軸向磁通電機在新能源汽車領域的應用和展望

曹一凡

長安大學汽車學院 陜西省西安市 710064

1 引言

汽車工業是我國國民經濟的重要支柱產業，在國民經濟和社會發展中起著至關重要的作用。近年來，中國汽車產銷維持在2500萬輛以上，2021年，中國汽車產銷量分別為2608.2萬輛和2627.5萬輛。隨著汽車產銷量和保有量的快速增長，燃油汽車帶來的能源短缺和環境污染問題日益突出。中國對外石油依存度超過64%，探明石油儲量僅占世界石油儲量的2%-3%。燃油車的尾氣污染已經成為我國空氣污染的關鍵原因之一，如何應對燃油汽車的能源短缺和尾氣污染已成為當前中國汽車工業的一個至關重要的問題。

在此背景下，發展節能環保的新能源汽車成為迫切需要。插電式混合動力汽車和純電動汽車一直是全球許多研究人員和汽車公司的重點研發領域，商業化方面也已經形成了相當的規模。統計顯示，2021年上半年，全國新能源汽車產銷121.5萬輛和120.6萬輛，同比均增長2倍。在新能源汽車主要品種中，純電動汽車產銷分別完成102.2萬輛和100.5萬輛，同比分別增長2.3倍和2.2倍。

對于電動汽車的電機來說，在負載要求、技術性能和工作環境等方面有著比工業電機更高的標準。軸向磁通永磁電機具有較高的功率密度、轉矩密度和效率，較小的長徑比，結構緊湊及低速大轉矩等特點，在電動汽車驅動電機等領域中應用前景廣闊。

2 電動汽車驅動電機的設計需求

電動汽車驅動用永磁同步電動機要求能夠頻繁的起動、停車、加減速，在低速或爬坡時輸出大轉矩，在高速時能夠恒功率運行。電動汽車驅動用永磁電機理想的運行特性曲線如圖1所示，當轉速低于額定轉速時，額定電流與永磁體磁通共同作用產生額定電磁轉矩，電機端電壓和輸出功率隨著轉速的增加而線性增大。電機轉速大于額定轉速時，需要減弱永磁體產生的磁通來維持高速運行時電機端電壓的平衡，達到弱磁擴速的目的。同時，電機運行于恒功率狀態。

圖1 電動汽車理想運行特性曲線

3 軸向磁通電機的發展歷程

軸向磁通電機是一種雙面軸向磁通電機，在具備較高扭矩密度的同時擁有較短的軸向長度。最早的軸向磁通電機可以追溯至1831年由邁克爾·法拉第發明的第一臺電動機。若干年后的1837年，達文波特為第一臺徑向磁通機申請了專利。多年來，軸向磁通機沒有被使用的原因有幾個，例如：定子和轉子之間有很大的吸引力，造成了制造上的困難，而且層壓定子鐵芯的制造成本很高，在裝配上也難以保持均勻的氣隙。因此，徑向磁通機在市場上占據了主導地位。然而，這些問題可以通過改進制造技術來克服。1983年，隨著屬于稀土永磁家族的釹鐵硼的開發，永磁體激勵電機向前邁進了一大步；這使得軸向磁通量永磁體的電機重新得到了應用。

4 軸向和徑向磁通電機的簡單對比

4.1 電機結構

圖2為軸向和徑向磁通電機的模型，兩種電機的主要部件均由定子部分（定子鐵心與繞組）與轉子部分（永磁體與轉子鐵心）組成。軸向磁通電機定子鐵心與轉子鐵心的外徑與內徑保持一致，軸向長度不同，定子部分與轉子部分軸向方向相對裝配；而徑向磁通電機轉子部分裝配于定子部分內部，這種結構的定子鐵心與轉子鐵心的軸向長度保持一致。兩種拓撲結構電機裝配方式的不同，導致兩者在結構上差異較大。

4.2 磁通方向

軸向磁通電機與徑向磁通電機的磁通路徑走向如圖3、4所示。兩種不同拓撲結構電機的磁通路徑走向基本相同，均由N極永磁體發出，經氣隙、定子、氣隙、S極、轉子鐵心，最終回到N極構成回路。但他們的磁通路徑方向卻不同，軸向磁通電機整個磁通路徑的方向為先經過軸向、后經過定子軛部周向閉合，隨后沿軸的方向向S極閉合，最終經轉子盤周向進行閉合構成整個回路；徑向磁通電機的磁通路徑方向為先經過徑向、后經過定子軛部周向閉合，隨后沿徑的方向向S極閉合，最終經轉子鐵心周向進行閉合構成整個回路。

