軸向磁通電機(jī)在輕卡增程器中的運(yùn)用現(xiàn)狀分析

軸向磁通電機(jī)的技術(shù)創(chuàng)新和量產(chǎn)應(yīng)用，或?qū)⒂行Ы鉀Q電動(dòng)汽車領(lǐng)域目前所面臨的一些突出難題，比如輕量化、扭矩密度和人們最為關(guān)心的續(xù)航里程等。在奔馳汽車剛剛發(fā)布的Vision One Eleven概念車，以及此前已經(jīng)面世的法拉利SF90 Stradale、296GTB和邁凱倫Artura等各種高性能車型上，整車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)搭載應(yīng)用的都是軸向磁通電機(jī)，這種電機(jī)也被各大超豪華汽車品牌認(rèn)為是“目前高性能車通往電動(dòng)化之路的最佳解決方案”。

雖然徑向磁通電機(jī)讓整個(gè)汽車行業(yè)進(jìn)入了電動(dòng)化時(shí)代，但是軸向磁通電機(jī)在各個(gè)方面的表現(xiàn)都更好：它們不僅更輕、更小，而且還能提供更大的扭矩和更大的功率，這種突破性的電機(jī)能夠以更小、更輕的身軀創(chuàng)造出更強(qiáng)大的沖擊力，從而為汽車設(shè)計(jì)師們打開一個(gè)充滿可能性的全新世界。

徑向磁通電機(jī)的扭矩與轉(zhuǎn)子半徑的平方成正比，而軸向電機(jī)的扭矩與轉(zhuǎn)子半徑的立方成正比，所以可以產(chǎn)生更高的扭矩?cái)?shù)字；在輸出功率相同的情況下，軸向磁通電機(jī)的體積比徑向磁通電機(jī)小50%、重量輕50%，比如奔馳Vision One-Eleven純電概念車所搭載的軸向磁通電機(jī)，重量?jī)H為同等輸出功率普通電機(jī)的1/3 。

體積重量上的優(yōu)勢(shì)不僅大大減少了電機(jī)生產(chǎn)所需要的銅、鐵和永磁等材料的使用，而且可以讓軸向磁通電機(jī)布置在更加狹窄的地方，比如汽車輪轂的凹口，從而減少變速箱、傳動(dòng)軸等零部件的參與，減少動(dòng)能損失，因此驅(qū)動(dòng)效率更高，扭矩補(bǔ)償作用也更為直接。

同時(shí)，由于軸向磁通電機(jī)非常緊湊和輕便，安裝它所需要的結(jié)構(gòu)更少，這節(jié)省了更多的重量，而且它的轉(zhuǎn)速不會(huì)達(dá)到像傳統(tǒng)徑向磁通電機(jī)那樣高，因此可以沒(méi)有減速齒輪，從而進(jìn)一步降低系統(tǒng)總重量，其他子系統(tǒng)也可以從重量減輕中受益，比如剎車和冷卻系統(tǒng)?？傮w而言，在效率和續(xù)航里程方面可以實(shí)現(xiàn)5-10%的提高。

奔馳軸向磁通驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)曝光

奔馳剛剛公布了新的概念跑車"Vision One Eleven"，這款車除了獨(dú)特的造型和設(shè)計(jì)之外，還配備了四臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，每臺(tái)電機(jī)可輸出480馬力，整車擁有1920馬力的最大輸出。配備的YASA新一代軸流電機(jī)在2021年10月被奔馳收購(gòu)，將在奔馳的柏林-馬林費(fèi)爾德工廠生產(chǎn)，將成為性能細(xì)分市場(chǎng)下一個(gè)動(dòng)力總成的核心。

目前99%的電動(dòng)汽車都配備了徑向磁通電機(jī)，但YASA的軸向磁通電機(jī)是徑向磁通電機(jī)深度的1/3。由于元器件少，重量也是原來(lái)的1/3。更重要的是，這款緊湊型電機(jī)每臺(tái)可產(chǎn)生 480 馬力，比科尼賽克開發(fā)的同類型電動(dòng)機(jī)多出145馬力。

