軸向磁通電機(jī)在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用和展望

曹一凡

長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院 陜西省西安市 710064

1 引言

汽車工業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用。近年來(lái)，中國(guó)汽車產(chǎn)銷維持在2500萬(wàn)輛以上，2021年，中國(guó)汽車產(chǎn)銷量分別為2608.2萬(wàn)輛和2627.5萬(wàn)輛。隨著汽車產(chǎn)銷量和保有量的快速增長(zhǎng)，燃油汽車帶來(lái)的能源短缺和環(huán)境污染問題日益突出。中國(guó)對(duì)外石油依存度超過64%，探明石油儲(chǔ)量?jī)H占世界石油儲(chǔ)量的2%-3%。燃油車的尾氣污染已經(jīng)成為我國(guó)空氣污染的關(guān)鍵原因之一，如何應(yīng)對(duì)燃油汽車的能源短缺和尾氣污染已成為當(dāng)前中國(guó)汽車工業(yè)的一個(gè)至關(guān)重要的問題。

在此背景下，發(fā)展節(jié)能環(huán)保的新能源汽車成為迫切需要。插電式混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車一直是全球許多研究人員和汽車公司的重點(diǎn)研發(fā)領(lǐng)域，商業(yè)化方面也已經(jīng)形成了相當(dāng)?shù)囊?guī)模。統(tǒng)計(jì)顯示，2021年上半年，全國(guó)新能源汽車產(chǎn)銷121.5萬(wàn)輛和120.6萬(wàn)輛，同比均增長(zhǎng)2倍。在新能源汽車主要品種中，純電動(dòng)汽車產(chǎn)銷分別完成102.2萬(wàn)輛和100.5萬(wàn)輛，同比分別增長(zhǎng)2.3倍和2.2倍。

對(duì)于電動(dòng)汽車的電機(jī)來(lái)說(shuō)，在負(fù)載要求、技術(shù)性能和工作環(huán)境等方面有著比工業(yè)電機(jī)更高的標(biāo)準(zhǔn)。軸向磁通永磁電機(jī)具有較高的功率密度、轉(zhuǎn)矩密度和效率，較小的長(zhǎng)徑比，結(jié)構(gòu)緊湊及低速大轉(zhuǎn)矩等特點(diǎn)，在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)等領(lǐng)域中應(yīng)用前景廣闊。

2 電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的設(shè)計(jì)需求

電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)用永磁同步電動(dòng)機(jī)要求能夠頻繁的起動(dòng)、停車、加減速，在低速或爬坡時(shí)輸出大轉(zhuǎn)矩，在高速時(shí)能夠恒功率運(yùn)行。電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)用永磁電機(jī)理想的運(yùn)行特性曲線如圖1所示，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，額定電流與永磁體磁通共同作用產(chǎn)生額定電磁轉(zhuǎn)矩，電機(jī)端電壓和輸出功率隨著轉(zhuǎn)速的增加而線性增大。電機(jī)轉(zhuǎn)速大于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，需要減弱永磁體產(chǎn)生的磁通來(lái)維持高速運(yùn)行時(shí)電機(jī)端電壓的平衡，達(dá)到弱磁擴(kuò)速的目的。同時(shí)，電機(jī)運(yùn)行于恒功率狀態(tài)。

圖1 電動(dòng)汽車?yán)硐脒\(yùn)行特性曲線

3 軸向磁通電機(jī)的發(fā)展歷程

軸向磁通電機(jī)是一種雙面軸向磁通電機(jī)，在具備較高扭矩密度的同時(shí)擁有較短的軸向長(zhǎng)度。最早的軸向磁通電機(jī)可以追溯至1831年由邁克爾·法拉第發(fā)明的第一臺(tái)電動(dòng)機(jī)。若干年后的1837年，達(dá)文波特為第一臺(tái)徑向磁通機(jī)申請(qǐng)了專利。多年來(lái)，軸向磁通機(jī)沒有被使用的原因有幾個(gè)，例如：定子和轉(zhuǎn)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(jī)在市場(chǎng)上占據(jù)了主導(dǎo)地位。然而，這些問題可以通過改進(jìn)制造技術(shù)來(lái)克服。1983年，隨著屬于稀土永磁家族的釹鐵硼的開發(fā)，永磁體激勵(lì)電機(jī)向前邁進(jìn)了一大步；這使得軸向磁通量永磁體的電機(jī)重新得到了應(yīng)用。

4 軸向和徑向磁通電機(jī)的簡(jiǎn)單對(duì)比

4.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)

