宝马混合磁阻永磁同步电机解析

什么是HSM？

永磁电机常见的分为两种，表贴式和内嵌式。

下图左边为表贴式，红色和绿色的磁钢贴在转子的表面；

下图右边为内嵌式，红色和绿色的磁钢嵌入到了转子内部。

相比表贴式，内嵌式电机由于DQ轴磁路不一致，DQ轴电感不一样，存在凸极效应，会产生磁阻转矩（简单说就是在相同电机电流下，内嵌式能输出更多的转矩），效率更高，运行范围更宽，但同时带来的问题就是生产工艺复杂，成本增加。

既然在转子上打洞，能增加凸极效应，并增加磁阻转矩，为什么我不狠狠的多开几个洞呢？而且磁钢还很贵，为啥我不取消磁钢，只利用磁阻转矩呢？于是有了磁阻电机，如下图所示。

但磁阻电机在现有技术条件下，噪声较大，有转矩脉动，在汽车行业还没有大范围推广开来。

于是就有了中间技术路线的产生，混合磁阻电机，如下图所示。混合磁阻电机既保留了磁钢（但磁钢用量减小很多），又开了很多孔，最大化的增加凸极效应。

这种混合磁阻电机，由于磁钢用量少，运行范围更宽，效率高，重量更轻。

这里有必要提一下运行范围宽这个概念。电机分为低速恒转矩区和高速恒功率区，两个区的分界转速叫拐点Ne，电机恒功率区能达到的最高转速叫Nmax。从电机应用的角度，我们希望Nmax/Ne越大越好，也就是恒功率区持续范围越宽越好。但受电机自身设计参数（反电动势，Ld和Lq）的限制，有的电机Nmax只能持续很小一段，就很快衰减到了0。对于混合磁阻电机，由于磁阻转矩占很大一部分，其恒功率区可以很宽，有利于车辆驱动的应用。

宝马i3电机

宝马的i3纯电动和i8混合动力车型上，就用的混合磁阻电机。

题外话：i3这车，我觉得从内而外，除了BMW标以外，都很丑。i8没见过。

和Leaf的2013款电机比起来，峰值转矩差不多，但峰值功率提高了不少，重量减小了很多。

题外话：汇川2016年与瑞士Brusa公司战略合作，Brusa的主打电机就是HSM混合式同步电机。

电机专利

宝马在2012年申请了一篇US 2012/0267977的电机专利。

该专利并不是重新定义了一种混合磁阻电机，而是在混合磁阻电机的基础上，保护了槽孔组（air-filled recess group）的发明。槽孔组用以优化磁密的分布，减小涡流损耗。

外文专利洋洋洒洒好几页，内容晦涩，表达既严谨又啰嗦，这里老四给大家展示最精华的说明图，用几句话给大家说明白。

上图就是该专利的核心图，画了电机一个极的示意图。

图中的红色24和25就是放置磁钢的位置，每极放上下两个磁钢。

图中的30和31就是磁密调整用槽孔组（红框），每极有左右两个槽孔组，每组有三个空气槽。每槽组左右还有两个空腔26/27/28/29（ 黄色 ）。

槽组里的槽孔一端和转子外沿相邻，而且各槽和外沿的距离基本一致，用以优化磁密分布；槽孔的另外一端指向D轴，使得槽孔基本与Q轴平行，以减小对Q轴的影响。

通过图中可以看到，槽孔组分布在两层磁钢和两个空腔中间，目的就是优化磁密分布，减小齿槽效应造成的涡流铁损，特别是高速弱磁区的铁损。

槽孔可以在硅钢片冲压工序中进行打孔，并不会增加生产成本。

上图是i3电机的实物，可以看到实物里，槽孔组只有2个槽。专利保护的是槽孔组，不是槽的个数，所以不管几个都是在专利保护范围。