宝马新能源汽车动力心脏是谁？BMW-I3驱动电机深度拆解对标

宝马i3(图片|配置|询价) 2022款 eDrive 35 L为例，其厂商指导价为34.99万元。

宝马i3搭载无需稀土的励磁同步电机

在发动机领域，宝马一直处于业界一流的水准。无论是四缸、六缸还是八缸发动机，都有出色的性能表现，掌握了关键的核心技术。来到新能源时代，宝马在电动机领域，就投入了大量的资金和人力。其自主研发的无稀土励磁同步电机系统性能同样优越！最大功率达到210千瓦，最大扭矩为400牛·米。

BMW-I3纯电车的动力系统采用后置后驱的设计，驱动机构简单，即电动机与单速变速箱，整个动力部分重量轻且可靠性高。BMW-I3搭载一套由12个蓄电池单元组成的8个蓄电池模块组。电机最大功率为125kW，约172马力，最大扭矩为250Nm，官方公布的百公里加速时间为7.2秒，电池充满电后能行驶130公里左右。

BMW-I3驱动电机与电机控制器采用一体式结构，其中驱动电机的性能参数如下：

电机冷态空载反电动势

外特性

电机高效工作区

BMW—I3驱动电机高效区测试结果表明，该款电机的显著优势在于高效区(≥90%)占比大。

温升测试

1） BMW上升到102℃时会跳变抖动到97℃，然后再继续升温；降温同理降到97℃时会跳变抖动到102℃，再继续降温。——因热敏电阻R-T换算处理为多段函数分别计算，节点位置处理造成跳动，但最终稳定温度值恒定。

2） 75kw-10000rpm工况下力矩环测温升，发现稳定时电机降功率较大（75.1kw→66.2kw），改用电流环（同工况下）再次验证，发现温升数据差异较大。——验证电机冷态反电动势（如下表），初步判定此电机已退磁，退磁可能原因：温升于热态下持续运行，转子温度过高导致退磁。

电机结构及电磁分析

BMW-I3，增程版的车型比纯电动车型额外多了一个排量为0.65L的双缸汽油发动机，在电量不足时能够用于给电池充电，但不直接参与车辆的驱动。

驱动电机采用电机和控制器一体式的集成结构，结构更紧凑，节省了布置空间。同时控制器与电机之间的线束长度减小，从而提高了连接的可靠性，并减小系统的总重，整机重量仅为65Kg。如下图：

电机和控制器的外表面均包裹了隔音棉。主要由于发动机运行时产生大量的热，而电机、控制器紧邻发动机，包裹的隔音棉可以有效的隔热，同时有一定的隔音效果。该隔音棉单独做测试，结果显示对同一噪声源，包裹的隔音棉可以降低噪音3-5dB。该设计对于紧凑的串联混合动力系统有明显优势。

对于BMW-I3驱动电机，其主要组成部分如下：

该外壳内壁与内壳水套外圆采用了过盈配合，并用热套的方式进行装配。与我司电机机壳的结构、工艺相比，其主要有以下特点：

A. BMW-I3电机机壳采用外壳+内壳水套的形式，而大郡电机采用的是一体式结构。该形式可以将水道设计成复杂结构，避免了水道铸造在机壳内结构设计的局限性，能满足更高的散热要求。

B. BMW-I3机壳采用高压铸造工艺，而大郡的机壳采用低压铸造。两种工艺主要差别在于：Ⅰ.高压铸造件尺寸精度高，表面光洁度好，一般相当于5~8 级 ，强度和硬度较大。Ⅱ.高压铸造件内部易产生气孔，延伸率不好，不能进行热处理；而低压铸造件内部缺陷少，可进行热处理增强性能。Ⅲ.高压铸造件可以做的更轻、壁薄，低压铸造件更沉、气密性好。Ⅳ.高压铸造相比低压铸造，高压的效率更高，适用于大批量生产。但高压铸造的模具和设备，比低压铸造的成本高。

C. 外壳与内壳水套的法兰面（出线侧），水套与外壳的内壁止口（非出线侧）的密封，均采用O型圈进行密封。

定子组件

（一）定子绕组

定子绕组主要参数

该定子组件重量21Kg，铁芯长度为132mm。采用了单层同心绕组，2个线圈同心套在1个极相组，2个线圈节距分别为1~8槽、1~7槽 。由于BMW-I3定子铁芯的槽数较多，故采用单层同心绕组，工艺性更好，其主要优点：

