是的。 很容易解释，因为这显然是一个有趣的想法。 您只需说：“让我们使用转子轴的一部分将电力传输到转子轴中，然后我们就可以从无磁电机上切掉额外的长度。” 好的。 这是一个很好的答案。
我们这里有很多IP。 这很重要，因为如果你有想法，我的意思是，想法就是最重要的。
具体在重量和转子轴等方面节省了哪些？
沙雷尔: 好吧，我再次以非常笼统的方式回答。 对于功率密度和其他特性，我们实现了相同的值，对于 [permanent] 磁铁电机。 这确实是一个突破，因为据我们所知，这以前从未发生过。
您认为该电机会在今年年底或明年之前上市吗？
沙雷尔：你的意思是可以用于严肃的应用程序吗？
是的。 如果大众汽车来找你说，“看，我们想在我们的下一辆汽车中使用这个”，你能在今年年底之前做到这一点，还是必须在 2025 年？
沙雷尔：那必须是 2025 年。我的意思是，从技术上来说，电动机已经发展得很远了。 它已经处于 A-sample 状态，这意味着我们……
是什么样的状态？
沙雷尔： 一个样品。 在汽车行业，你有A、B或C。对于A样本，你拥有所有功能，并且你拥有产品的所有特性，并且这些都是安全的。 然后 B- 是，您不再在原型车间生产，但您正在靠近可能很严重的生产线进行生产。 C 样本意味着您正在使用严格的夹具和工具进行生产，但不是在 [mass-production] 线。 所以这是一个 A 样本，这意味着它距离传统的 SOP 大约一年半 [“Start of Production”] 与我们的客户。 所以我们可以很快。
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