新型軸向磁通電機技術及其應用

軸向磁通電機（也稱為“盤式電機”），其磁通路徑與普通徑向電機不同，氣隙是平面型的，氣隙磁場方向與電機軸線方向平行。軸向磁通電機的核心技術優(yōu)勢在于結構上旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子位于定子的側面（而非定子內(nèi)部），進而轉(zhuǎn)子具有更大的直徑尺寸，而轉(zhuǎn)矩=力×半徑，因而能夠在相同的力作用下獲得更高的轉(zhuǎn)矩輸出。這意味著在提供相同永磁材料和銅線材料的前提下，能夠獲得更高的轉(zhuǎn)矩輸出。通常采用新型軸向磁通電機的設計能夠比采用傳統(tǒng)徑向磁通電機的設計提升轉(zhuǎn)矩密度30%以上。

在采用永磁同步電機或感應電機的汽車電驅(qū)動領域，傳統(tǒng)徑向磁通電機正在面向重量和成本優(yōu)化進行廣泛地開發(fā)，然而技術水平進一步提升的空間十分有限。因此，轉(zhuǎn)向一種完全不同的電機類型可能是一個很好的替代選擇。由于軸向磁通電機具有結構緊湊、扁平超薄、體積小、重量輕、功率密度高的技術特性，近十年來許多開發(fā)商努力改進該技術，以使其逐漸適用于電動摩托車、機場吊艙、運貨卡車、電動汽車、甚至電動飛機等新的應用場景。

本文站在行業(yè)宏觀視角，從產(chǎn)業(yè)鏈格局、典型產(chǎn)品、關鍵技術、技術挑戰(zhàn)、前景展望等幾個維度對新型軸向磁通電機技術及其應用做了全面深入地調(diào)研分析。

2 產(chǎn)業(yè)鏈格局

新型軸向磁通電機技術是實現(xiàn)高比功率和高轉(zhuǎn)矩密度電驅(qū)動系統(tǒng)的前瞻性技術，產(chǎn)品和技術開發(fā)主體主要集中在少數(shù)高新科創(chuàng)企業(yè)和大學研究團隊。表1為軸向磁通技術研究企業(yè)綜合實力統(tǒng)計表。

表1 軸向磁通電機技術在研科創(chuàng)企業(yè)

國外以YASA知識產(chǎn)權布局最為全面，國內(nèi)以盤轂動力知識產(chǎn)權布局最為全面（圖1）。特別是YASA，其在中國申請的專利均為發(fā)明專利，專利含金量最高。

圖1 行業(yè)參與者專利分布

3 典型產(chǎn)品

Phi-Power公司現(xiàn)有3大系列產(chǎn)品：Phi-Range、PhE-Range、Rinehart Motion Systemsinverters。典型產(chǎn)品技術參數(shù)梳理表2。

表2 Phi-Power公司產(chǎn)品型譜

AVID Technology公司現(xiàn)有EVO系列標準化軸向磁通電機產(chǎn)品。規(guī)格見表3。AVID宣稱其產(chǎn)品比功率可達到10 kW/kg以上。

表3 AVID Technology公司產(chǎn)品型譜

YASA公司現(xiàn)有2款主打產(chǎn)品：YASA 750和YASA P400。規(guī)格見表4。YASA公司的新型軸向磁通電機產(chǎn)品因獨特的技術創(chuàng)新聞名業(yè)界。主要的技術路線為雙轉(zhuǎn)子單定子、無磁軛、分塊電樞、直接油冷。

表4 YASA公司產(chǎn)品型譜

4 關鍵技術

軸向磁通電機具有功率密度高的固有優(yōu)勢，目前新能源汽車領域針對該類型電機的研究熱點（即技術趨勢）在于提高效率、降低成本、系統(tǒng)集成和NVH改善。軸向磁通電機技術的創(chuàng)新點主要在于結構設計，技術難點在于熱管理和先進材料和批產(chǎn)工藝。軸向磁通電機專利技術手段分析見圖2。

