新型軸向磁通電機技術(shù)及其應(yīng)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(shù)優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)上旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子位于定子的側(cè)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(shè)計能夠比采用傳統(tǒng)徑向磁通電機的設(shè)計提升轉(zhuǎn)矩密度30%以上。

在采用永磁同步電機或感應(yīng)電機的汽車電驅(qū)動領(lǐng)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(shù)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(jié)構(gòu)緊湊、扁平超薄、體積小、重量輕、功率密度高的技術(shù)特性，近十年來許多開發(fā)商努力改進該技術(shù)，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(yīng)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(guān)鍵技術(shù)、技術(shù)挑戰(zhàn)、前景展望等幾個維度對新型軸向磁通電機技術(shù)及其應(yīng)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(shù)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(shù)，產(chǎn)品和技術(shù)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(shù)研究企業(yè)綜合實力統(tǒng)計表。

表1 軸向磁通電機技術(shù)在研科創(chuàng)企業(yè)

國外以YASA知識產(chǎn)權(quán)布局最為全面，國內(nèi)以盤轂動力知識產(chǎn)權(quán)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(shù)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(shù)創(chuàng)新聞名業(yè)界。主要的技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)

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(lǐng)域針對該類型電機的研究熱點（即技術(shù)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(shù)的創(chuàng)新點主要在于結(jié)構(gòu)設(shè)計，技術(shù)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(shù)手段分析見圖2。

圖2 軸向磁通電機專利技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)，詳見4.1～4.5：

4.1 拓撲構(gòu)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(jié)構(gòu)可分為4種，依次為單定子單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、雙定子單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、單定子雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和多盤式結(jié)構(gòu)，各拓撲技術(shù)的優(yōu)劣勢對比如表5。應(yīng)基于具體的應(yīng)用場景、工藝和成本因素評估選擇適合的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)拓撲。

表5 軸向磁通電機拓撲結(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)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(shè)計電磁方案。不斷提升軸向磁通電機設(shè)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(shè)計。

圖3 軸向磁通電機3D性能設(shè)計

4.3 新材料應(yīng)用開發(fā)技術(shù)

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(fù)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(shù)，使電機創(chuàng)新設(shè)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(yīng)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(shù)、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(yù)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(jié)構(gòu)，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(shù)挑戰(zhàn)

盡管軸向磁通電機具有技術(shù)優(yōu)勢，且經(jīng)過多年的技術(shù)攻關(guān)，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(gòu)型與結(jié)構(gòu)設(shè)計、電磁性能設(shè)計、熱性能設(shè)計、標定與控制策略開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)。但距離大批量應(yīng)用還有待時日，需要克服一系列設(shè)計和生產(chǎn)方面的技術(shù)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(shè)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?？紤]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(guān)鍵部件的制造公差。

（3）熱管理和熱設(shè)計難。軸向磁通電機采用三明治結(jié)構(gòu)，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(fù)合冷卻、液氮冷卻和相變材料冷卻新型散熱方法，并設(shè)計極其復(fù)雜的冷卻和密封結(jié)構(gòu)。

（4）材料、工藝復(fù)雜導致成本高。對于徑向磁通電機，磁鐵、硅鋼、銅和結(jié)構(gòu)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(yīng)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(jié)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(yīng)用，尚未實現(xiàn)大批量規(guī)模化生產(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(gòu)：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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)，未來可應(yīng)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(shù)不斷成熟、應(yīng)用場景不斷豐富、規(guī)?；?yīng)凸顯，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