圖3 軸向磁通電機磁通路徑

3.3 轉矩密度

想要實現電機的高功率密度有兩條徑，一是提高轉速，一是提高轉矩密度。而過高的轉速在許多工況下并不適用，因此提升轉矩密度是十分有必要的。電動機的轉矩密度，是指單位體積上電動機軸上所輸出的額定轉矩，用公式可表示為：

圖4 徑向磁通電機磁通路徑

在（1）式中，ST表示電動機的轉矩密度；S2N表示電動機的輸出額定轉矩；ΩN表示電動機額定轉速時的機械角速度。

這里引用[6]的定義方法，以軸向和徑向磁通永磁同步電機為例，二者的平面結構示意圖如圖5、6所示。

圖5 徑向磁通永磁同步電機示意圖

圖6 軸向磁通永磁同步電機示意圖

各項參數的含義如表1所示，用于比較的電機各性能參數值如表2所示，由于研究關注的是電機直驅的應用，比如電動汽車的輪內電機，因此參數和系數選擇了典型的電機低速應用工況。

表1 圖示電機各參數定義

表2 電機性能比較參數

由于軸向磁通永磁同步電機和徑向磁通永磁同步電機的拓撲結構不同，二者電磁轉矩的計算公式也不同，這里給出的是典型的“雙定子-單轉子”結構軸向磁通永磁同步電機的計算公式，公式如下，（2）為徑向磁通電機的電磁轉矩，（3）為軸向磁通電機的電磁轉矩。

其中，Bg1為基本氣隙磁通密度的最大值；KS1為線性電流密度的基本分量；kw1為基本繞組系數；Acu為槽中的總銅面積；σ為電流密度。由此可以得出兩種電機的轉矩密度圖像，如圖7、8所示。

圖7 不同級數下徑向磁通電機的轉矩密度

圖8 不同級數下軸向磁通電機的轉矩密度

其中，是電機軸向長度和電機外徑的比值。和徑向磁通電機相比，軸向磁通電機在高磁極數目的情況下的性能表現引人注目（λ＜0.3）。在這些情況下，軸向磁通永磁同步電機可以提供比軸向磁通永磁同步電機更高的電磁轉矩和轉矩密度。而且軸向磁通電機因為具有“雙定子-單轉子”結構而不需要轉子軛，使其軸向距離較徑向磁通永磁同步電機更短。

5 在新能源汽車領域的應用

5.1 YASA公司的電力驅動單元

YASA公司自2009年成立以來，一直是下一代電力驅動技術的探索者。現在其作為梅賽德斯-奔馳的一部分，致力于重新定義未來的駕駛性能。

電動汽車動力系統的開發面臨的挑戰之一即為將電機和控制器集成到有著嚴格重量和空間限制的環境里。YASA公司研發的的電驅動單元將一個定制的YASA電機及控制器與FEV設計的2速變速箱、離合器和電動執行器集成在一個緊湊的封裝中，如圖9所示。這種2速的電機驅動單元在城市道路和高速公路的驅動循環中都提供了極高的效率，與單速驅動相比，可以有效提升續駛里程。

圖9 YASA的電力驅動單元

5.2 EMRAX公司的電機系統

EMRAX電機擁有一系列重量輕、結構緊湊、功能強大的軸向磁通電機，如圖10所示。其中最大的型號EMRAX-348，可以在4500r/min時得到高達420kw的升壓功率和1000N·m的峰值扭矩，而且重量只有42kg，這意味著它的功率密度達到了10kw/kg。而且兩臺電機也可以疊加在一起作為EMRAXTWIN系統，得到翻倍的功率和扭矩。

圖10 EMRAX公司電機系列

每臺EMRAX電機都是通過標準化的生產流程制造的定制產品。其標準化的生產過程使EMRAX公司能夠在很短的時間內裝配并交付其客戶定制的電機。

6 結語

本文分析了當前我國新能源汽車市場背景，進而提出了當前新能源汽車驅動電機的設計需求，通過對軸向和徑向磁通電機的比較得出了軸向磁通電機在解決了一些結構和材料方面的問題后在新能源汽車領域有著廣闊的運用前景的結論，并通過三個實例印證了實際可行性。

隨著新能源汽車的不斷發展，各大車企都在三電系統方面做出重要布局，作為三電系統之一的電機系統是其中的關鍵一環，而軸向磁通電機作為一種新興的電機結構，擁有著比徑向磁通電機更優秀的性能表現，其當前階段的主要問題在于成本較高而且制造困難，商用電動車輛較少采用。但是，隨著制造工藝的不斷進步，市場規模的提升以及上下游供應鏈的建立，軸向磁通電機也會逐步降低成本。

屆時，軸向磁通電機高效率，高功率密度，以及尤為突出的高體積比功率密度的特點將會讓其在新能源汽車領域起著關鍵性作用，促進新能源汽車的進一步發展。