圖2 軸向磁通電機專利技術手段

區(qū)別于傳統(tǒng)徑向磁通電機，軸向磁通電機包括5項關鍵技術，詳見4.1～4.5：

4.1 拓撲構型研究

根據(jù)定轉(zhuǎn)子數(shù)量、相對位置和主磁路分類，基本拓撲結構可分為4種，依次為單定子單轉(zhuǎn)子結構、雙定子單轉(zhuǎn)子結構、單定子雙轉(zhuǎn)子結構和多盤式結構，各拓撲技術的優(yōu)劣勢對比如表5。應基于具體的應用場景、工藝和成本因素評估選擇適合的結構拓撲。目前汽車電驅(qū)動行業(yè)對各種類型的軸向磁通電機的拓撲結構的性能、工藝可行性及成本進行綜合分析，集中采用雙定子單轉(zhuǎn)子和單定子雙轉(zhuǎn)子2種結構拓撲。

表5 軸向磁通電機拓撲結構研究

注：G代表“好”；B代表“不好”；0代表“一般”

4.2 新型電機3D性能設計

傳統(tǒng)徑向磁通電機磁通路徑遵循非線性2D路徑，而新型軸向磁通電機磁通路徑為3D路徑，因此在進行性能仿真設計時必須考慮到2者的區(qū)別，針對各自的特點搭建模型，提升模型的精度。針對新型磁通電機可以采用3D多物理場聯(lián)合仿真，多目標綜合優(yōu)化設計電磁方案。不斷提升軸向磁通電機設計運算效率，提高精確虛擬建模仿真能力,圖3為軸向磁通電機3D性能設計。

圖3 軸向磁通電機3D性能設計

4.3 新材料應用開發(fā)技術

如針對定子骨架開發(fā)高強度、高絕緣特性聚醚醚酮(Peek materials，PEEK)材料；針對散熱冷卻開發(fā)高強度、高導熱環(huán)氧樹脂灌封填充材料，增加電機本體的散熱能力，防止永磁體高溫下退磁，如圖4為軸向磁通電機定子繞組采用環(huán)氧樹脂灌封；針對定轉(zhuǎn)子鐵芯開發(fā)高導磁率、低損耗的片狀模塑料（Sheet Molding Compound，SMC）復合材料、非晶合金材料、取向性硅鋼，SMC材料具有易成型、熱處理工藝簡單的特性，適于進行批量生產(chǎn)，同時因其易成型的特性，也可用于3D打印技術，使電機創(chuàng)新設計更加靈活多樣；針對高強度定轉(zhuǎn)子需求開發(fā)碳纖維纏繞固定加強工藝，以應對永磁體本身抗拉能力差的物理特性。

圖4 軸向磁通電機定子環(huán)氧樹脂灌封

4.4 先進制造工藝研究

如針對繞組開發(fā)矩形截面銅導線、螺旋型集中繞組、多極連繞工藝，針對永磁體開發(fā)低損耗分段固定安裝、磁極極靴退磁防護工藝，針對定子鐵芯開發(fā)無軛分段電樞拼接、與端蓋的無螺栓固定、粉末冶金制造工藝，針對批產(chǎn)需求，開發(fā)定轉(zhuǎn)子自動化裝配技術、扁導體成型線圈自動化生產(chǎn)、柔性自動化產(chǎn)線工藝。如圖5為低損耗轉(zhuǎn)子工藝。

圖5 低損耗轉(zhuǎn)子工藝

4.5 轉(zhuǎn)矩控制和弱磁控制策略研究

研究定、轉(zhuǎn)子坐標系數(shù)學模型、搭建系統(tǒng)仿真模型，研究新型雙矢量模型預測轉(zhuǎn)矩控制策略，減小轉(zhuǎn)矩脈動，提高轉(zhuǎn)矩控制性能，針對軸向磁通電機永磁體表貼式結構，電機交、直軸電感相等且數(shù)值很小，矢量控制難度大、磁路易飽和的特性，開發(fā)提高弱磁性能的控制策略。

5 技術挑戰(zhàn)

