汽車電驅(qū)動(dòng)新型軸向磁通電機(jī)技術(shù)綜述

暴杰 許重斌 趙慧超

（1.中國(guó)第一汽車股份有限公司新能源開發(fā)院，長(zhǎng)春 130013；2.汽車振動(dòng)噪聲與安全控制綜合技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130013）

主題詞：軸向磁通 專利布局 典型產(chǎn)品 電驅(qū)動(dòng)

1 前言

軸向磁通電機(jī)（也稱為“盤式電機(jī)”），其磁通路徑與普通徑向電機(jī)不同，氣隙是平面型的，氣隙磁場(chǎng)方向與電機(jī)軸線方向平行。軸向磁通電機(jī)的核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)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(jìn)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(jī)的設(shè)計(jì)能夠比采用傳統(tǒng)徑向磁通電機(jī)的設(shè)計(jì)提升轉(zhuǎn)矩密度30%以上。

在采用永磁同步電機(jī)或感應(yīng)電機(jī)的汽車電驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，傳統(tǒng)徑向磁通電機(jī)正在面向重量和成本優(yōu)化進(jìn)行廣泛地開發(fā)，然而技術(shù)水平進(jìn)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(jī)類型可能是一個(gè)很好的替代選擇。由于軸向磁通電機(jī)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(lái)許多開發(fā)商努力改進(jìn)該技術(shù)，以使其逐漸適用于電動(dòng)摩托車、機(jī)場(chǎng)吊艙、運(yùn)貨卡車、電動(dòng)汽車、甚至電動(dòng)飛機(jī)等新的應(yīng)用場(chǎng)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(gè)維度對(duì)新型軸向磁通電機(jī)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(jī)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高比功率和高轉(zhuǎn)矩密度電驅(qū)動(dòng)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(xué)研究團(tuán)隊(duì)。表1為軸向磁通技術(shù)研究企業(yè)綜合實(shí)力統(tǒng)計(jì)表。

表1 軸向磁通電機(jī)技術(shù)在研科創(chuàng)企業(yè)

國(guó)外以YASA知識(shí)產(chǎn)權(quán)布局最為全面，國(guó)內(nèi)以盤轂動(dòng)力知識(shí)產(chǎn)權(quán)布局最為全面（圖1）。特別是YASA，其在中國(guó)申請(qǐng)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(biāo)準(zhǔn)化軸向磁通電機(jī)產(chǎn)品。規(guī)格見表3。AVID宣稱其產(chǎn)品比功率可達(dá)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(jī)產(chǎn)品因獨(dú)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(wú)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(jī)具有功率密度高的固有優(yōu)勢(shì)，目前新能源汽車領(lǐng)域針對(duì)該類型電機(jī)的研究熱點(diǎn)（即技術(shù)趨勢(shì)）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(jī)技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)主要在于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，技術(shù)難點(diǎn)在于熱管理和先進(jìn)材料和批產(chǎn)工藝。軸向磁通電機(jī)專利技術(shù)手段分析見圖2。

圖2 軸向磁通電機(jī)專利技術(shù)手段

區(qū)別于傳統(tǒng)徑向磁通電機(jī)，軸向磁通電機(jī)包括5項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，詳見4.1～4.5：

4.1 拓?fù)錁?gòu)型研究

根據(jù)定轉(zhuǎn)子數(shù)量、相對(duì)位置和主磁路分類，基本拓?fù)浣Y(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?fù)浼夹g(shù)的優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比如表5。應(yīng)基于具體的應(yīng)用場(chǎng)景、工藝和成本因素評(píng)估選擇適合的結(jié)構(gòu)拓?fù)?。目前汽車電?qū)動(dòng)行業(yè)對(duì)各種類型的軸向磁通電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的性能、工藝可行性及成本進(jìn)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?fù)洹?/p>

表5 軸向磁通電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究

4.2 新型電機(jī)3D性能設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)徑向磁通電機(jī)磁通路徑遵循非線性2D路徑，而新型軸向磁通電機(jī)磁通路徑為3D路徑，因此在進(jìn)行性能仿真設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到2者的區(qū)別，針對(duì)各自的特點(diǎn)搭建模型，提升模型的精度。針對(duì)新型磁通電機(jī)可以采用3D多物理場(chǎng)聯(lián)合仿真，多目標(biāo)綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)電磁方案。不斷提升軸向磁通電機(jī)設(shè)計(jì)運(yùn)算效率，提高精確虛擬建模仿真能力,圖3為軸向磁通電機(jī)3D性能設(shè)計(jì)。

圖3 軸向磁通電機(jī)3D性能設(shè)計(jì)

4.3 新材料應(yīng)用開發(fā)技術(shù)

