能耗降低20%！奔馳、零跑投注軸向磁通電機

電子發(fā)燒友網報道（文/梁浩斌）自去年11月梅賽德斯-奔馳在廣州展示了一款搭載軸向磁通電機的概念車Vision One-Eleven以來，軸向磁通電機在汽車上的應用受到了關注。軸向磁通電機其實發(fā)展時間已經相當長，它不是第一次在乘用車上應用，但隨著電動汽車在近10年的高速發(fā)展，軸向磁通電機的體積、輕量化、高效率等優(yōu)勢使其越來越受到重視。今年以來，多家海內外廠商投入更多資源開發(fā)乘用車軸向磁通電機，包括臥龍電驅、江特電機、大洋電機、小米汽車等都在進行研發(fā)。

軸向磁通電機是什么

軸向磁通電機的雛形就是法拉第在1831年發(fā)明的圓盤發(fā)電機，當時的結構是用一個可以轉動的金屬圓盤，置于蹄形磁鐵的磁場中，當圓盤轉動時，圓盤邊緣和圓盤軸心之間就會產生電流，實現將機械能轉化為電能。相反，在圓盤上施加電流，電能可以轉變?yōu)閯幽?，就成為了軸向磁通電機。

在結構上，軸向磁通電機和現在廣泛使用的徑向磁通電機其實都是由定子和轉子組成，區(qū)別在于，軸向磁通電機的轉子和定子鐵心的直徑相同，定子和轉子是在軸上依次裝配，像兩個圓環(huán)用鐵棒穿起來；而徑向磁通電機則是轉子被安裝在定子內部，定子包裹著轉子。

所以從外觀上，軸向磁通電機往往看起來像一個大盤，因此也被稱為盤式電機，而目前常見的徑向磁通電機就像圓柱體。

軸向電機由于結構的優(yōu)勢，可以有多重構型，比如單定子單轉子、單定子雙轉子、雙定子單轉子、多盤式組合等，應對不同應用場景的需求。

不過在過去的近200年時間里，軸向磁通電機由于各種問題沒有實現大規(guī)模量產。最近的突破大概是來自2009年創(chuàng)立的YASA，YASA創(chuàng)立之初就專注于軸向磁通電機產品，然而因為無法大規(guī)模量產，一直都是被用于試驗性質的混合動力跑車中。

為什么這么多年都無法規(guī)模量產？這里有幾個主要原因，首先是散熱?，F有成熟的徑向電機在冷卻上主要是作用于繞組，而軸向電機除了繞組之外，定子齒承載著磁通路徑，在運行時會纏上大量熱量，散熱效果不足可能會導致定子材料絕緣性能下降，影響電機可靠性。

相比徑向電機，軸向電機的磁場分布也更加復雜，容易產生磁場諧波，需要采用特殊的設計和材料來實現磁場分布的平衡。同時，軸向電機對轉子和定子之間的氣隙均勻性要求極高，對零部件制造精度、裝配精度要求高，因此與徑向電機相比制造成本也將會大大增加。

前面提到軸向電機磁場分布復雜，因此控制策略和算法開發(fā)也是難點之一，可靠性、安全性相比主流的徑向電機還有待驗證。

成立于2009年的YASA，經過了十多年研發(fā)，只在柯尼塞格、捷豹、法拉利等部分產量極小的限量車型上有所應用。直到2021年，梅賽德斯-奔馳收購了YASA，才宣布將這一技術率先在奔馳AMG.EA純電平臺車型上量產搭載。

那么既然技術有這么多難點，軸向電機當然也有很多優(yōu)勢，首先是體積小、輕量化，軸向長度僅為徑向電機的一半左右，體積重量都要更小，同時物料成本可能也更低，在生產環(huán)節(jié)中銅、鐵等材料的用量更低；在性能方面，在高扭矩密度和功率密度上，軸向電機相比同規(guī)格徑向電機要高出30%左右；能耗方面，軸向電機效率相比徑向電機更高，通常超過96%，在不同功率等級下能耗可以降低15%—20%左右。

產業(yè)鏈玩家

由于奔馳的入局，YASA成為目前全球軸向磁通電機最受關注的企業(yè)。根據YASA的介紹，他們的軸向電機在重量24KG、體積5L的情況下，能夠產生800牛·米的扭矩，扭矩密度達到同類型徑向電機的4倍，且擁有同類徑向電機2-3倍的功率密度。

來自斯洛文尼亞的Emrax公司也在軸向電機上布局較早，目前其官網上展示了多款軸向電機產品，其中EMRAX 348最大峰值功率達到340kW，重量僅43—44kg。

不過近幾年，國內也有不少公司投入到軸向磁通電機的領域，比如今年4月零跑汽車就和國內軸向磁通電機廠商盤轂動力簽署了戰(zhàn)略合作協議。

盤轂動力據稱是全球率先實現軸向磁通電機規(guī)?；慨a應用的企業(yè)，從其官網披露的信息，目前其軸向磁通電機產品已經在多個商用車領域大規(guī)模應用，包括純電大巴、礦用卡車、電動重卡等。

其中純電巴士的軸向電機動力系統(tǒng)已經累計銷售5000套，在國內50余個城市批量運營，累計安全行駛里程超過2.5億公里。

目前盤轂動力有三大平臺的軸向電機產品，包括小體積的PCB電機，用于汽車壓縮機、園林機械、無人機等領域；功率密度、效率更高的ICS單轉子核心驅動單元，用于商用車、液壓、冷卻風機等工業(yè)領域；ICD雙轉子核心驅動單元的軸向尺寸相比ICS更小，適用于車輛內部結構緊湊的乘用車驅動系統(tǒng)等領域。

國內另一家專注軸向電機的公司中豪電動，目前也已經在一些商用領域應用，比如在柴油增程器、混動系統(tǒng)、工程機械上裝設備電機等。中豪電動目前的軸向電機功率主要集中在中小功率，比如目前官網上展示的60kW混動電機，效率最高大于95%。

小結：

根據IndustryARC的預測，軸向磁通電機市場規(guī)模在2022年到2027年間的復合年均增長率將會達到10.8%，到2027年市場規(guī)模會達到8.7億美元，其中汽車應用占比41%。

在國務院印發(fā)的《新能源汽車產業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》中，其中提到的一個目標是，到2025年，純電動乘用車新車平均電耗降至12.0千瓦時/百公里。軸向磁通電機高功率密度、高效率的優(yōu)勢，未來將會在一些高端車型上逐步取代徑向電機，但在此之前，還需要解決規(guī)模量產、可靠性等問題。