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電機(jī)誕生于150年前?，F(xiàn)在，西門子正*從頭開始，重新設(shè)計(jì)適用于電動(dòng)汽車的新型電機(jī)。西門子此舉著眼于提高功率密度。

這聽起來就像是發(fā)明家的夢(mèng)想：一臺(tái)幾乎可以將能量轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，平穩(wěn)地加快車輛行駛速度的電機(jī)，其外形竟如此之小巧，因此無需發(fā)動(dòng)機(jī)艙，而只要安裝在輪軸或車輪上。然而，這并非夢(mèng)想；采用電機(jī)而非內(nèi)燃機(jī)提供動(dòng)力的汽車已經(jīng)快要將之變成現(xiàn)實(shí)。

西門子工業(yè)電動(dòng)汽車內(nèi)部系統(tǒng)業(yè)務(wù)部的開發(fā)負(fù)責(zé)人Karsten Michels博士表示，“電機(jī)堪稱*的動(dòng)力總成。”盡管如此，開發(fā)電機(jī)不是件容易事。雖然西門子迄今已擁有約150年的電機(jī)制造歷史，但絕不可能隨隨便便將一款現(xiàn)貨供應(yīng)的工業(yè)電機(jī)安裝到已經(jīng)投產(chǎn)的汽車上。汽車制造商的要求十分苛刻，電機(jī)必須適于通過高度自動(dòng)化的生產(chǎn)流程，安裝到成千上萬輛汽車中。這樣的電機(jī)必須具備很高的輸出功率，同時(shí)又要盡可能地輕巧。它們還必須實(shí)現(xiàn)盡可能最高的運(yùn)行效率，并且哪怕在極端溫度波動(dòng)條件下也能保持正常運(yùn)行。

決定應(yīng)當(dāng)將哪個(gè)開發(fā)目標(biāo)列為重中之重，取決于汽車制造商的需求。就像汽油和柴油引擎一樣，電機(jī)也有多種不同類型。目前，汽車中使用的幾乎每一款電機(jī)都要么是電勵(lì)磁異步電機(jī)，要么是永勵(lì)磁同步電機(jī)。較之于具備同樣輸出功率的同步電機(jī)，異步電機(jī)的重量和體積增加了10%到15%左右，因而其功率密度相對(duì)略低。然而，異步電機(jī)的戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)在于其不要求永磁體，因?yàn)殡娏鞯牧鲃?dòng)本身就形成了磁場(chǎng)。不需要永磁體就意味著不需要稀土金屬如釹。這樣一來，制造異步電機(jī)的企業(yè)就不必依賴于稀土金屬的主要供應(yīng)國(guó)中國(guó)，同時(shí)也無需擔(dān)心關(guān)鍵材料價(jià)格飆升。

異步電機(jī)的一個(gè)*特征是，當(dāng)轉(zhuǎn)速很高時(shí)，其扭矩下降幅度大于同步電機(jī)。對(duì)于未來的異步電機(jī)，主要目標(biāo)是進(jìn)一步提高其功率密度。譬如，研究人員正致力于采用具備更好的磁性和機(jī)械性能的新型金屬薄板來制造電機(jī)，以及優(yōu)化其散熱系統(tǒng)。同燃燒引擎不同的是，電機(jī)的最高輸出功率比平均輸出功率高得多。譬如，一臺(tái)50千瓦電機(jī)可以輕而易舉地在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生高達(dá)120千瓦的功率。這種“電動(dòng)增壓”特性的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)度在很大程度上取決于所用散熱系統(tǒng)的類型。如今的電機(jī)都包裹著一層水外套。更好的散熱方法或許是直接在電機(jī)內(nèi)部吸收額外的熱量。而在旋轉(zhuǎn)的電機(jī)中蛇形盤繞水管的想法，并不像聽起來那么危險(xiǎn)。Michels說：“我們執(zhí)行的電機(jī)試驗(yàn)表明，可以在電動(dòng)汽車中做到這一點(diǎn)。” 異步電機(jī)將受益于這種方法，因?yàn)檫@能更有效地為其載流轉(zhuǎn)子散熱。

Furtive eGT采用的電機(jī)具備刷新紀(jì)錄的效率。Tilo Moser和Franz Wagner正在試驗(yàn)床上對(duì)其動(dòng)力總成進(jìn)行性能檢驗(yàn)。

高達(dá)近97%的效率。毫無疑問，永勵(lì)磁同步電機(jī)是性能的電機(jī)。其能效已經(jīng)接近于97%。在同步電機(jī)中，轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)總是與定子形成的磁場(chǎng)保持精確*，這意味著不會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)差率。其電損耗也低于異步電機(jī)。因此，只要能最大限度地減少其稀土金屬使用量，這種電機(jī)就能贏得開發(fā)工程師的青睞。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的途徑之一是，利用能夠在部分負(fù)荷下像永磁電機(jī)那樣運(yùn)行，同時(shí)亦能利用磁場(chǎng)的單獨(dú)勵(lì)磁滿足較高輸出功率要求的混合型電機(jī)。