A. 每槽内只嵌放1个线圈边，所以电机的总线圈数等于铁芯槽数的一半，提高了绕线和嵌线的工作节拍；

B. 由于槽内只有1个线圈边，所以不需要层间绝缘，在槽内不存在相间击穿问题且槽面积的利用率高；

C. 相较于链式绕组，其端部没有相互交叠，厚度减小，整形更容易

缺点在于单层绕组的电磁波形不够理想，电机的损耗和噪音比双层绕组大，故该设计是在工艺与性能上取得的一个平衡。

（二）定子铁芯

BMW-I3电机的铁芯采用拼装式结构，如下图：

定子铁芯为直槽，叠压后采用整圆分段的方式进行拼装，相邻两段之间采用凸起圆弧台阶和凹槽进行卡紧连接。该铁芯厚度为0.15mm，铁损小，散热好，其性能优于我司用宝钢B27系列矽钢片（厚度为0.27mm）。由于BMW-I3定子冲片的材料非常薄，且材料本身价格昂贵，整圆的冲片进行叠压成品率低；另一方面其转子用矽钢片为0.27mm厚度，定转子不能一次叠压成形，定子铁芯采用分段方式进行叠压后拼装，材料利用率高，能有效降低成本。该拼装方案，对于电磁性能是有明显劣势的，由于在两段拼装之间，不论制造及装配工艺如何精密，始终存在间隙，因此会增大磁漏。

BMW-I3定子冲片如下：

定子冲片单片圆周均分为6段，每段之间用凸起部分E与下一段凹槽B进行卡紧接合，如下图：

（三）三相线

BMW-I3三相线的出线方式采用漆包线外部压接OT端子，与我司电机的出线方式相同。其三相线出线端及非出线端的参数如下：（单位均为mm）

该设计省略了电机接线座的结构，在电机的腔体内通过接线端子和控制器的接插件直接连接，减小了电机整体的包络空间，并且无需两者之间的外接线束，也能做到更好的轻量化设计。

转子组件

（一）磁钢性能

BMW-I3电机转子是分为6段斜极，且为非对称人字形排布，每极由两块磁钢布置成平行的一字，其性能测试如下图：

根据测试结果，BMW-I3驱动电机的磁钢性能，接近国内磁钢牌号N35UH~N42UH。

（二）转子铁芯

每段铁芯用级进模叠铆后，在每段铁芯两端面靠近外圆的部分，应用起伏成形工艺形成两排凹陷，压紧冲片，防止翘片。之后再利用工装定位，冲压上图中压紧螺栓的安装孔，最后再按照斜极角度，将6段铁芯装配压紧。

BMW-I3驱动电机在转子结构上进行了精心设计，其特点主要分为两点：1.转子磁层数为两层；2. 在转子每极磁层两侧冲压出凹槽，与磁阻电机结构类似，结合了永磁同步电机与磁阻电机的优点，并为此在美国申请专利，这种电机被称为用永磁辅助式磁阻同步电机。3.转子极数较多，为12极。下面分别分析以上结构的特点：

1. 转子磁层数量为两层：A在磁钢用量相同的前提下，增加磁层数量，能有效提高输出的转矩能力；B.显减小转矩脉动。从另一方面磁层数愈多，加工工艺性愈差，兼顾电机性能和结构工艺性要求、乘用车对电机体积要求，可认为两层磁层是较为合理的布置。

2. 对于BMW-I3的永磁辅助式磁阻同步电机，除上述多磁层，并在每极磁层两侧冲压出两组由数个充气转子凹坑组成的磁通感应组，形成辅以磁钢来提高性能的磁阻同步电机，所输出的转矩不仅包括永磁转矩，也包括因不对称引起的较大比例的磁阻转矩，该电机兼具内置永磁电机和磁阻电机的优点。从电磁性能方面，该设计方案主要特点在于：

A.由于直轴方向存在多层永磁体材料，其磁特性相当于气隙，阻碍直轴方向磁力线的通过，使得直轴电感很小；

B.允许交轴磁力线通过整个转子表面，交轴方向磁阻较小，使得电机获得很大的交轴电感；

C.由于电机交直轴电感相差很大 ，获得更大的凸极比，能产生较大的磁阻转矩，与相同输出转矩能力的永磁同步电机相比，所需要的永磁体量会少很多，磁钢材料可以采用磁性能较弱的非稀土永磁材料或降低磁钢牌号，以此节约永磁材料，节约电机制造成本。若磁钢用量不变的情况下，和永磁同步电机的转子方案对比，该方案能增加输出的转矩能力；