如針對(duì)定子骨架開發(fā)高強(qiáng)度、高絕緣特性聚醚醚酮(Peek materials，PEEK)材料；針對(duì)散熱冷卻開發(fā)高強(qiáng)度、高導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂灌封填充材料，增加電機(jī)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(jī)定子繞組采用環(huán)氧樹脂灌封；針對(duì)定轉(zhuǎn)子鐵芯開發(fā)高導(dǎo)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(jiǎn)單的特性，適于進(jìn)行批量生產(chǎn)，同時(shí)因其易成型的特性，也可用于3D打印技術(shù)，使電機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)更加靈活多樣；針對(duì)高強(qiáng)度定轉(zhuǎn)子需求開發(fā)碳纖維纏繞固定加強(qiáng)工藝，以應(yīng)對(duì)永磁體本身抗拉能力差的物理特性。

圖4 軸向磁通電機(jī)定子環(huán)氧樹脂灌封

4.4 先進(jìn)制造工藝研究

如針對(duì)繞組開發(fā)矩形截面銅導(dǎo)線、螺旋型集中繞組、多極連繞工藝，針對(duì)永磁體開發(fā)低損耗分段固定安裝、磁極極靴退磁防護(hù)工藝，針對(duì)定子鐵芯開發(fā)無(wú)軛分段電樞拼接、與端蓋的無(wú)螺栓固定、粉末冶金制造工藝，針對(duì)批產(chǎn)需求，開發(fā)定轉(zhuǎn)子自動(dòng)化裝配技術(shù)、扁導(dǎo)體成型線圈自動(dòng)化生產(chǎn)、柔性自動(dòng)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(biāo)系數(shù)學(xué)模型、搭建系統(tǒng)仿真模型，研究新型雙矢量模型預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制策略，減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高轉(zhuǎn)矩控制性能，針對(duì)軸向磁通電機(jī)永磁體表貼式結(jié)構(gòu)，電機(jī)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(jī)具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，且經(jīng)過(guò)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(jī)的工作原理，基本突破構(gòu)型與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電磁性能設(shè)計(jì)、熱性能設(shè)計(jì)、標(biāo)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(shí)日，需要克服一系列設(shè)計(jì)和生產(chǎn)方面的技術(shù)挑戰(zhàn)。

由于缺乏研究積累，行業(yè)對(duì)軸向磁通電機(jī)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。

軸向電機(jī)必須保持轉(zhuǎn)子和定子之間的氣隙均勻，因?yàn)榇帕h(yuǎn)高于徑向磁通電機(jī)?？紤]到在電機(jī)制造過(guò)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。

軸向磁通電機(jī)采用三明治結(jié)構(gòu)，雙轉(zhuǎn)子軸向磁通電機(jī)的中間定子和雙定子軸向磁通電機(jī)的中間轉(zhuǎn)子散熱困難，且由于軸向磁通電機(jī)高比功率特性導(dǎo)致熱容也很小，進(jìn)而面臨極其嚴(yán)重的發(fā)熱問(wèn)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(jì)極其復(fù)雜的冷卻和密封結(jié)構(gòu)。

對(duì)于徑向磁通電機(jī)，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(rèn)可。然而，針對(duì)新型軸向磁通電機(jī)，產(chǎn)業(yè)界對(duì)其應(yīng)用的新材料、新工藝認(rèn)識(shí)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(shí)現(xiàn)新型軸向磁通電機(jī)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(jī)當(dāng)前主要集中于超級(jí)跑車上的高端應(yīng)用，尚未實(shí)現(xiàn)大批量規(guī)?；a(chǎn)。例如瑞典柯尼塞格Regera和紅旗S9超級(jí)跑車搭載了3臺(tái)由YASA MOTORS提供的電動(dòng)機(jī)，其中2臺(tái)YASA 750型電動(dòng)機(jī)位于后橋左右半軸，直接驅(qū)動(dòng)車輪，另一臺(tái)YASA 400型電動(dòng)機(jī)位于發(fā)動(dòng)機(jī)前端，與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸相連，用于補(bǔ)充發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)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(dòng)汽車架構(gòu)：MB.EA將覆蓋所有中大型乘用車，建立一個(gè)可擴(kuò)展模塊化系統(tǒng)，作為未來(lái)電動(dòng)產(chǎn)品組合的支柱；AMG.EA將是一個(gè)專用高性能電動(dòng)汽車平臺(tái)，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(dòng)廂式車和輕型商用車提供支持。同期，奔馳宣布收購(gòu)了下一代電驅(qū)動(dòng)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(dòng)平臺(tái)提供電動(dòng)馬達(dá)，試圖憑借具有更高功率密度和持續(xù)轉(zhuǎn)矩輸出的電動(dòng)馬達(dá)，重新定義未來(lái)的駕駛性能。這勢(shì)必會(huì)推動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)用新型軸向磁通電機(jī)技術(shù)研究再上新臺(tái)階。

新型軸向磁通電機(jī)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(jī)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(jī)作為新興技術(shù)，未來(lái)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(dòng)、分布式直驅(qū)電動(dòng)化底盤場(chǎng)景。伴隨著行業(yè)研究深入、技術(shù)不斷成熟、應(yīng)用場(chǎng)景不斷豐富、規(guī)模化效應(yīng)凸顯，其性能和成本綜合優(yōu)勢(shì)將轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢(shì)。