電動(dòng)汽車內(nèi)部系統(tǒng)業(yè)務(wù)部不僅想要開發(fā)新的電機(jī)技術(shù)，他們也想優(yōu)化整個(gè)動(dòng)力總成。其目標(biāo)是，通過針對(duì)汽車的要求，改良成熟的工業(yè)傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)，開展客戶定制項(xiàng)目。用于將電池輸出的直流電轉(zhuǎn)換為電機(jī)運(yùn)行所需的交流電的換流器，特別適合這種開發(fā)方式。換流器還為儲(chǔ)蓄電機(jī)在發(fā)電機(jī)模式下工作時(shí)將制動(dòng)能量轉(zhuǎn)換而得的電能創(chuàng)造了可能。Michels指出，“在這一點(diǎn)上，工業(yè)應(yīng)用與汽車應(yīng)用的要求差距甚至比對(duì)電機(jī)的要求差距還要大。”

首先，電動(dòng)汽車所配備的沉重的電池，令每一公斤重量和每一升容量都成為了一個(gè)主要問題。汽車換流器的使用壽命約為8,000個(gè)小時(shí)，比工業(yè)換流器的使用壽命短，并且汽車換流器必須既能承受低溫，又耐得住酷熱。工業(yè)換流器通常采用風(fēng)冷散熱，但汽車應(yīng)用所需的功率密度只能靠水冷解決方案來實(shí)現(xiàn)。Michels解釋道，“不管怎樣，工業(yè)換流器都為我們打下了很好的基礎(chǔ)，特別是就控制準(zhǔn)確度和總體精確度而言。我們還能充分發(fā)揮西門子多年來在調(diào)節(jié)多軸機(jī)床方面積累的廣博的電機(jī)控制技術(shù)專長(zhǎng)。”

當(dāng)電動(dòng)汽車內(nèi)部系統(tǒng)業(yè)務(wù)部在開發(fā)適于大規(guī)模用于電動(dòng)汽車的動(dòng)力總成的同時(shí)，慕尼黑西門子中央研究院（CT）的Tilo Moser博士也在試驗(yàn)動(dòng)力總成技術(shù)的局限性。Moser是Furtive eGT的動(dòng)力總成的開發(fā)者之一。這輛由法國(guó)Exagon公司制造的電動(dòng)汽車，已經(jīng)在賽道上展示了這個(gè)凝結(jié)著他的無數(shù)心血的動(dòng)力總成的非凡性能——實(shí)現(xiàn)了高達(dá)300千瓦的輸出功率和500牛米以上的扭矩。這樣的性能歸功于安裝在后車軸上的兩臺(tái)電機(jī)，而燃燒引擎若要實(shí)現(xiàn)類似的性能，則需要一臺(tái)大型8缸汽油引擎。動(dòng)力單元的最高限速為250公里/小時(shí)，這并非由于它不能以更快的速度推進(jìn)汽車，而是因?yàn)檫@樣做能延長(zhǎng)電池的使用壽命。

開始時(shí)，Moser和他在西門子中央研究院的同事將其完整的電動(dòng)動(dòng)力總成裝配到一輛原型車上。這輛汽車高達(dá)2.6千瓦/公斤的功率密度令Exagon公司深為震撼，因此該公司請(qǐng)西門子為這款已經(jīng)投產(chǎn)并計(jì)劃于2013年底發(fā)布的汽車開發(fā)組件。

現(xiàn)在，電動(dòng)汽車內(nèi)部系統(tǒng)業(yè)務(wù)部與西門子中央研究院正在密切合作，Moser擔(dān)任技術(shù)項(xiàng)目經(jīng)理，F(xiàn)ranz Wagner博士則負(fù)責(zé)監(jiān)管整個(gè)項(xiàng)目。Wagner解釋道，“在這方面，我們的優(yōu)勢(shì)是，該項(xiàng)目讓我們有機(jī)會(huì)將當(dāng)今的技術(shù)推向，哪怕同時(shí)要確保投產(chǎn)汽車的質(zhì)量。”不僅永磁電機(jī)的功率密度將大幅提高，動(dòng)力總成的能效也將得到進(jìn)一步提升，達(dá)到96%左右。西門子的開發(fā)人員通過綜合采取多項(xiàng)舉措，包括使用特殊磁性材料，以及以最大限度地減輕能量損耗為出發(fā)點(diǎn)，調(diào)整其形狀和布局方式等，實(shí)現(xiàn)了這個(gè)刷新紀(jì)錄的性能值。

在未來的項(xiàng)目中，電動(dòng)汽車內(nèi)部系統(tǒng)業(yè)務(wù)部將采取其他新思路。譬如，現(xiàn)在他們正在研究面向感應(yīng)式電池充電的無線解決方案——就像當(dāng)今的電動(dòng)牙刷所使用的技術(shù)那樣。西門子中央研究院開發(fā)了這些解決方案的基礎(chǔ)技術(shù)，并已在試驗(yàn)成功之后，將這些技術(shù)傳給了電動(dòng)汽車內(nèi)部系統(tǒng)業(yè)務(wù)部。未來，功率電子元件和電機(jī)也將被用于打造緊湊式電機(jī)/動(dòng)力總成裝置。Michels說：“我們面臨著許多選擇，需要逐一考察。”

凡是能夠減輕電動(dòng)汽車的重量，提高其效率，改善其舒適度的技術(shù)，都有利于電動(dòng)汽車在市場(chǎng)上更快取得成功。據(jù)國(guó)際能源署預(yù)測(cè)，到2030年，汽車生產(chǎn)量將達(dá)到1.2億輛以上，其中半數(shù)為電動(dòng)汽車。這相當(dāng)于電機(jī)的全球銷量將達(dá)到至少6,000萬臺(tái)，何況許多汽車實(shí)際將配備不止一臺(tái)動(dòng)力總成電機(jī)。