在运输脱碳的无数挑战中，最引人注目的挑战之一是电动机。在世界各地的实验室中，研究人员正在寻求一项突破，这项突破可能会加速向电力运输的过渡：一种坚固、紧凑、功率强大的电机，具有高功率密度和耐高温能力，并且没有稀土永磁体。
这是一个巨大的挑战，目前困扰着地球上一些最优秀的机器设计师。他们中有不少人采埃孚集团是全球最大的汽车行业零部件供应商之一。事实上，去年年底，采埃孚宣布其制造了一台220千瓦的牵引电机，不使用稀土元素，这让分析师们大吃一惊。此外，该公司宣布，他们的新电机具有可与稀土永磁同步电机媲美的特性，稀土永磁电机目前在电动汽车.大多数电动汽车拥有150至300千瓦的稀土磁性电机，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，他们已经开发出一种处于该范围中间的无稀土电机：220千瓦。（该公司尚未透露其电机的具体功率，即千瓦/千克额定功率。）
ZF机器是一种称为单独励磁（或双重励磁）同步电机的类型。它的定子和转子都有电磁铁，因此它消除了目前道路上几乎所有电动汽车电机转子中使用的稀土永磁体。在一个分励同步电动机，施加在定子电磁铁上的交流电会产生旋转磁场。施加在转子电磁铁上的单独电流使其通电，产生一个与旋转定子磁场锁定的磁场，从而产生转矩。
“事实上，95%的稀土都是在中国开采的。这意味着，如果中国决定不让任何其他国家拥有稀土，我们也无法采取任何行动。”-Otmar Scharrer，采埃孚集团
到目前为止，这些机器在电动汽车中的使用还不多，因为它们需要一个单独的系统来将电力传输到旋转的转子磁铁上，而且没有理想的方法来实现这一点。许多此类电机使用滑块和电刷与旋转表面进行电气接触，但电刷会产生灰尘并最终磨损。或者，电力可以通过电感传输，但在这种情况下，设备通常很笨重，使得装置复杂且物理上又大又重。
不过，采埃孚表示，它已经用自己的实验电机解决了这些问题，该电机被称为我2性虐待（用于转子感应励磁同步电机）。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点。这些都与这样一个事实有关，即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，这种控制反过来允许改变磁场，以在高速下获得更高的效率。
ZF Friedrichshafen AG总部位于德国Baden-Württemberg，以丰富的研发遗产和许多商业上成功的创新可以追溯到1915年，当时它开始为齐柏林飞艇提供齿轮和其他部件。如今，该公司在31个国家拥有约168000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，以及捷豹路虎（去年年底，在宣布I2SM，该公司宣布出售其3000000第个电机。）
采埃孚刚刚展示了无稀土电动汽车的发展方向吗？了解更多有关I的信息2SM和采埃孚对电动汽车牵引电机未来的愿景，光谱伸出手去Otmar Scharrer公司ZF电气化动力总成技术研发部高级副总裁。我们对他的采访经过编辑，力求简洁明了。
Otmar Scharrer关于。。。
IEEE综览：为什么消除或减少牵引电机中稀土元素的使用很重要？
采埃孚集团（ZF Friedrichshafen AG）的Otmar Scharrer正在领导一个团队，探索制造不依赖永久磁铁和中国稀土垄断的电机的方法。采埃孚集团
Otmar Scharrer公司：嗯，有两个原因。一个是可持续性。我们称它们为“稀土”，因为它们在地球上真的很稀有。你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大，因为通常是用挖掘机和大型卡车从矿山挖出的。这会造成一些环境污染，当然，还会改变景观。这是一回事。另一个是它们相对昂贵。当然，作为一级（汽车行业供应商），我们总是谨慎对待这一点。
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国家拥有稀土，我们也无法采取任何行动。（稀土元素的）回收循环将无法运作，因为那里没有足够的电机。他们仍然有一个活跃的一生。当你在提高产量时，当你的产量急剧上升时，你永远无法通过回收来满足你的需求。只有当你有一个固定的业务，并且你只是更换那些出现故障的单元时，回收才能起作用。我相信这会发生，但我们会在陡峭的斜坡结束后看到这一点。
“功率密度与永磁电机的功率密度相同，因为我们两者都生产。我可以告诉你，两者没有区别。”-Otmar Scharrer，采埃孚集团
你问了一个很好的问题：一台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。这是一个有趣的问题。我们的大多数电动机都在150至300千瓦的范围内。这是客车的主要动力范围。而这些电机通常有1.5公斤的磁铁材料。其中0.5%到1%是纯[重稀土元素]。所以这并不过分。它只有5到15克。但是，是的，这是一个很难获得的材料。
这就是这种[永久性]无磁电机的原因。这个概念本身并不新鲜。它已经使用了多年，几十年了，因为通常情况下，发电都是用这种电机完成的。因此，如果你有一个大型发电厂，例如天然气发电厂，那么你通常会发现发电机这样的外部励磁机器。
由于其重量和尺寸，我们没有将其用于乘用车或移动应用程序。其中一些重量和尺寸问题直接来自于需要在转子中产生磁场，以更换[永久]磁体。你需要将铜线圈置于通电状态。所以你需要在转子内部携带电流。这通常是用滑块完成的。这些滑块会产生损失。这是一件事，因为你通常用碳刷接触金属环，这样你就可以导电。
返回页首
这些电刷是使装置沿轴方向轴向变长的原因？
沙雷尔：没错。这就是重点。你需要一个能够激励电机的逆变器。正常的逆变器有三个相位，然后需要第四个相位给转子通电。这是第二个障碍。许多原始设备制造商或电子移动公司还没有准备好这项技术。令人惊讶的是，最先将其投入生产的是[雷诺]。那是一辆非常小的汽车，是一辆雷诺。[编者按：模型是佐伊2013年至今年3月生产.]
