電機是電動汽車實現電能與機械能轉換的關鍵部件。隨著電動汽車的普及，對電機的需求不斷增長，汽車制造商大多將研發精力集中在電池上以提高續航能力，然而，提升電機自身效能也可以提升續航能力并且使電池組更小、更輕便。
中國工程院院刊《Engineering》2022年第1期刊發《電動汽車用電機的創新發展》一文，介紹了電動汽車用電機的發展現狀，梳理了目前電動車用電機的典型電機設計與應用進展情況，如開關磁阻電機、永磁同步電機、軸流式電機、無稀土永磁電機等。此外，文章還指出，在電機生產領域，可以在定子內部的銅繞組創新、冷卻技術等方面進行創新。
自2018年起，Turntide Technologies公司的高效電機（基于19世紀早期設計的升級版本）已經驅動美國各地乳制品倉庫的冷卻風扇轉起來；此外，包括寶馬和亞馬遜在內的十多家公司，已經使用Turntide Technologies公司的“智能電機系統”（smart motor system）來改造頂部供熱、通風和空氣調節系統，估計為公司平均節約了64% 的供熱和制冷成本。
這家位于美國加利福尼亞州森尼維爾的公司獲得了比爾·蓋茨和亞馬遜公司的支持。在獲得2.25億美元資金，并收購分別生產電池、動力系統和電動汽車控制系統的Hyperdrive Innovation、BorgWarner Gateshead和Avid Technology這三家創業公司后，Turntide Technologies公司正如2021年6月和7月宣布的那樣，準備將業務重點轉向電動汽車。
對于電動汽車用電機（圖1），Turntide Technologies公司從一種近兩百年歷史的技術——由 W.H. Taylor在1838年設計的開關磁阻電機——開始研發。這種開關磁阻電機的制造成本相對較低。原因有二：第一，轉子簡單，由帶凹槽的實心鋼塊制成，放置在兩端；第二，定子由均勻分布的螺線管電磁鐵組成。相比之下，標準交流感應電機的繞組必須符合復雜的模式，需契合定子的插槽。
圖1. Turntide Technologies公司基于開關磁阻電機研發的電動汽車用電機。如圖所示，目前用于工業應用，如谷倉冷卻及供熱、通風和空氣調節系統。來源：Turntide Technologies (public domain)。
直到最近，開關磁阻電機還沒有被廣泛接受，原因是其難以被控制，產生的噪聲和震動較大。Richard Hellinga說，Turntide Technologies公司的工程師在原型電機中放置傳感器來追蹤轉子運動，已經克服了這些挑戰。這樣工程師便可以使用機器學習算法來確定開關電流的正確時間。這一過程獲得的知識幫助工程師設計出一種無傳感器開關磁阻電機，將振動最小化。
雖然招攬了一批商用車和鐵路領域的客戶，包括Aston Martin公司和Hitachi Rail 公司，但是Turntide Technologies公司依然面臨著激烈的競爭。隨著各國都試圖逐步淘汰燃氣發動機，全球各地的公司都在探索全新電機方案，并且都選擇通過人工智能輔助設計以及材料、自動化領域的最新成果等，讓電機更高效、電機購買和操作成本更低、電機制造過程更環保。
從供熱、通風和空氣調節系統到硬盤、自動扶梯和各種制造設備，所有一切都由電機驅動。電機消耗了全球40%以上的電力。而且，對電機的需求將在21世紀繼續增長。據預測，到2025年，電動汽車將占全球乘用車銷量的10%，到2030年將占28%，到2040年將占58%。
隨著制造商將重點轉向電動汽車，大多數研發工作都集中在電池上——一般來說，電池是最貴也是決定電動汽車續航的組件。然而，提升電機自身效能也可以提升續航能力并且（或者）使電池組更小、更輕便。
