能耗降低20%！奔馳、零跑投注軸向磁通電機(jī)

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)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(jī)的概念車(chē)Vision One-Eleven以來(lái)，軸向磁通電機(jī)在汽車(chē)上的應(yīng)用受到了關(guān)注。軸向磁通電機(jī)其實(shí)發(fā)展時(shí)間已經(jīng)相當(dāng)長(zhǎng)，它不是第一次在乘用車(chē)上應(yīng)用，但隨著電動(dòng)汽車(chē)在近10年的高速發(fā)展，軸向磁通電機(jī)的體積、輕量化、高效率等優(yōu)勢(shì)使其越來(lái)越受到重視。今年以來(lái)，多家海內(nèi)外廠商投入更多資源開(kāi)發(fā)乘用車(chē)軸向磁通電機(jī)，包括臥龍電驅(qū)、江特電機(jī)、大洋電機(jī)、小米汽車(chē)等都在進(jìn)行研發(fā)。

軸向磁通電機(jī)是什么

軸向磁通電機(jī)的雛形就是法拉第在1831年發(fā)明的圓盤(pán)發(fā)電機(jī)，當(dāng)時(shí)的結(jié)構(gòu)是用一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的金屬圓盤(pán)，置于蹄形磁鐵的磁場(chǎng)中，當(dāng)圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，圓盤(pán)邊緣和圓盤(pán)軸心之間就會(huì)產(chǎn)生電流，實(shí)現(xiàn)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。相反，在圓盤(pán)上施加電流，電能可以轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，就成為了軸向磁通電機(jī)。

在結(jié)構(gòu)上，軸向磁通電機(jī)和現(xiàn)在廣泛使用的徑向磁通電機(jī)其實(shí)都是由定子和轉(zhuǎn)子組成，區(qū)別在于，軸向磁通電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子鐵心的直徑相同，定子和轉(zhuǎn)子是在軸上依次裝配，像兩個(gè)圓環(huán)用鐵棒穿起來(lái)；而徑向磁通電機(jī)則是轉(zhuǎn)子被安裝在定子內(nèi)部，定子包裹著轉(zhuǎn)子。

所以從外觀上，軸向磁通電機(jī)往往看起來(lái)像一個(gè)大盤(pán)，因此也被稱為盤(pán)式電機(jī)，而目前常見(jiàn)的徑向磁通電機(jī)就像圓柱體。

軸向電機(jī)由于結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，可以有多重構(gòu)型，比如單定子單轉(zhuǎn)子、單定子雙轉(zhuǎn)子、雙定子單轉(zhuǎn)子、多盤(pán)式組合等，應(yīng)對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

不過(guò)在過(guò)去的近200年時(shí)間里，軸向磁通電機(jī)由于各種問(wèn)題沒(méi)有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。最近的突破大概是來(lái)自2009年創(chuàng)立的YASA，YASA創(chuàng)立之初就專(zhuān)注于軸向磁通電機(jī)產(chǎn)品，然而因?yàn)闊o(wú)法大規(guī)模量產(chǎn)，一直都是被用于試驗(yàn)性質(zhì)的混合動(dòng)力跑車(chē)中。

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

相比徑向電機(jī)，軸向電機(jī)的磁場(chǎng)分布也更加復(fù)雜，容易產(chǎn)生磁場(chǎng)諧波，需要采用特殊的設(shè)計(jì)和材料來(lái)實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)分布的平衡。同時(shí)，軸向電機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)子和定子之間的氣隙均勻性要求極高，對(duì)零部件制造精度、裝配精度要求高，因此與徑向電機(jī)相比制造成本也將會(huì)大大增加。

前面提到軸向電機(jī)磁場(chǎng)分布復(fù)雜，因此控制策略和算法開(kāi)發(fā)也是難點(diǎn)之一，可靠性、安全性相比主流的徑向電機(jī)還有待驗(yàn)證。

成立于2009年的YASA，經(jīng)過(guò)了十多年研發(fā)，只在柯尼塞格、捷豹、法拉利等部分產(chǎn)量極小的限量車(chē)型上有所應(yīng)用。直到2021年，梅賽德斯-奔馳收購(gòu)了YASA，才宣布將這一技術(shù)率先在奔馳AMG.EA純電平臺(tái)車(chē)型上量產(chǎn)搭載。