它有一个相对较弱的电动机，只有75或80千瓦。他们之所以决定这样做，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。你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？想想看。如果你的自行车有一个发电机（用于头灯），它就像一个电动机一样工作。如果你在移动，发电机在旋转，并与车轮相连，那么它就是在发电。
“我们的效率大约为96%。因此，损失很小。”-Otmar Scharrer，采埃孚集团
同样的情况也发生在汽车的电机上。如果你在高速公路上以每小时75英里的速度行驶，然后突然你的整个系统出现故障，会发生什么？在永磁电机中，由于转子磁体仍在定子磁场中旋转，因此会产生巨大的电压。但在永磁无磁电机中，什么也不会发生。你刚刚被关掉了。所以它是安全的。这是一个很好的功能。
如果你以高速行驶，第二个功能甚至更好。高速大约是每小时75、80、90英里。这在大多数国家并不常见。但这是一种德国现象，在这里非常重要。
人们喜欢开快车。然后你需要解决磁场减弱的区域，因为[在高速]时，磁场会太强。你需要弱化场地。如果你没有[永久]磁铁，这很容易：你只需将电感应磁场调整到适当的值，你就没有这种磁场焊接要求。这使得在高速时效率更高。
你称这种磁场高速减弱？
沙雷尔：您需要减弱磁场以保持操作稳定。这种弱化是由电池产生的额外电能引起的。因此，电动机的效率较低。
返回页首
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希望的，因为正如你几分钟前指出的那样，当我们做一个外激励电机时，我们的实际长度正在增长。我们想了很多办法来克服这个障碍。我们得出结论，让我们通过电感来做。竞争对手也做到了这一点，但他们只是用电感变送器取代了滑环。
“我们确信，我们可以建造与永磁体相同尺寸、相同功率水平的电机。”-Otmar Scharrer，采埃孚集团
但这并没有改变现状。我们所做的是，将感应单元缩小到转子轴的大小，然后将其放入轴中。因此，我们减少了轴向长度50-90毫米的增长。因此，最终的结果是，你知道电机缩小了，外壳变小了，重量减轻了，而且与PSM（永磁同步电机）机器相比，性能密度相同。
感应励磁机到底是什么？
沙雷尔：感应励磁机只意味着你在不接触任何东西的情况下传输电力。你用磁场来做。我们在转子轴内部进行。这是能量从外部传输到轴[然后传输到转子电磁铁]的地方。
那么，转子轴，与电机轴，实际扭矩轴不同吗？
沙雷尔：是一样的。
我所知道的关于电感的东西是在变压器中，你有一个相邻的线圈，你可以从另一个线圈的通电线圈中感应电压。
沙雷尔：这正是我们转子轴中发生的情况。
返回页首
所以你使用专门设计的线圈，从一个线圈到另一个线圈感应电压？
沙雷尔：是的。我们有一个非常整洁的小包装，直径不到30毫米。如果你能把它收缩到这个值，那么你可以把它放在转子轴里面。
当然，如果你有两个线圈，它们彼此相邻，你就有一个间隙。所以这个间隙可以让你旋转，对吗？因为它们不接触，所以可以独立旋转。所以你必须设计一些可以转移磁场的东西。换句话说，即使其中一只正在旋转，它们也可以配对。
沙雷尔：转子轴中有一个线圈，它与轴一起旋转。然后我们有另一个固定在转子轴内的，当轴围绕它旋转时。在两者之间有一个气隙。一切都发生在转子轴内部。
效率是什么？你损失了多少电量？
沙雷尔：我们的效率约为96%。所以，损失很小。对于磁场，你不需要很多能量。你需要10到15千瓦的能量来产生电场。假设传输功率为10千瓦，我们将损失大约400瓦。这[相对较低的损失水平]很重要，因为我们没有主动冷却装置，因此它需要这种高效率。
电机没有用液体冷却？
沙雷尔：电机本身是用油主动冷却的，但感应单元是被动冷却的，热传递到附近的冷却结构。
“一个好的发明总是很容易的。如果你看起来像一个拥有良好IP的工程师，那么你会说，‘好吧，看起来不错。’”-Otmar Scharrer，采埃孚集团