目前所有的商用電動汽車電機都基于交流電、永磁同步電機設計。永磁同步電機主要有兩個組成部分：一個外殼，因為其保持靜止，所以被稱作定子；一個轉子，通常在定子內旋轉，有時在外面旋轉。銜接在轉子和定子上的磁鐵依次相互排斥或吸引，從而引發旋轉并產生扭矩。自19世紀末誕生以來，這種簡單的設備一直在不斷地被改進。根據Turntide Technologies公司的首席技術官Hellinga的介紹，這種設計能長久存在的原因是其制造簡單。
Hellinga說：“許多工廠采用此類設計，原因是這種設計相對便宜。不過價格因素讓人忽視了電機消耗的大量能源，并且供應鏈的設置方式意味著電機的制造者并非實際能源消耗者。此外，由于能源價格走高，我們發現當前急需電機技術創新。”
雖然大多大型汽車制造商仍然在觀望該領域的創新，但規模較小的公司和初創公司早已積極推動對電機概念的重塑。
總部位于比利時科特賴克的Magnax公司所做的創新便是重新思考電機內的電磁相互反應，從而減少電機重量、尺寸和成本。由于空氣傳輸磁通量效果不佳，他們的設計旨在把轉子和定子齒部的空氣間隙減到最小。傳統的徑向磁通電機將轉子置于定子內，而Magnax公司的軸向磁通電機的布局則相反。該設計使用了兩個轉子，各位于定子的一邊，將其圍住。在這種配置中，定子支撐起電磁齒輪，但并不充當轉子的支撐或軛（圖2）。
圖2. Magnax公司的軸流式電機有兩個轉子包圍著中間的定子，沒有軛，并且將定子重量減少三分之二，從而提高了電機的功率密度。來源：Magnax (public domain)。
軛是一個占定子質量三分之二的鋼制圓筒。若沒有軛，電機重量可大大減輕，該公司估計這一做法可讓電動汽車續航能力提升7%。相比于老式有軛軸流式電機，無軛電機的功率密度提升一倍多，比傳統內燃機功率密度高4倍。無軛軸流設計還有其他優點，比如，與功率和扭矩相似的徑向流電機相比，定子只需要60%左右的銅，轉子只需80%左右的磁性材料。該公司稱其計劃于2022年開始每年生產25 000臺電機。
Linear Labs公司（位于美國得克薩斯州達拉斯-沃斯堡）采用了另一種方式，該公司選擇在一個電機中結合軸向和徑向磁通設計。該公司的“三維（3D）周向通量電機”（three-dimensional circumferential flux motor）包括圍繞定子的4個轉子。中央轉子在定子內部旋轉，而第二個轉子在定子外部旋轉。另外兩個轉子分別位于定子的左右兩端，總共有4個磁通源，各個轉子在運動的方向上都會產生扭矩。
據該公司介紹，這樣一來，在低轉速下的電機產生的扭矩輸出是其他電機的2~3倍，并且電機保持扭矩和速度范圍的整體效率是標準電機平均效率的2倍。此外，由于在低轉速下也可以高效工作，Linear Labs公司在電機設計上并不需要減速齒輪箱（減速齒輪箱從驅動電機中獲取每分鐘10 000轉左右的轉速，并且增加扭矩的同時降低車輪的速度），從而減少汽車重量，降低成本。Linear Labs公司稱其已經開始大規模生產該電機，并計劃到2021年年底時共制造100000臺電機。
其他制造商設計的電機已經完全摒棄了大多數電機都有的一個組件——永磁體。這些以稀土為原材料的磁體可以自行創造連續磁場，從而產生高扭矩密度。然而，稀土價格昂貴，在2020年6月至2021年8月，一種電機中更為常用的稀土——釹的價格翻了一番。此外，稀土開采還會產生有毒化學物質，導致環境問題。
即便面臨這些問題，一些專家認為永磁體仍會被廣泛使用。德國卡爾斯魯厄理工學院（Karlsruhe Institute of Technology in Germany）混合動力電汽車專業教授Martin Doppelbauer說：“坦白說，我目前沒有看到脫離永磁體的趨勢，因為永磁體功率密度最高、性能最佳，大多數人都會使用。也就是說，我確實看到大多數制造商正在開發永磁電機的替代品，以防稀土材料價格再次上漲時需要它們。”