那么既然技術(shù)有這么多難點(diǎn)，軸向電機(jī)當(dāng)然也有很多優(yōu)勢(shì)，首先是體積小、輕量化，軸向長(zhǎng)度僅為徑向電機(jī)的一半左右，體積重量都要更小，同時(shí)物料成本可能也更低，在生產(chǎn)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(jī)相比同規(guī)格徑向電機(jī)要高出30%左右；能耗方面，軸向電機(jī)效率相比徑向電機(jī)更高，通常超過(guò)96%，在不同功率等級(jí)下能耗可以降低15%—20%左右。

產(chǎn)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(jī)最受關(guān)注的企業(yè)。根據(jù)YASA的介紹，他們的軸向電機(jī)在重量24KG、體積5L的情況下，能夠產(chǎn)生800?！っ椎呐ぞ?，扭矩密度達(dá)到同類(lèi)型徑向電機(jī)的4倍，且擁有同類(lèi)徑向電機(jī)2-3倍的功率密度。

來(lái)自斯洛文尼亞的Emrax公司也在軸向電機(jī)上布局較早，目前其官網(wǎng)上展示了多款軸向電機(jī)產(chǎn)品，其中EMRAX 348最大峰值功率達(dá)到340kW，重量?jī)H43—44kg。

不過(guò)近幾年，國(guó)內(nèi)也有不少公司投入到軸向磁通電機(jī)的領(lǐng)域，比如今年4月零跑汽車(chē)就和國(guó)內(nèi)軸向磁通電機(jī)廠商盤(pán)轂動(dòng)力簽署了戰(zhàn)略合作協(xié)議。

盤(pán)轂動(dòng)力據(jù)稱是全球率先實(shí)現(xiàn)軸向磁通電機(jī)規(guī)?；慨a(chǎn)應(yīng)用的企業(yè)，從其官網(wǎng)披露的信息，目前其軸向磁通電機(jī)產(chǎn)品已經(jīng)在多個(gè)商用車(chē)領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用，包括純電大巴、礦用卡車(chē)、電動(dòng)重卡等。

其中純電巴士的軸向電機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)已經(jīng)累計(jì)銷(xiāo)售5000套，在國(guó)內(nèi)50余個(gè)城市批量運(yùn)營(yíng)，累計(jì)安全行駛里程超過(guò)2.5億公里。

目前盤(pán)轂動(dòng)力有三大平臺(tái)的軸向電機(jī)產(chǎn)品，包括小體積的PCB電機(jī)，用于汽車(chē)壓縮機(jī)、園林機(jī)械、無(wú)人機(jī)等領(lǐng)域；功率密度、效率更高的ICS單轉(zhuǎn)子核心驅(qū)動(dòng)單元，用于商用車(chē)、液壓、冷卻風(fēng)機(jī)等工業(yè)領(lǐng)域；ICD雙轉(zhuǎn)子核心驅(qū)動(dòng)單元的軸向尺寸相比ICS更小，適用于車(chē)輛內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊的乘用車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等領(lǐng)域。

國(guó)內(nèi)另一家專(zhuān)注軸向電機(jī)的公司中豪電動(dòng)，目前也已經(jīng)在一些商用領(lǐng)域應(yīng)用，比如在柴油增程器、混動(dòng)系統(tǒng)、工程機(jī)械上裝設(shè)備電機(jī)等。中豪電動(dòng)目前的軸向電機(jī)功率主要集中在中小功率，比如目前官網(wǎng)上展示的60kW混動(dòng)電機(jī)，效率最高大于95%。

小結(jié)：

根據(jù)IndustryARC的預(yù)測(cè)，軸向磁通電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模在2022年到2027年間的復(fù)合年均增長(zhǎng)率將會(huì)達(dá)到10.8%，到2027年市場(chǎng)規(guī)模會(huì)達(dá)到8.7億美元，其中汽車(chē)應(yīng)用占比41%。

在國(guó)務(wù)院印發(fā)的《新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》中，其中提到的一個(gè)目標(biāo)是，到2025年，純電動(dòng)乘用車(chē)新車(chē)平均電耗降至12.0千瓦時(shí)/百公里。軸向磁通電機(jī)高功率密度、高效率的優(yōu)勢(shì)，未來(lái)將會(huì)在一些高端車(chē)型上逐步取代徑向電機(jī)，但在此之前，還需要解決規(guī)模量產(chǎn)、可靠性等問(wèn)題。