YASA 創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官 Tim Woolmer 表示，“在傳統(tǒng)的徑向磁通電機(jī)中，電流垂直于旋轉(zhuǎn)軸，而在軸向磁通電機(jī)中，電磁電流是高效的，因?yàn)樗叫杏陔姍C(jī)的軸流動(dòng)旋轉(zhuǎn)，與徑向磁通電機(jī)相比，它更強(qiáng)大、更耐用，能夠達(dá)到全新的性能水平?！?/p>

而這種軸向磁通電機(jī)的好處不僅僅是“重量和尺寸”，而且還增加了安裝自由度。以前必須安裝在車輛前后中央的電動(dòng)機(jī)現(xiàn)在可以安裝在車輪內(nèi)部，還可以用作制動(dòng)器以有效地儲(chǔ)存動(dòng)力，并且也可以用作制動(dòng)鉗。由于不需要在車身側(cè)安裝電機(jī)，車廂和行李廂的空間更寬，車身本身的設(shè)計(jì)自由度也將得到提升。而這種軸向磁通電機(jī)的好處不僅僅是“重量和尺寸”，還有因此而增加的“安裝自由度高”。

如果想法再大膽一點(diǎn)，可以把汽油車的發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、排氣系統(tǒng)等拆下來(lái)，在每個(gè)輪子上裝上這個(gè)軸向磁通電機(jī)，在某處空的地方裝上電池和逆變器就可以快速制造出電動(dòng)汽車，也可以使用汽油車平臺(tái)制造廉價(jià)的電動(dòng)汽車。

當(dāng)然，車輪的扭矩矢量控制也可以用更高效、更簡(jiǎn)單的系統(tǒng)來(lái)完成。因?yàn)椴恍枰惭b差速器和驅(qū)動(dòng)軸，前后輪可移動(dòng)的幅度更大，實(shí)現(xiàn)前所未有的汽車運(yùn)動(dòng)將成為可能。扭矩矢量一直是一種“制動(dòng)內(nèi)圈，相對(duì)增加外圈扭矩”的被動(dòng)控制，但有了這種軸向磁通電機(jī)，將可以更自由地控制前后左右的驅(qū)動(dòng)力，并且有可能實(shí)現(xiàn)完全不同的性能維度。

換句話說(shuō)，這種軸向磁通電動(dòng)機(jī)具有無(wú)限的潛力，可以做到汽油發(fā)動(dòng)機(jī)車輛無(wú)法做到的事情，并可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)徑向磁通電動(dòng)機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的布局。不僅有機(jī)動(dòng)性，而且內(nèi)部空間和承載能力將大大提高。

電動(dòng)汽車初創(chuàng)企業(yè)Infinitum

推出Aircore Mobility motor3

電動(dòng)汽車初創(chuàng)企業(yè)Infinitum推出了Aircore Mobility motor3，這是一種軸向磁通推進(jìn)和牽引電機(jī)，旨在為乘用和商用電動(dòng)汽車提供更可持續(xù)的動(dòng)力，以及其它新興的電動(dòng)平臺(tái)，如航空、船舶和建筑設(shè)備。根據(jù)Infinitum的說(shuō)法，Aircore Mobility電機(jī)比具有同等額定扭矩的徑向磁通電機(jī)效率高10%，體積小50%，重量輕。軸向磁通電機(jī)設(shè)計(jì)通過(guò)使用獲得專利的PCB定子技術(shù)實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)，該技術(shù)需要的銅減少66%，而不需要較重的鐵芯。

效率的提高和重量的減輕意味著電動(dòng)汽車和其它電動(dòng)平臺(tái)的續(xù)駛里程范圍更長(zhǎng)，電池組更小、更便宜，充電時(shí)間更快。