美國威斯康星州密爾沃基的馬凱特大學（Marquette University）的電氣和計算機工程學教授Ayman EL-Refaie正和通用汽車公司合作，開發不含稀土的傳動系統。雖然他發現了無稀土永磁電機有潛在需求，但是實現這個目標依然困難。他說：“設計上試圖移除這些磁體時遇到了種種困難，比如加大機器尺寸以彌補功率損失時，使用不含稀土材料的磁體將有永久退磁的風險。”
還有一種電機替代方案，即選擇使用永磁體來驅動轉子，使用過程中僅使用電磁力。但該轉子中放置銅繞組的設計還需要將電力傳輸到移動目標身上，且接觸點會隨時間產生磨損。位于德國斯圖加特的Mahle公司試圖克服這一挑戰。這家汽車零部件公司已經建造出的電機既不需要稀土也不需要物理接觸。以無線方式將動力傳送給轉子，從而激發繞組產生電磁場（圖3）。該公司預計在2023年或2024年開始大規模生產用于乘用車的電機。其他初創公司，包括Powdermet公司（位于美國俄亥俄州）和Turntide Technologies公司，正在設計不依賴永磁體的電機，而汽車行業的中堅力量，如東風日產、寶馬、豐田和大眾也正在研究如何盡量減少電機中永磁體的使用。
圖3. 馬勒（Mahle）公司的無永磁體電機中，以無線方式傳入轉子的電力給繞組通電，僅靠電磁力便可轉動轉子。這種無觸點感應的方式節省了耗損。這種設計還可以調整轉子的磁性，從而在工作速度范圍內實現更高的效率。來源：Mahle (public domain)。
一些公司，包括日本電產株式會社（日本東京）和Protean（英國法納姆），并不追求為中央傳動系統制造更強大、更高效的電機，而是探索在車輪上放置更小的電機。該方法將優化電動汽車重力分配，消除電機艙需求，最大限度減少扭矩傳輸帶來的損失，由此提高效率以及可操作性。日本電產株式會社聲稱，僅一個輪轂電機便可實現100 kW的最大功率輸出——相當于一個1.8 L的燃氣發動機，同時這樣一個電機僅重32 kg并且適用于50 cm的輪子，而Protean公司稱其重36 kg的輪轂電機就可輸出80 kW的功率。
除了設計上的根本性變化，Doppelbauer認為電機最重要的創新在生產領域，特別是定子內部的銅繞組創新。“電機生產需要許多手工作業，并且有幾道工序難以保障質量控制。以繞組為例，絕緣層可能存在缺陷，這個潛在的危險有可能導致電機壽命縮短并最終使電機失效。”
用有矩形截面的發夾式繞組替代傳統圓形繞組，讓熱應力更高，并且優化定子內部空間的使用方式，以確保產生更高的扭矩和持續的輸出。彎曲過程自動化也比圓形繞組更簡單，有利于大規模生產。Doppelbauer說：“發夾式繞組的缺點在于，對自動化水平要求非常高，因此生產的前期成本很高。”他補充道：“保時捷公司在其Taycan電動汽車的電機自動化方面做得特別成功（圖4）。”
圖4. 保時捷公司已經為其Taycan電動汽車開發了一種自動化工藝，該工藝用于制造發夾式繞組而非圓形繞組的電機，這些繞組具有更高的熱應力，并優化了定子內部空間以確保電機產生更高的扭矩。來源：Porsche (public domain)。
Doppelbauer指出，另外一個和生產相關的創新設計是冷卻技術。一般來說，盤繞在定子外殼上的水管會有水循環。像Equipmake（英國諾里奇）等公司正在探索增材制造技術來增加電機內部的表面積，從而減少冷卻。
不論創新是優化生產設計或是從頭開始再設計，EL-Refaie說制造商都需要采取長期方法。“一些公司一直只著眼于短期效益，選擇采取循序漸進的方式實現變革。然而，如果要提出完全不同的電機設計，或者開發新的材料或制作工藝，開發人員需要具有前瞻性，并且開放地采取一些技術手段，以便在激烈的競爭中取勝。”
