作者的设计代表了电动机发展中的一个新词在20世纪的前十年中，美国所有汽车中有38％由电力驱动-随着1920年代ICE统治地位的增长，这一比例几乎降至零。 如今，节能和减少有害排放物的愿望为电动汽车注入了新的活力，但它们的高成本和有限的行驶里程阻碍了其销售。
解决这些问题的大多数尝试都与改进电池有关。 当然，改善能量存储系统（无论是电池还是燃料电池）应该仍然是改善电动汽车的任何策略的一部分，但是汽车的另一个基本组成部分（电动机）仍有改进的潜力。 在过去的四年中，我们一直在研究用于电动汽车和卡车的牵引电动机的新概念。 与传统车型相比，我们的最新发展大大提高了效率-足以使电动汽车更实用，更实惠。
去年，我们在全面的实验室测试中证明了电机的性能，尽管距离将其放置在汽车中还很遥远，但我们有充分的理由相信它也将在汽车中展示自己。 即使我们在电池技术上没有任何进展，我们的电动机也将能够增加现代电动汽车的行驶里程。
要了解我们任务的复杂性，有必要回顾一下电动机（EM）电路的基础知识。 与ICE相比，EM更简单；它们只有几个关键组件。 机械师需要外壳。 因为它不移动，所以称为定子。 需要转子，旋转轴并产生扭矩。 为了使电动机工作，定子和转子必须利用磁力相互作用，将电能转化为机械能。
电机的概念在磁性接口领域完全不同。 在直流收集器电动机中，电流流过沿收集器组件滑动的电刷。 电流流经集电极并将能量传递到转子上的绕组。 绕组由永磁体或定子电磁体排斥。 沿着集电极滑动的电刷周期性地改变电流方向，并且转子和定子的磁铁一次又一次地相互排斥，其结果是转子旋转。 换句话说，旋转运动是由一个变化的磁场提供的，该磁场由将线圈连接到电流源的集电极产生，并在转子旋转时周期性地改变电流方向。 然而，该技术限制了扭矩并且遭受磨损。 它不再用于牵引EM。
现代电动汽车使用来自逆变器的交流电。 在此，在定子中而不是在转子中产生动态旋转磁场。 这使我们能够简化通常比定子复杂的转子电路，从而简化了与EM开发相关的所有任务。
交流电动机有两种类型：异步电动机和同步电动机。 我们将专注于同步，因为它们通常会更好，更高效地工作。
先进的冷却系统将流体直接通过线圈（左）而不是通过电机盖（右）传导同步电动机也有两种类型。 更加流行的是永磁同步电机（PMSM），它使用内置在转子中的永磁体。 为了使其旋转，在定子中组织了旋转磁场。 由于定子绕组连接到交流电源而获得了该磁场。 在运行过程中，转子的永磁体的磁极被定子的旋转磁场捕获，这使转子旋转。
这种方案在雪佛兰Volt和Bolt，BMW i3，日产Leaf和许多其他汽车中使用，在峰值时可以达到97％的峰值效率。 永磁体通常由稀土制成； 引人注目的例子是1982年由通用汽车公司和住友公司开发的非常强大的钕磁铁。
磁极同步同步电动机[Salient-Polar同步电机，SPSM]使用电磁体，而不是转子内部的常数。 极是呈向外管子形式的线圈，就像车轮的轮辐一样。 转子中的这些电磁体由通过滑环连接到它们的直流电源供电。 接触环与集电极不同，不会改变电流方向。 转子的北极和南极是静止的，电刷不会很快磨损。 与PMSM一样，转子由于定子磁场的旋转而旋转。
由于需要通过滑环为转子电磁铁供电，因此这些电动机的峰值效率通常会略低-在94％至96％的范围内。 相对于PMSM的优势在于转子的现场可定制性，这使转子可以更有效地在高速下产生扭矩。 当用于加速汽车时，总效率会提高。 雷诺（Renault）的Zoe，Fluence和Kangoo车型是此类量产汽车中此类发动机的唯一制造商。