軸向磁通電機(jī)技術(shù)

大多數(shù)電機(jī)是徑向磁通電機(jī)的一些變體，它使用鐵芯定子和繞組來(lái)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而在定子內(nèi)移動(dòng)轉(zhuǎn)子。鐵有助于集中和增加磁場(chǎng)強(qiáng)度，但它很重，給電機(jī)增加了很大的重量。在軸向磁通電機(jī)中，轉(zhuǎn)子盤位于定子旁邊，軸向磁力（平行于旋轉(zhuǎn)軸的力）在轉(zhuǎn)子中引起運(yùn)動(dòng)。軸向磁通電機(jī)通常具有較高的扭矩重量比，這使得它們非常適合電動(dòng)汽車甚至航空等交通應(yīng)用。

印刷電路板定子

Infinitum軸向磁通電機(jī)體積小、重量輕的關(guān)鍵是PCB定子。Infinitum的空氣芯電機(jī)在定子中不使用鐵芯和銅繞組。與傳統(tǒng)電機(jī)不同，銅線圈直接蝕刻在PCB定子上，使得電機(jī)的重量和尺寸比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)少50%。在電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用中，來(lái)自牽引逆變器的驅(qū)動(dòng)電流通過(guò)固定的PCB定子繞組產(chǎn)生軸向磁通量，從而移動(dòng)轉(zhuǎn)子并向前驅(qū)動(dòng)車輛。

除尺寸和重量外，沒(méi)有鐵芯的其它好處還包括減少定子磁滯和渦流損耗，從而提高效率或每單位電量輸入的物理輸出。PCB定子還通過(guò)消除與傳統(tǒng)電機(jī)中的銅繞組和絕緣相關(guān)的潛在故障點(diǎn)來(lái)提高電機(jī)可靠性。

模塊化設(shè)計(jì)可擴(kuò)展

Aircore Mobility采用模塊化設(shè)計(jì)，可在不改變核心電機(jī)結(jié)構(gòu)的情況下根據(jù)應(yīng)用的功率需求進(jìn)行擴(kuò)展。通過(guò)這種方法，可以根據(jù)需要組合多個(gè)PCB定子和轉(zhuǎn)子，以滿足應(yīng)用的電力需求，從小型乘用車到特斯拉Semi等8級(jí)商用卡車。設(shè)計(jì)的靈活性使工程師能夠試驗(yàn)不同的配置，快速添加定子和轉(zhuǎn)子，以確定哪種配置最適合他們的功率和扭矩要求。

根據(jù)Infinitum工程副總裁Ramon Guiart的說(shuō)法，與之前的機(jī)型相比，這種更高功率的可擴(kuò)展性是Aircore Mobility的關(guān)鍵區(qū)別。Guiart表示：“不同之處在于我們能夠?qū)崿F(xiàn)的可擴(kuò)展性。這些特定的單元大約為150千瓦或200馬力?！?/p>

在成本方面，PCB定子可以使用廣泛可用的標(biāo)準(zhǔn)電路板生產(chǎn)技術(shù)制造。

冷卻高功率密度電機(jī)

增加多個(gè)轉(zhuǎn)子和定子的能力使得Aircore電機(jī)能在功率上進(jìn)行縮放，但在電機(jī)緊湊空間中的熱量管理方面也存在挑戰(zhàn)。對(duì)于Infinitum說(shuō)，用油基系統(tǒng)取代空氣冷卻是應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)的答案。

盤轂動(dòng)力推出ICD150K軸向磁通電機(jī)

盤轂動(dòng)力的ICD150K軸向磁通電機(jī)，一臺(tái)僅重24Kg的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，可以輸出約150kW的峰值功率以及325N·m的最大扭矩，當(dāng)一臺(tái)汽車搭載上4個(gè)這樣的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，可以想象它的性能可以多么強(qiáng)大。

