起重電機之汽車電驅動新型軸向磁通電機技術綜述

发布时间：2022-07-18 09:42:00 点击：

1 前言

起重電機專業生産廠家無錫宏達2022年7月18日訊軸向磁通電機（也稱爲“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，從産業鏈格局、典型産品、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 产业链格局

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，産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爲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知識産權布局最爲全面，國內以盤毂動力知識産權布局最爲全面（圖1）。特別是YASA，其在中國申請的專利均爲發明專利，專利含金量最高。

3 典型产品

Phi-Power 公司现有 3 大系列产品：Phi-Range、PhE-Range、Rinehart Motion Systems inverters。典型产品技术参数梳理表2。AVID Technology公司现有EVO系列标准化轴向磁通電機产品。规格见表3。AVID宣称其产品比功率可达到10 kW/kg以上。

YASA 公司现有 2 款主打产品：YASA 750 和 YA?SA P400。规格见表 4。YASA 公司的新型轴向磁通電機产品因独特的技术创新闻名业界。主要的技術路線爲雙轉子單定子、無磁轭、分塊電樞、直接油冷。

4 关键技术

轴向磁通電機具有功率密度高的固有优势，目前新能源汽车领域针对该类型電機的研究热点（即技术趋势）在于提高效率、降低成本、系统集成和 NVH 改善。轴向磁通電機技术的创新点主要在于结构设计，技术难点在于热管理[8-9]和先进材料和批产工艺。轴向磁通電機专利技术手段分析见图2。

区别于传统径向磁通電機，轴向磁通電機包括5 项关键技术，详见4.1~4.5：

4.1 拓扑构型研究

根據定轉子數量、相對位置和主磁路分類，基本拓撲結構可分爲4種，依次爲單定子單轉子結構、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性能设计

传统径向磁通電機磁通路径遵循非线性 2D 路径，而新型轴向磁通電機磁通路径为3D路径，因此在进行性能仿真设计时必须考虑到2者的区别，针对各自的特点搭建模型，提升模型的精度。针对新型磁通電機可以采用 3D 多物理场联合仿真，多目标综合优化设计电磁方案。不断提升轴向磁通電機设计运算效率，提高精确虚拟建模仿真能力,图3为轴向磁通電機3D性能设计。

4.3 新材料应用开发技术

如针对定子骨架开发高强度、高绝缘特性聚醚醚酮(Peek materials，PEEK)材料；针对散热冷却开发高强度、高导热环氧树脂灌封填充材料，增加電機本体的散热能力，防止永磁体高温下退磁，如图 4 为轴向磁通電機定子绕组采用环氧树脂灌封；针对定转子铁芯开发高导磁率、低损耗的片状模塑料（SheetMolding Compound，SMC）复合材料、非晶合金材料、取向性硅钢，SMC材料具有易成型、热处理工艺简单的特性，适于进行批量生产，同时因其易成型的特性，也可用于 3D 打印技术，使電機创新设计更加灵活多样[10-11]；针对高强度定转子需求开发碳纤维缠绕固定加强工艺，以应对永磁体本身抗拉能力差的物理特性。

4.4 先进制造工艺研究

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轭分段電樞拼接、與端蓋的無螺栓固定、粉末冶金制造工藝，針對批産需求，開發定轉子自動化裝配技術、扁導體成型線圈自動化生産、柔性自動化産線工藝。如圖5爲低損耗轉子工藝。

4.5 转矩控制和弱磁控制策略研究研究定、转子坐标系数学模型、搭建系统仿真模型，研究新型双矢量模型预测转矩控制策略，减小转矩脉动，提高转矩控制性能，针对轴向磁通電機永磁体表贴式结构，電機交、直轴电感相等且数值很小，矢量控制难度大、磁路易饱和的特性，开发提高弱磁性能的控制策略[12-15]。

5 技术挑战

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産方面的技術挑戰。

（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，産業鏈不完善。

（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，因爲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）热管理和热设计难。轴向磁通電機采用三明治结构，双转子轴向磁通電機的中间定子和双定子轴向磁通電機的中间转子散热困难，且由于轴向磁通電機高比功率特性导致热容也很小，进而面临极其严重的发热问题[16-17]。需要采用浸泡式油冷、油水复合冷却、液氮冷却和相变材料冷却新型散热方法，并设计极其复杂的冷却和密封结构。

（4）材料、工藝複雜導致成本高。對于徑向磁通電機，磁鐵、矽鋼、銅和結構件的成本，以及大批量生産的工藝成本已經得到産業界的認可。然而，針對新型軸向磁通電機，産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，但産業化成熟度低、成本高，並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産最大的障礙。

6 总结与展望

新型轴向磁通電機当前主要集中于超级跑车上的高端应用，尚未实现大批量规模化生产。例如瑞典柯尼塞格 Regera 和红旗 S9 超级跑车搭载了 3 台由YASA MOTORS提供的电动机，其中2台YASA 750型电动机位于后桥左右半轴，直接驱动车轮，另一台YA?SA 400 型电动机位于发动机前端，与发动机曲轴相连，用于补充发动机的动力输出。

2021年7月22日，梅赛德斯-奔驰官方公布了新的电气化战略规划。根据规划，2025年梅赛德斯-奔驰将推出3款新的纯电动汽车架构：MB.EA 将覆盖所有中大型乘用车，建立一个可扩展模块化系统，作为未来电动产品组合的支柱；AMG.EA将是一个专用高性能电动汽车平台，为面向技术和性能的梅赛德斯-AMG 车型提供解决方案；VAN.EA为电动厢式车和轻型商用车提供支持。同期，奔驰宣布收购了下一代电驱动技术公司 YASA，YASA 成为奔驰的全资子公司，将为梅赛德斯-奔驰的AMG.EA纯电动平台提供电动马达，试图凭借具有更高功率密度和持续转矩输出的电动马达，重新定义未来的驾驶性能。这势必会推动汽车电驱动用新型轴向磁通電機技术研究再上新台阶。

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，因此大批量後具有更高的成本效益，前景廣闊。軸向磁通電機作爲新興技術，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爲經濟效益優勢。

来源：汽车文摘暴杰许重斌赵慧超

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