电动汽车必须不仅具有有效的部件，而且还必须具有轻的部件。 提高功率重量比的最明显方法是减小电动机的尺寸。 但是，这样的机器对于相同的转速将产生较小的扭矩。 因此，为了获得更多的能量，必须以更高的速度旋转电动机。 当今的电动汽车以12,000 rpm的转速运行； 下一代将以20,000 rpm的速度运行电机； 运转速度为30,000 rpm的电动机已经在研究中。 问题是速度越高，变速箱越困难-电动机的速度比车轮的速度高得多。 变速箱的复杂性导致大量的能量损失。
理想的风暴：在作者的版本（上）中，洛伦兹力和偏置电感（灰色）组合成等于2的最大总力（蓝色）。在常规电动机中（下图），两个力的总和-洛伦兹力和磁阻（灰色）给出了总力（蓝色），仅达到1.76的峰值，转子运行角为0.94 rad。 在这个例子中的差异是14％改善功率重量比的第二种方法是增加磁场强度，从而增加扭矩。 这就是在线圈中增加铁芯的意思-尽管这增加了重量，但也将磁通密度提高了两个数量级。 因此，几乎所有现代EM都在定子和转子中使用铁芯。
但是，有一个减号。 当场强增加到一定极限时，铁失去增加磁通密度的可能性。 通过添加添加剂和改变铁的制造工艺，可以对饱和度产生一些影响，但即使是最有效的材料，也只能限制在1.5 V * s / m
2 （每秒每平方米的伏特数，或Tesla，T）。 只有非常昂贵且稀有的真空钴铁材料才能达到2 T或更高的磁通密度。
最后，增加扭矩的第三种标准方法是通过放大流经线圈的电流来放大磁场。 再次有局限性。 增加电流，电阻损耗将增加，效率将降低，并且会出现热量，从而损坏电机。 对于电线，可以使用导电性比铜更好的金属。 银线也存在，但是在这样的设备中使用银线会非常昂贵。
增大电流的唯一实用方法是控制热量。 先进的冷却解决方案将流体传导到定子外侧，紧挨着线圈，而不是远离线圈。
所有这些步骤有助于提高重量与功率比。 在电动赛车中，成本无关紧要，发动机可以达到每千瓦0.15千克，这可与一级方程式的最佳ICE媲美。
我和学生们为三年前
参加学生方程式的汽车
开发并创造了这种高性能的电动机。 我们在卡尔斯鲁厄理工学院电子技术研究所的
实验室中创建了电动机。 每年，该团队都会生产一台新机器，其中包括改进的电机，变速箱和电力电子设备。 该车有四个电动机，每个车轮一个。 它们各自的直径仅为8厘米，长度为12厘米，重量为4.1千克，持续产生30千瓦的功率，在峰值时产生50千瓦的功率。 2016年，我们的团队
获得了世界冠军 。
因此，如果成本不打扰您，这确实可以实现。 主要问题是，是否可以在您可以购买的机器上使用这种提高效率的技术进行批量生产？ 我们创建了这样的电机，因此问题的答案是肯定的。
我们从一个简单的想法开始。 电动机在电动机的作用和发电机的作用中均能很好地工作，尽管这种对称性对于电动车辆并不是特别必要。 汽车需要一个比起发电机更好地工作的电动机-后者仅用于再生制动期间的电池充电。
要理解这个想法，请考虑PMSM电机的运行。 在这样的电动机中，两个力产生运动。 首先，由于转子中的永磁体而产生的力。 当电流流过定子的铜线圈时，它们会产生磁场。 随着时间的流逝，电流从一个线圈流到另一个线圈，并导致磁场旋转。 旋转的定子磁场吸引转子的永磁体，然后转子开始运动。 该原理基于洛伦兹力，该力会影响带电粒子在磁场中的运动。
但是现代的EM会从磁阻中吸收部分能量，磁是将铁块吸引到磁铁的力。 旋转的定子磁场同时吸引永磁体和转子铁。 洛伦兹力和磁阻并排工作，并且-取决于电动机电路-彼此大致相等。 当转子和定子的磁场对齐时，两个力大约等于零。 随着它们之间的角度增加，电动机产生机械能。