通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新和正向研發(fā)，盤轂動(dòng)力推出了以ICD150K為基礎(chǔ)的新能源乘用車三合一分布式驅(qū)動(dòng)解決方案，通過(guò)對(duì)電機(jī)、減速器、電控箱的高度集成化設(shè)計(jì)，大大降低了總成重量、縮減了總成體積，整套系統(tǒng)總成的重量不超過(guò)100Kg，峰值功率達(dá)到300Kw，系統(tǒng)總成功率密度超過(guò)3kW/kg，而且可以根據(jù)車輛開發(fā)平臺(tái)的實(shí)際需求，實(shí)現(xiàn)定制化的布置方案設(shè)計(jì)，其中「平行軸方案」有利于在Z向高度和Y向?qū)挾确矫骖A(yù)留更大的底盤空間；「同軸方案」的布置方式則可以在X向長(zhǎng)度上獲得更大的設(shè)計(jì)自由度，并且該方案在左右半軸的長(zhǎng)度一致，總成質(zhì)量分布更加均勻。

軸向磁通電機(jī)在輕卡增程器中的運(yùn)用

新型增程式發(fā)電機(jī)批產(chǎn)下線。

中豪45kw增程器發(fā)電機(jī)產(chǎn)品

中豪60kw增程器發(fā)電機(jī)產(chǎn)品

雙定子軸向磁通電機(jī)技術(shù)

產(chǎn)品采用雙定子軸向磁通電機(jī)技術(shù)，體積較市場(chǎng)主流產(chǎn)品減小1/3，重量降低30%。其扁平化的結(jié)構(gòu)和低速高扭的性能特點(diǎn)完美匹配增程器產(chǎn)品對(duì)發(fā)電機(jī)的需求。電機(jī)安裝完后甚至未超出發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)。增程器整套系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)十分小巧，更能適應(yīng)整車裝配的狹小空間，滿足車輛輕量化需求。

碳纖維纏繞轉(zhuǎn)子盤

產(chǎn)品的盤式轉(zhuǎn)子采用了行業(yè)領(lǐng)先的碳纖維纏繞工藝，大大降低失效風(fēng)險(xiǎn)，可靠性高；此外，取消了傳統(tǒng)浸漆工藝，采用更為先進(jìn)的真空灌封工藝，在保證生產(chǎn)過(guò)程清潔環(huán)保的同時(shí)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大幅度提升，NVH性能提升明顯；另一方面，產(chǎn)品采用中豪自主研發(fā)的端面水道散熱方式，散熱效果極佳，顯著降低了發(fā)動(dòng)機(jī)熱傳導(dǎo)給電機(jī)帶來(lái)的不良影響，性能非常穩(wěn)定。

鐵芯沖卷成型工藝

產(chǎn)品定子鐵芯采用沖卷一次成型工藝，材料利用率極高，較沖壓鐵芯，原料成本降低30%；而軸向永磁盤式電機(jī)，其獨(dú)特的磁通結(jié)構(gòu)，決定了其軸向厚度比常規(guī)電機(jī)薄2/3以上。轉(zhuǎn)子盤與飛輪結(jié)構(gòu)相似且軸向安裝，可代替增程器的飛輪部分，不僅在設(shè)計(jì)研發(fā)增程器時(shí)較大程度地降低了制造成本，還提高了能量轉(zhuǎn)換效率。

從增程器的發(fā)電效率上來(lái)看，產(chǎn)品使用軸向磁通永磁電機(jī)去匹配發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳油耗點(diǎn)，會(huì)讓系統(tǒng)效率更高。在汽柴油發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速僅在1500rpm到3000rpm的工況下，軸向磁通永磁電機(jī)的效率高，且擁有很寬的高效區(qū)間。增程器系統(tǒng)綜合效率可達(dá)95%以上。高效發(fā)電系統(tǒng)，帶來(lái)的直接收益則是車輛的節(jié)油率可達(dá)20%以上。

編輯：黃飛

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