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在20世纪的头10年里，美国38%的汽车都使用电力驱动，而随着内燃机在20世纪20年代上升到主导地位，这一比例近乎降至零。今天所倡导的降低污染、节能驾驶为电动汽车带来了新的生机，但其应用成本较高且续航里程有限，导致销售数据仍然较低。解决这些问题的大多数研究都在改进电池。当然，更好的蓄电系统——无论是蓄电池还是燃料电池——必将继续成为电动汽车改进策略的一部分，但另一个汽车基本部件——电机——也有很大的改进空间。在过去4年中，我们一直在研究一种新概念电动牵引电机，用于电动汽车和卡车的那种。与传统设计相比，我们的最新设计提高了效率，能够使电动汽车更加经济、实用。
去年，我们在试验台上对该原型电机进行了大量测试，虽然还需要一段时间才能将这种电机安装在汽车上，但我们有理由相信它在实际应用中也会拥有出色的表现。因此，即使蓄电池技术没有更多进展，我们的电机也可能提高如今电动汽车的续航里程。
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为了了解这种挑战，我们先对电机设计基础知识进行简要回顾。与内燃机相比，电机构造简单，只有少量关键部件。出于机械原因，需要一个外壳；由于其保持固定不动，故称为定子。还需要一个转子使轴旋转并产生扭矩。为了使电机工作，定子和转子需要磁性相互作用，将电能转换成机械能。
这个磁性接口是使电机概念出现分化的地方。在电刷式直流电机中，直流电通过换向器上方滑动的电刷。电流流经换向器，为转子中的绕组提供能量。这些绕组受到定子中的永磁体或电磁铁排斥。当电刷在换向器上方滑动时，会周期性地改变电流方向，使得转子和定子磁体重复不断地有序相互排斥，从而使转子旋转。换句话说，旋转运动是由换向器产生的变化磁场引起的，该换向器将线圈连接到电源上，并随转子转动而循环地改变电流方向。但是，这种技术限制了扭矩并易于磨损，因此不再用于牵引传动。
现代电动汽车使用由逆变器提供的交流电。此时，动态的旋转磁场在定子而非转子中产生。这种特性降低了转子的设计限制（通常转子设计要比定子复杂得多），从而减轻了整体设计的难度。
交流电机有两种：异步电机和同步电机。我们将重点讨论同步电机，因为这种电机通常性能更好、效率更高。
同步电机也有两种类型。更常见的类型是永磁同步电机（PMSM），该电机使用嵌入转子中的永磁体。如上所述，为了使转子旋转，定子中会形成旋转磁场。这种旋转磁场由连接交流电源的定子中的绕组产生。在工作时，转子永磁体的磁极锁定在定子的旋转磁场内，从而驱动转子旋转。
这款设计在雪佛兰Volt和Bolt、宝马i3、日产聆风等多款车型上得到了应用，峰值效率高达97%。它们的永磁体通常采用稀土材料制造；典型的例子是通用汽车和住友公司在1982年开发的非常强大的钕磁铁。
凸极同步电机（SPSM）在转子内使用电磁铁，而不是永磁体。磁极是类似管子的线圈，其从转子的轮毂上指向四周，就像车轮上的许多辐条一样。转子中的这些电磁铁由通过滑环连接到线圈的直流电供电。滑环与直流电机中的换向器不同，不会使转子线圈中的电流换向。因此，转子的北极和南极是静止不变的，电刷不会很快磨损。而且，像永磁同步电机一样，凸极同步电机转子的运动是由定子的旋转磁场驱动的。
由于需要通过滑环激励转子的电磁铁，这些电机的峰值效率通常稍低，在94%~96%之间。与永磁同步电机相比，它们的优势在于转子磁场可调整，允许转子在比永磁同步电机中速度更高时也能有效地产生扭矩。因此，用于汽车推进的整体性能可能更优。唯一在汽车生产中使用这种电机的制造商是雷诺汽车，应用在Zoe、Fluence和Kangoo车型中。