你建造的最大的电动机是什么，或者你认为你能建造的最大的电动机是什么，以千瓦为单位？
沙雷尔：我们认为这项技术没有局限性。我们确信，我们可以建造与永磁体相同尺寸、相同功率水平的电动机。
你能做150或300千瓦的电机吗？
沙雷尔：当然。
返回页首
到目前为止你做了什么？你建造了什么样的原型？
沙雷尔：我们有一个220千瓦的原型。例如，我们可以轻松地将其升级到300。或者我们可以缩小到150。这总是很容易的。
你这个马达的具体功率是多少？
沙雷尔：你是指千瓦每公斤？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。你永远不会有一个单独的发动机。你总是需要一个住房。计算中包括房屋的哪一部分？但我可以告诉你一件事：功率密度与永磁电机的功率密度相同，因为我们两者都生产。我可以告诉你，没有区别。
你目前与哪些汽车制造商达成协议？你们是否为某些汽车制造商提供电动机？现在你的一些客户是谁？
沙雷尔：例如，我们为宝马、捷豹路虎提供专用混合动力变速器，为奔驰和吉利莲花提供电动桥驱动。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，对于宝马、路虎、奔驰，您正在提供电机和传动系统部件？
沙尔：宝马和路虎。我们提供专用混合变速器。我们提供一种八速自动变速器，配有高达160千瓦的混合电机。它是最好的混合动力变速器之一，因为你可以用160千瓦的电力完全驱动，这是相当了不起的。
“就功率密度和其他特性而言，我们获得了与[永磁]电机相同的值。这确实是一个突破，因为据我们所知，这在以前从未发生过。”-Otmar Scharrer，采埃孚集团
为了在转子轴内部传输功率，您必须克服哪些主要挑战？
返回页首
沙雷尔：主要的挑战总是需要非常小。同时，它需要超级可靠，并且需要简单。
好的发明总是容易的。当你看到它时，如果你看起来是一个拥有良好IP（知识产权）的工程师，那么你会说，“好吧，这看起来不错”——很明显，这是一个好主意。如果这个想法很复杂，需要解释，而你不理解，那么通常这不是一个好主意。这个很简单。直截了当。这是一个好主意：把它收缩，放到转子轴上。
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。你只需要说，“让我们用转子轴的一部分把电输送到转子轴上，然后我们就可以把无磁电机的额外长度剪掉。”好的。这是一个好答案。
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，想法是最重要的。
重量和转子轴等方面的具体节省是什么？
沙雷尔：好吧，再一次，我只想用一种非常笼统的方式回答。我们获得了与[永磁]电机相同的功率密度和其他特性值。这真的是一个突破，因为据我们所知，这以前从未发生过。
你认为这台发动机会在今年年底或明年之前上市吗？
沙雷尔：你的意思是可用于正式申请？
对。如果大众汽车找你说，“看，我们想在我们的下一辆车中使用这个”，你能在今年年底之前做到吗，还是必须在2025年？
沙雷尔：必须是2025年。我的意思是，从技术上讲，电动马达发展得很快。它已经处于A-sample状态，这意味着我们。。。
什么样的身份？
沙雷尔：A样本。在汽车行业中，你有A、B或C。对于A-sample，你有所有的功能，你有产品的所有功能，这些功能是安全的。然后B-is，你不再在原型车间生产了，但你正在生产一条可能很严重的生产线。C-sample意味着你是在认真的夹具和工具上生产，而不是在大规模生产线上。因此，这是一个A样本，意味着距离我们的客户的常规SOP（“开始生产”）大约还有一年半的时间。所以我们可以非常快。
本文于2024年4月15日更新。本文的早期版本给出了电机中使用的感应励磁机效率的错误数字。这一效率是96%，而不是98%或99%。
