能耗降低20%！奔驰、零跑投注轴向磁通电机

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）自去年11月梅赛德斯-奔驰在广州展示了一款搭载轴向磁通电机的概念车Vision One-Eleven以来，轴向磁通电机在汽车上的应用受到了关注。轴向磁通电机其实发展时间已经相当长，它不是第一次在乘用车上应用，但随着电动汽车在近10年的高速发展，轴向磁通电机的体积、轻量化、高效率等优势使其越来越受到重视。今年以来，多家海内外厂商投入更多资源开发乘用车轴向磁通电机，包括卧龙电驱、江特电机、大洋电机、小米汽车等都在进行研发。
 
轴向磁通电机是什么
 
轴向磁通电机的雏形就是法拉第在1831年发明的圆盘发电机，当时的结构是用一个可以转动的金属圆盘，置于蹄形磁铁的磁场中，当圆盘转动时，圆盘边缘和圆盘轴心之间就会产生电流，实现将机械能转化为电能。相反，在圆盘上施加电流，电能可以转变为动能，就成为了轴向磁通电机。
 
在结构上，轴向磁通电机和现在广泛使用的径向磁通电机其实都是由定子和转子组成，区别在于，轴向磁通电机的转子和定子铁心的直径相同，定子和转子是在轴上依次装配，像两个圆环用铁棒穿起来；而径向磁通电机则是转子被安装在定子内部，定子包裹着转子。
 
所以从外观上，轴向磁通电机往往看起来像一个大盘，因此也被称为盘式电机，而目前常见的径向磁通电机就像圆柱体。
 
轴向电机由于结构的优势，可以有多重构型，比如单定子单转子、单定子双转子、双定子单转子、多盘式组合等，应对不同应用场景的需求。
 
不过在过去的近200年时间里，轴向磁通电机由于各种问题没有实现大规模量产。最近的突破大概是来自2009年创立的YASA，YASA创立之初就专注于轴向磁通电机产品，然而因为无法大规模量产，一直都是被用于试验性质的混合动力跑车中。
 
为什么这么多年都无法规模量产？这里有几个主要原因，首先是散热。现有成熟的径向电机在冷却上主要是作用于绕组，而轴向电机除了绕组之外，定子齿承载着磁通路径，在运行时会缠上大量热量，散热效果不足可能会导致定子材料绝缘性能下降，影响电机可靠性。
 
相比径向电机，轴向电机的磁场分布也更加复杂，容易产生磁场谐波，需要采用特殊的设计和材料来实现磁场分布的平衡。同时，轴向电机对转子和定子之间的气隙均匀性要求极高，对零部件制造精度、装配精度要求高，因此与径向电机相比制造成本也将会大大增加。
 
前面提到轴向电机磁场分布复杂，因此控制策略和算法开发也是难点之一，可靠性、安全性相比主流的径向电机还有待验证。
 
成立于2009年的YASA，经过了十多年研发，只在柯尼塞格、捷豹、法拉利等部分产量极小的限量车型上有所应用。直到2021年，梅赛德斯-奔驰收购了YASA，才宣布将这一技术率先在奔驰AMG.EA纯电平台车型上量产搭载。
 
那么既然技术有这么多难点，轴向电机当然也有很多优势，首先是体积小、轻量化，轴向长度仅为径向电机的一半左右，体积重量都要更小，同时物料成本可能也更低，在生产环节中铜、铁等材料的用量更低；在性能方面，在高扭矩密度和功率密度上，轴向电机相比同规格径向电机要高出30%左右；能耗方面，轴向电机效率相比径向电机更高，通常超过96%，在不同功率等级下能耗可以降低15%—20%左右。
 
产业链玩家
 
由于奔驰的入局，YASA成为目前全球轴向磁通电机最受关注的企业。根据YASA的介绍，他们的轴向电机在重量24KG、体积5L的情况下，能够产生800牛·米的扭矩，扭矩密度达到同类型径向电机的4倍，且拥有同类径向电机2-3倍的功率密度。

来自斯洛文尼亚的Emrax公司也在轴向电机上布局较早，目前其官网上展示了多款轴向电机产品，其中EMRAX 348最大峰值功率达到340kW，重量仅43—44kg。
 
不过近几年，国内也有不少公司投入到轴向磁通电机的领域，比如今年4月零跑汽车就和国内轴向磁通电机厂商盘毂动力签署了战略合作协议。
 
盘毂动力据称是全球率先实现轴向磁通电机规模化量产应用的企业，从其官网披露的信息，目前其轴向磁通电机产品已经在多个商用车领域大规模应用，包括纯电大巴、矿用卡车、电动重卡等。
 
其中纯电巴士的轴向电机动力系统已经累计销售5000套，在国内50余个城市批量运营，累计安全行驶里程超过2.5亿公里。
 
目前盘毂动力有三大平台的轴向电机产品，包括小体积的PCB电机，用于汽车压缩机、园林机械、无人机等领域；功率密度、效率更高的ICS单转子核心驱动单元，用于商用车、液压、冷却风机等工业领域；ICD双转子核心驱动单元的轴向尺寸相比ICS更小，适用于车辆内部结构紧凑的乘用车驱动系统等领域。
 
国内另一家专注轴向电机的公司中豪电动，目前也已经在一些商用领域应用，比如在柴油增程器、混动系统、工程机械上装设备电机等。中豪电动目前的轴向电机功率主要集中在中小功率，比如目前官网上展示的60kW混动电机，效率最高大于95%。
 
小结：
 
根据IndustryARC的预测，轴向磁通电机市场规模在2022年到2027年间的复合年均增长率将会达到10.8%，到2027年市场规模会达到8.7亿美元，其中汽车应用占比41%。
 
在国务院印发的《新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）》中，其中提到的一个目标是，到2025年，纯电动乘用车新车平均电耗降至12.0千瓦时/百公里。轴向磁通电机高功率密度、高效率的优势，未来将会在一些高端车型上逐步取代径向电机，但在此之前，还需要解决规模量产、可靠性等问题。