电动汽车必须采用效率高且重量轻的部件。提高电机功率重量比的最明显方法是减小电机的尺寸。但是，这种电机在给定的转速下扭矩较小。因此，为了获得相同的动力，就需要以更高的转速来运行电机。今天的电动汽车电机转速约为1.2万转/分；正在开发的下一代电机转速高达2万转/分；达到3万转/分的电机尚处于研究之中。问题在于，更高的速度需要更复杂的变速箱，因为与轮胎所需的转速相比，电机转速太大了。这些复杂的变速箱会造成相当高的能量损耗。
提高功率重量比的第二种方法是提高电机磁场的强度，从而增加扭矩。也就是在线圈中增加一个铁芯，尽管这一步骤增加了重量，但它将磁通密度提高了两个数量级。因此，如今几乎所有的电机都在定子和转子中使用铁芯。
但是，这种方法存在一个缺点。当磁场强度的提高超过一定限度时，铁芯就失去了提高磁通密度的所有能力。这种饱和极限会受到铁芯的材料配比和生产工艺的微弱影响，而最经济的材料的磁通密度极限为约1.5特斯拉。只有非常昂贵和稀有的钴铁真空钢材才能达到2特斯拉或更高的磁通密度。
最后，提高扭矩的第三种标准方法是通过在线圈上传输更多电流来提高磁场强度。这种方法也存在一定的局限性。通过电线传输更多的电流，会增加电阻损耗，从而降低效率并产生可能损坏电机的热量。可以使用导电性能比铜更好的导线，例如银线，但那将非常昂贵。
结果是，唯一切实可行的方法是通过控制热量增加电流。最先进的冷却设计将冷却水直接与绕组一起输送，而不是将水路设置在定子外侧（见插图“流水冷却”）。
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所有这些步骤都有助于提高重量功率比。在不关注成本的电动赛车中，电机的每千瓦输出功率的重量可低于0.15千克，相当于最好的一级方程式内燃机。
实际上，我们和我们的学生在3年前就已为参加方程式学生赛车系列（FormulaStudent Racing Series）的汽车设计和制造了这种高性能电机。我们在德国卡尔斯鲁厄理工学院电工研究所的实验室制造了这种电机。每年，团队都会采用改进的电机、变速箱和其他电子元件制造一辆新车。每辆车有4台电机，每个车轮1台。每台电机直径8厘米，长12厘米，重量4.1千克，能产生30千瓦的连续功率，峰值功率达到50千瓦。2016年，我们的赛车队赢得了世界锦标赛。
所以，如果不考虑成本问题，确实可以做到这一点。真正的问题是，大众市场的电机中能否使用这种性能提升技术，把它用在你可能购买的汽车当中？我们已经制造了这样的电机，所以答案是肯定的。
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我们从一个简单的想法开始。电机无论是作为发动机还是发电机都可以运转良好，不过电动汽车并不需要这种对称化的优势。对于汽车，你希望电机的发动机模式比发电机模式运行得更好，因为后者仅用于在再生制动期间为蓄电池充电。
要理解这个想法，可参照永磁同步电机的工作原理。在这种电机中，产生运动的力实际上有两种。首先是转子中永磁体产生的力。当电流流过定子的铜线圈时，会产生磁场。随着时间的推移，电流从一个线圈进入到下一个线圈，从而使磁场旋转。该旋转的定子磁场吸引转子的永磁体，使转子开始转动。其原理是洛伦兹力，它会影响在磁场中移动的带电粒子。
但是现代电机还可以从磁阻——磁铁对铁块的吸引力——获得额外的功率。因此，定子的旋转磁场会同时吸引转子永磁体和铁芯。洛伦兹力和磁阻同时产生，而且它们形成的力差不多同样强大（取决于电机的设计）。当转子磁场和定子磁场之间夹角为零时，两个力几乎都为零。随着磁场之间角度的增加，电机便形成了机械力。
在同步电机中，定子磁场和转子的旋转角度是固定的，且不存在异步电机中的滞后现象。定子磁场相对于转子具有特定的角度，可以在运行过程中随时调整，以获得最高的效率。可以预先计算给定电流下产生扭矩的最佳角度；然后，随着该电流的改变，通过将交流电馈送给定子绕组的电力系统进行调整。