盡管軸向磁通電機具有技術優(yōu)勢，且經(jīng)過多年的技術攻關，目前行業(yè)已掌握新型軸向磁通電機的工作原理，基本突破構型與結構設計、電磁性能設計、熱性能設計、標定與控制策略開發(fā)關鍵技術。但距離大批量應用還有待時日，需要克服一系列設計和生產(chǎn)方面的技術挑戰(zhàn)。

（1）制造裝備不成熟。由于缺乏研究積累，行業(yè)對軸向磁通電機的制造方法了解不深入，制造設備不易獲得，產(chǎn)業(yè)鏈不完善。

（2）制造精度要求高。軸向電機必須保持轉(zhuǎn)子和定子之間的氣隙均勻，因為磁力遠高于徑向磁通電機。考慮到在電機制造過程中調(diào)節(jié)氣隙也很困難，因此需要精確控制關鍵部件的制造公差。

（3）熱管理和熱設計難。軸向磁通電機采用三明治結構，雙轉(zhuǎn)子軸向磁通電機的中間定子和雙定子軸向磁通電機的中間轉(zhuǎn)子散熱困難，且由于軸向磁通電機高比功率特性導致熱容也很小，進而面臨極其嚴重的發(fā)熱問題。需要采用浸泡式油冷、油水復合冷卻、液氮冷卻和相變材料冷卻新型散熱方法，并設計極其復雜的冷卻和密封結構。

（4）材料、工藝復雜導致成本高。對于徑向磁通電機，磁鐵、硅鋼、銅和結構件的成本，以及大批量生產(chǎn)的工藝成本已經(jīng)得到產(chǎn)業(yè)界的認可。然而，針對新型軸向磁通電機，產(chǎn)業(yè)界對其應用的新材料、新工藝認識不足，研發(fā)投入成本可以降低，但產(chǎn)業(yè)化成熟度低、成本高，并且成本存在高度的不確定性，是實現(xiàn)新型軸向磁通電機大批量生產(chǎn)最大的障礙。

6 總結與展望

新型軸向磁通電機當前主要集中于超級跑車上的高端應用，尚未實現(xiàn)大批量規(guī)?；a(chǎn)。例如瑞典柯尼塞格Regera和紅旗S9超級跑車搭載了3臺由YASA MOTORS提供的電動機，其中2臺YASA 750型電動機位于后橋左右半軸，直接驅(qū)動車輪，另一臺YASA 400型電動機位于發(fā)動機前端，與發(fā)動機曲軸相連，用于補充發(fā)動機的動力輸出。

2021年7月22日，梅賽德斯-奔馳官方公布了新的電氣化戰(zhàn)略規(guī)劃。根據(jù)規(guī)劃，2025年梅賽德斯-奔馳將推出3款新的純電動汽車架構：MB.EA將覆蓋所有中大型乘用車，建立一個可擴展模塊化系統(tǒng)，作為未來電動產(chǎn)品組合的支柱；AMG.EA將是一個專用高性能電動汽車平臺，為面向技術和性能的梅賽德斯-AMG車型提供解決方案；VAN.EA為電動廂式車和輕型商用車提供支持。同期，奔馳宣布收購了下一代電驅(qū)動技術公司YASA，YASA成為奔馳的全資子公司，將為梅賽德斯-奔馳的AMG.EA純電動平臺提供電動馬達，試圖憑借具有更高功率密度和持續(xù)轉(zhuǎn)矩輸出的電動馬達，重新定義未來的駕駛性能。這勢必會推動汽車電驅(qū)動用新型軸向磁通電機技術研究再上新臺階。

新型軸向磁通電機在同等功率/轉(zhuǎn)矩輸出要求下使用的銅、鐵、永磁材料比傳統(tǒng)的徑向電機更少，因此大批量后具有更高的成本效益，前景廣闊。軸向磁通電機作為新興技術，未來可應用于扁平有限邊界空間條件下的大功率集中驅(qū)動、分布式直驅(qū)電動化底盤場景。伴隨著行業(yè)研究深入、技術不斷成熟、應用場景不斷豐富、規(guī)?；癸@，其性能和成本綜合優(yōu)勢將轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟效益優(yōu)勢。

審核編輯 ：李倩