在同步电动机中，定子磁场和转子磁场共同工作，而没有异步电机中存在的延迟。 定子磁场与转子磁场成一定角度，可以在运行过程中对其进行调整以实现最大效率。 可以预先计算在给定电流下产生扭矩的最佳角度。 然后，随着电流的变化，它会调整到向定子绕组提供交流电的电力电子系统。
但这是一个问题：当定子磁场相对于转子位置移动时，洛伦兹力和磁阻会增加或减少。 洛伦兹力以正弦曲线形式增加，从参考点（从定子磁场和转子磁场对齐的点）开始达到90度的峰值。 耐躁性的强度以两倍快的速度周期性变化，因此在45度达到峰值。
由于力在不同点达到峰值，因此最大电动机功率小于其各部分的总和。 假设对于某个工作时刻的特定电动机，事实证明，最大总力的最佳角度为54度。 在这种情况下，该峰值将比两个力的总峰值小14％。 这是该方案的最佳折衷方案。
如果我们可以重新制造此电动机，以使两个力在周期的某一点达到最大值，则电动机功率将免费增加14％。 作为发电机，您只会失去运营效率。 但是，如下所示，我们找到了一种恢复这种能力的方法，以便电动机在制动过程中更好地恢复能量。
发展完美水平的电机领域并非易事。 问题在于新混合方案中PMSM和SPSM的结合。 结果是混合同步电动机的磁阻轴偏移。 实际上，该电动机使用导线和永磁体在转子中产生磁场。
其他人则尝试朝这个方向努力，然后拒绝了这个想法-但他们只想使用永磁体来放大电磁场。 我们的创新是仅使用磁体来赋予磁场精确的形状，以最佳地对齐两个力-洛伦兹力和磁阻力。
开发中的主要问题是找到一种转子设计，该设计可以改变磁场的形状，同时又保持足够的强度，可以高速旋转而不会破裂。 我们电路的中心是多层转子结构，该结构在铁芯上承载铜绕组。 我们将永久磁铁粘在铁芯的两极上。 额外的尖峰阻止它们飞出。 为了使所有部件保持在适当的位置，我们使用了坚固轻巧的钛销，这些销穿过转子的电磁极，并被螺母拉到不锈钢环上。
我们还找到了一种解决原始电动机的缺点的方法，可以在发电机运行期间减小转矩。 现在，我们可以更改转子中磁场的方向，以使再生制动期间的发电与电动机模式一样有效。
我们通过在发电机模式下运行期间改变转子绕组中电流的方向来实现这一目标。 它的工作原理如下。 想象一下转子的原始外观。 如果沿着其周长行走，您会发现电磁（E）和永磁（P）源的北极和南极的特定顺序：NE，NP，SE，SP。 重复此顺序的次数与电动机中的极对一样多。 通过改变绕组中电流的方向，我们可以改变电磁极的方向，因此只有电磁极的顺序变为SE，NP，NE，SP。
研究了这两个序列后，您会发现第二个序列与第一个序列相似，但向后。 这意味着当转子中的电流反向时，转子可用于电动机模式（第一序列）或发电机模式（第二序列）。 因此，无论是作为电动机还是作为发电机，我们的机器都比常规电动机更有效地工作。 在我们的原型上，改变电流方向花费的时间不超过70毫秒，这对于汽车来说足够快。
去年，我们在工作台上制造了原型电动机，并对其进行了严格的测试。 结果很明显：在具有相同功率电子设备，定子参数以及其他常规电动机限制的情况下，该机器在峰值时能够提供将近6％的扭矩和2％的效率。 在行驶周期中，结果甚至更好：它减少了4.4％的能量。 这意味着使用此引擎一次充电行驶100公里的汽车将行驶104.4公里。 我们获得的额外里程几乎一无是处，因为在我们的方案中只有很少的额外部件，明显比额外的电池便宜。
我们联系了几家设备制造商，他们发现我们的概念很有趣，尽管要在量产车中看到这些不对称电动机之一仍需要很长时间。 但是，因此，它将成为一种新的标准，因为从您拥有的能源中提取所有可能的利益对于汽车制造商和我们整个社会来说都是当务之急。