D.由于电机永磁磁场的磁密较低，电枢磁场的弱磁能力更明显、更强，使电机具有更宽的弱磁调速范围，而且当电机出现高速失控时不会造成过电压危险，保护电器设备；

E.相较于永磁同步电机，永磁辅助式磁阻同步电机永磁体涡流损耗、铁耗明显降低，在高转速区时的效率得到提升。另外如前文所述，BMW-I3驱动电机定子采用导磁性能高的矽钢片（厚度为0.15mm），对减小铁芯损耗也是极有好处的。因此不论测试结果，亦或是宝马公司官网宣称，该款电机的效率≥95%的区域非常大，从而使得在同等电池的配备情况下，BMW-I3配备新型的电机，汽车的续航能力得到提升。

3. 转子极数为12：新能源汽车驱动用永磁同步电机以8极居多，而极数越多，电磁转矩趋于平稳，但铁芯损耗增加。同时，在同样的磁钢用量的前提下，增加极数，能有效增加总电磁转矩。因此，对于永磁辅助式磁阻同步电机来说 ，为了提高电磁转矩，降低转矩脉动，应采用多极多槽配合的方案，正如BMW-I3驱动电机72槽12极的方案。

综上所述，BMW-I3所采用的永磁辅助式磁阻同步电机，对于提高电机输出性能、降低成本有一定优势，尤其在允许多磁层转子结构空间的大客电机上有广阔的运用前景，详细电磁分析请见电磁仿真对比报告。

（三）端板

在转子铁芯轴向的两个端面，BMW-I3驱动电机的端板和我司隔磁板的设计方案略有不同，其压紧结构采用了螺栓穿过转子铁芯，在另一端面用螺母压紧，详情参见下图：

BMW-I3驱动电机转子的两端版采用铝板的设计，其中间薄外圆厚的设计，增加端板外圆刚度。主要在于其转子两磁层加两侧开槽的结构，导致在靠近外圆部位无法布置叠铆的点。因此增加外圆厚度、加强筋设计，同时用螺栓连接的方式，使得转子冲片能压紧，不易发生翘片。（在拆解过程中，尝试使用压机将一段转子铁芯整体取出，而压力不够导致无法取出时，发现转子的外圆翘片）

在端板靠近外圆的部位，整圆周上开有定位槽，以作动平衡去重孔的定位，并且其实际去重孔数量也较少。该设计从侧面反映BMW公司电机转子的不平衡量非常小。

我司电机设计的隔磁板即上述端板，通常在小电机上采用铜板，大电机采用铝板，并且利用圆螺母及圆螺母止动垫圈进行轴向定位，径向利用键与键槽进行定位。而BMW-I3的端板从上图可以看出，在轴向用螺栓及螺母压紧后，通过过盈配合装配到轴上，但并没有轴向的限位，说明电机转子的轴向力非常小，我司后续的设计可以验证并借鉴。

（四）轴与轴承

BMW-I3电机采用空心轴整体锻造工艺，其优势在于材料的内部组织变得很坚实紧密，显著的提高了机械性能，相比机加工的实心轴质量更轻。而缺点在于空心轴锻造工艺成本的增加，模具费用贵，适合大批量生产。另一方面，该转子铁芯与轴应用过盈无键的配合，对于转子有斜极角度，并且转速要求高的电机，过盈无键的连接方式比键连接的动平衡好。

该电机主轴的输出端采用深沟球轴承6306，后轴承采用6006，均为INDIA NBC公司的产品。轴向采用轴用弹性挡圈进行限位，防止其轴向的窜动。

总结

通过本次Audi-P2电机的对标拆解，在后续的设计与研究中应着重关注以下几点：

1.针对定子开口槽的设计，在降低了加工及下线的工时的同时，研究如何从电磁和结构设计上去改善开口槽结构造成转矩脉动大的劣势。

2.研究P2电机这种0.55mm厚的不锈钢件来作为隔磁板，可以减轻原有隔磁板的重量，并减少加工及装配的工时。

3.P2电机水道运用钢件的设计，在后期新的电机设计若有强度要求时可以考虑用钢件。另外，P2电机水阻测试时显示的水阻比较小，后期在设计这类大直径轴向尺寸小的电机时，参考其水道形式及其截面积。

4.对于接插件和线束，在电机内部全部采取整体注塑，并密封的设计，研究该结构对于抗震性、抗腐蚀等方面是否有提高。

5.P2电机的水嘴为注塑件，结构与我司类似但材料不一样，后期需评估其成本和性能是否有优势。

6.P2转毂应用的锻造工艺，并且中心是没有去重孔，转毂与转子铁芯采用的是过盈配合的装配方式，后期ISG电机研制中可以借鉴及研究。

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