但是这里的问题是：当相对于转子位置移动定子磁场时，洛伦兹力和磁阻力都会出现周期性变化。洛伦兹力成呈正弦函数增加，在与参考位置（定子和转子磁场夹角为0时）呈90度角时达到峰值。但是，磁阻力以两倍的频率循环，因此在呈45度角时达到峰值（参见插图“完美风暴”）。
由于两种力在不同位置达到峰值，所以电机合力的峰值小于两种力的总和。比方说，在特定的电机设计中，在电机运转的特定位置，54度角恰好是合力达到峰值的最佳角度。在这种情况下，该峰值将比两个力的峰值总和低14%。这是该设计可以提供的最折中方案。
如果我们可以重新设计这种电机，使两个力在周期内的同一时刻达到顶峰，就可以将电机功率提高14%，而且不需要额外的成本。损失的大概只有电机作为发电机时的工作效率。而且，正如我们将在后面解释的那样，我们已经找到了一种恢复这项能力的方法，所以电机可以在制动过程中较好地恢复能量。
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设计定子磁场与转子磁场完美对准的电机并不是一件容易的事。挑战基本上可以归结为：将永磁同步电机和凸极同步电机结合到一个新的混合设计中。结果是形成一个具有位移磁阻轴的混合同步电机。简而言之，该电机使用导线和永磁体在转子内产生磁场。
一些人尝试过（然后放弃了）这个想法，但他们只想使用永磁体来增强电磁场。我们的创新是仅使用磁铁来精确地形成磁场，以便最佳地匹配两个力——洛伦兹力和磁阻力。
我们的主要设计问题是找到一种转子结构，能够对磁场进行调整，且坚固耐用，可以高速运转而不会崩溃。我们的设计中最核心的部分是转子的夹层芯，即在铁芯上搭载铜绕组。我们将永磁体粘合到这个铁芯两极的肩部；额外的尖嘴可以防止二者分离。为了固定所有组件，我们将坚固且轻巧的钛棒穿过转子电磁极，使用螺母将钛棒拧紧到转子两面的不锈钢环上。
我们还发现了早期原型电机的一个缺陷：作为发电机工作时扭矩降低。我们现在可以改变转子中的磁场方向，使得再生制动所需的发电机与发动机一样强大有效。
当电机作为发电机工作时，我们通过反接转子绕组中的电流来实现这一点。以下为其工作原理。首先，考虑我们最初设计的转子。沿转子的周长展示了电磁（E）与永磁（P）源的北极（N）和南极（S）的特定顺序：NE、NP、SE、SP。这种模式重复的次数与电极对数相同。通过反接转子绕组中的电流，电极会单独改变方向，并且磁级顺序现在变为SE、NP、NE、SP等。
如果仔细观察这两个顺序，你会看到第二个顺序与第一个很像，只是方向相反。这意味着转子可以用于发动机模式（第一序列），也可以用于发电机模式（第二个序列），两种模式下转子电流方向相反。这样，我们的电机无论作为发动机还是发电机，都比传统电机更高效。在我们的原型电机上，改变电流只需要不到70毫秒，这么快的速度足以在汽车上使用。
去年，我们在工作台上建造了一台原型机，并进行了全面测试。结果很清楚：使用与传统电机相同的电力电子组件、定子参数和其他设计约束条件，该电机能够提高约6%的扭矩，并且峰值效率可提高2%。在驾驶试验中，改进的效果更好：降低了4.4%的能耗。这意味着，一次充电可以行驶100公里的汽车，采用这种电机则可以行驶104.4公里。提高的额外里程成本也很便宜，因为我们的设计只增加了几个额外的零件，这比增加额外的蓄电池便宜得多。
我们正在与对这个概念感兴趣的几家原始设备制造商取得联系，不过在量产车型上配备这种异步电机可能还需要一段时间。但它一旦亮相，就会成为新的标准配置，因为充分利用车辆的每一分能量，对于汽车制造商乃至整个社会来说，都是首要问题。
作者：Martin Doppelbauer ， Patrick Winzer
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