起重電機之汽車電驅動新型軸向磁通電機技術綜述

發布時間：2022-07-18 09:42:00 點擊：

1 前言

起重電機專業生產廠家無錫宏達2022年7月18日訊軸向磁通電機（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[1-2]。軸向磁通電機的核心技術優勢在于結構上旋轉轉子位于定子的側面（而非定子內部），進而轉子具有更大的直徑尺寸，而轉矩=力×半徑，因而能夠在相同的力作用下獲得更高的轉矩輸出。這意味著在提供相同永磁材料和銅線材料的前提下，能夠獲得更高的轉矩輸出。通常采用新型軸向磁通電機的設計能夠比采用傳統徑向磁通電機的設計提升轉矩密度30%以上。

在采用永磁同步電機或感應電機的汽車電驅動領域，傳統徑向磁通電機正在面向重量和成本優化進行廣泛地開發，然而技術水平進一步提升的空間十分有限。因此，轉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構緊湊、扁平超薄、體積小、重量輕、功率密度高的技術特性，近十年來許多開發商努力改進該技術，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用場景[3-4]。本文站在行業宏觀視角，從產業鏈格局、典型產品、關鍵技術、技術挑戰、前景展望等幾個維度對新型軸向磁通電機技術及其應用做了全面深入地調研分析。

2 產業鏈格局

新型軸向磁通電機技術是實現高比功率和高轉矩密度電驅動系統的前瞻性技術，產品和技術開發主體主要集中在少數高新科創企業和大學研究團隊。表1為軸向磁通技術研究企業綜合實力統計表。

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國外以YASA知識產權布局最為全面，國內以盤轂動力知識產權布局最為全面（圖1）。特別是YASA，其在中國申請的專利均為發明專利，專利含金量最高。

3 典型產品

Phi-Power 公司現有 3 大系列產品：Phi-Range、PhE-Range、Rinehart Motion Systems inverters。典型產品技術參數梳理表2。AVID Technology公司現有EVO系列標準化軸向磁通電機產品。規格見表3。AVID宣稱其產品比功率可達到10 kW/kg以上。

YASA 公司現有 2 款主打產品：YASA 750 和 YA?SA P400。規格見表 4。YASA 公司的新型軸向磁通電機產品因獨特的技術創新聞名業界。主要的技術路線為雙轉子單定子、無磁軛、分塊電樞、直接油冷。

4 關鍵技術

軸向磁通電機具有功率密度高的固有優勢，目前新能源汽車領域針對該類型電機的研究熱點（即技術趨勢）在于提高效率、降低成本、系統集成和 NVH 改善。軸向磁通電機技術的創新點主要在于結構設計，技術難點在于熱管理[8-9]和先進材料和批產工藝。軸向磁通電機專利技術手段分析見圖2。

區別于傳統徑向磁通電機，軸向磁通電機包括5 項關鍵技術，詳見4.1~4.5：

4.1 拓撲構型研究

根據定轉子數量、相對位置和主磁路分類，基本拓撲結構可分為4種，依次為單定子單轉子結構、雙定子單轉子結構、單定子雙轉子結構和多盤式結構，各拓撲技術的優劣勢對比如表5。應基于具體的應用場景、工藝和成本因素評估選擇適合的結構拓撲。目前汽車電驅動行業對各種類型的軸向磁通電機的拓撲結構的性能、工藝可行性及成本進行綜合分析，集中采用雙定子單轉子和單定子雙轉子2種結構拓撲。

4.2 新型電機3D性能設計

傳統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計時必須考慮到2者的區別，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 多物理場聯合仿真，多目標綜合優化設計電磁方案。不斷提升軸向磁通電機設計運算效率，提高精確虛擬建模仿真能力,圖3為軸向磁通電機3D性能設計。

4.3 新材料應用開發技術

如針對定子骨架開發高強度、高絕緣特性聚醚醚酮(Peek materials，PEEK)材料；針對散熱冷卻開發高強度、高導熱環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氧樹脂灌封；針對定轉子鐵芯開發高導磁率、低損耗的片狀模塑料（SheetMolding Compound，SMC）復合材料、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，同時因其易成型的特性，也可用于 3D 打印技術，使電機創新設計更加靈活多樣[10-11]；針對高強度定轉子需求開發碳纖維纏繞固定加強工藝，以應對永磁體本身抗拉能力差的物理特性。

4.4 先進制造工藝研究

如針對繞組開發矩形截面銅導線、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，針對批產需求，開發定轉子自動化裝配技術、扁導體成型線圈自動化生產、柔性自動化產線工藝。如圖5為低損耗轉子工藝。

4.5 轉矩控制和弱磁控制策略研究研究定、轉子坐標系數學模型、搭建系統仿真模型，研究新型雙矢量模型預測轉矩控制策略，減小轉矩脈動，提高轉矩控制性能，針對軸向磁通電機永磁體表貼式結構，電機交、直軸電感相等且數值很小，矢量控制難度大、磁路易飽和的特性，開發提高弱磁性能的控制策略[12-15]。

5 技術挑戰

盡管軸向磁通電機具有技術優勢，且經過多年的技術攻關，目前行業已掌握新型軸向磁通電機的工作原理，基本突破構型與結構設計、電磁性能設計、熱性能設計、標定與控制策略開發關鍵技術。但距離大批量應用還有待時日，需要克服一系列設計和生產方面的技術挑戰。

（1）制造裝備不成熟。由于缺乏研究積累，行業對軸向磁通電機的制造方法了解不深入，制造設備不易獲得，產業鏈不完善。

（2）制造精度要求高。軸向電機必須保持轉子和定子之間的氣隙均勻，因為磁力遠高于徑向磁通電機。考慮到在電機制造過程中調節氣隙也很困難，因此需要精確控制關鍵部件的制造公差。

（3）熱管理和熱設計難。軸向磁通電機采用三明治結構，雙轉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熱問題[16-17]。需要采用浸泡式油冷、油水復合冷卻、液氮冷卻和相變材料冷卻新型散熱方法，并設計極其復雜的冷卻和密封結構。

（4）材料、工藝復雜導致成本高。對于徑向磁通電機，磁鐵、硅鋼、銅和結構件的成本，以及大批量生產的工藝成本已經得到產業界的認可。然而，針對新型軸向磁通電機，產業界對其應用的新材料、新工藝認識不足，研發投入成本可以降低，但產業化成熟度低、成本高，并且成本存在高度的不確定性，是實現新型軸向磁通電機大批量生產最大的障礙。

6 總結與展望

新型軸向磁通電機當前主要集中于超級跑車上的高端應用，尚未實現大批量規模化生產。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，直接驅動車輪，另一臺YA?SA 400 型電動機位于發動機前端，與發動機曲軸相連，用于補充發動機的動力輸出。

2021年7月22日，梅賽德斯-奔馳官方公布了新的電氣化戰略規劃。根據規劃，2025年梅賽德斯-奔馳將推出3款新的純電動汽車架構：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，作為未來電動產品組合的支柱；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動技術公司 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轉矩輸出的電動馬達，重新定義未來的駕駛性能。這勢必會推動汽車電驅動用新型軸向磁通電機技術研究再上新臺階。

新型軸向磁通電機在同等功率/轉矩輸出要求下使用的銅、鐵、永磁材料比傳統的徑向電機更少，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，未來可應用于扁平有限邊界空間條件下的大功率集中驅動、分布式直驅電動化底盤場景。伴隨著行業研究深入、技術不斷成熟、應用場景不斷豐富、規模化效應凸顯，其性能和成本綜合優勢將轉化為經濟效益優勢。

來源：汽車文摘暴杰許重斌趙慧超

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