圖2為軸向和徑向磁通電機(jī)的模型，兩種電機(jī)的主要部件均由定子部分（定子鐵心與繞組）與轉(zhuǎn)子部分（永磁體與轉(zhuǎn)子鐵心）組成。軸向磁通電機(jī)定子鐵心與轉(zhuǎn)子鐵心的外徑與內(nèi)徑保持一致，軸向長(zhǎng)度不同，定子部分與轉(zhuǎn)子部分軸向方向相對(duì)裝配；而徑向磁通電機(jī)轉(zhuǎn)子部分裝配于定子部分內(nèi)部，這種結(jié)構(gòu)的定子鐵心與轉(zhuǎn)子鐵心的軸向長(zhǎng)度保持一致。兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電機(jī)裝配方式的不同，導(dǎo)致兩者在結(jié)構(gòu)上差異較大。

4.2 磁通方向

軸向磁通電機(jī)與徑向磁通電機(jī)的磁通路徑走向如圖3、4所示。兩種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電機(jī)的磁通路徑走向基本相同，均由N極永磁體發(fā)出，經(jīng)氣隙、定子、氣隙、S極、轉(zhuǎn)子鐵心，最終回到N極構(gòu)成回路。但他們的磁通路徑方向卻不同，軸向磁通電機(jī)整個(gè)磁通路徑的方向?yàn)橄冉?jīng)過軸向、后經(jīng)過定子軛部周向閉合，隨后沿軸的方向向S極閉合，最終經(jīng)轉(zhuǎn)子盤周向進(jìn)行閉合構(gòu)成整個(gè)回路；徑向磁通電機(jī)的磁通路徑方向?yàn)橄冉?jīng)過徑向、后經(jīng)過定子軛部周向閉合，隨后沿徑的方向向S極閉合，最終經(jīng)轉(zhuǎn)子鐵心周向進(jìn)行閉合構(gòu)成整個(gè)回路。

圖3 軸向磁通電機(jī)磁通路徑

3.3 轉(zhuǎn)矩密度

想要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高功率密度有兩條徑，一是提高轉(zhuǎn)速，一是提高轉(zhuǎn)矩密度。而過高的轉(zhuǎn)速在許多工況下并不適用，因此提升轉(zhuǎn)矩密度是十分有必要的。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度，是指單位體積上電動(dòng)機(jī)軸上所輸出的額定轉(zhuǎn)矩，用公式可表示為：

圖4 徑向磁通電機(jī)磁通路徑

在（1）式中，ST表示電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度；S2N表示電動(dòng)機(jī)的輸出額定轉(zhuǎn)矩；ΩN表示電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速時(shí)的機(jī)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(jī)為例，二者的平面結(jié)構(gòu)示意圖如圖5、6所示。

圖5 徑向磁通永磁同步電機(jī)示意圖

圖6 軸向磁通永磁同步電機(jī)示意圖

各項(xiàng)參數(shù)的含義如表1所示，用于比較的電機(jī)各性能參數(shù)值如表2所示，由于研究關(guān)注的是電機(jī)直驅(qū)的應(yīng)用，比如電動(dòng)汽車的輪內(nèi)電機(jī)，因此參數(shù)和系數(shù)選擇了典型的電機(jī)低速應(yīng)用工況。

表1 圖示電機(jī)各參數(shù)定義

表2 電機(jī)性能比較參數(shù)

由于軸向磁通永磁同步電機(jī)和徑向磁通永磁同步電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，二者電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式也不同，這里給出的是典型的“雙定子-單轉(zhuǎn)子”結(jié)構(gòu)軸向磁通永磁同步電機(jī)的計(jì)算公式，公式如下，（2）為徑向磁通電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，（3）為軸向磁通電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)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(shù)；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(jī)的轉(zhuǎn)矩密度圖像，如圖7、8所示。

圖7 不同級(jí)數(shù)下徑向磁通電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度

圖8 不同級(jí)數(shù)下軸向磁通電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度

其中，是電機(jī)軸向長(zhǎng)度和電機(jī)外徑的比值。和徑向磁通電機(jī)相比，軸向磁通電機(jī)在高磁極數(shù)目的情況下的性能表現(xiàn)引人注目（λ＜0.3）。在這些情況下，軸向磁通永磁同步電機(jī)可以提供比軸向磁通永磁同步電機(jī)更高的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩密度。而且軸向磁通電機(jī)因?yàn)榫哂小半p定子-單轉(zhuǎn)子”結(jié)構(gòu)而不需要轉(zhuǎn)子軛，使其軸向距離較徑向磁通永磁同步電機(jī)更短。

5 在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

5.1 YASA公司的電力驅(qū)動(dòng)單元

YASA公司自2009年成立以來(lái)，一直是下一代電力驅(qū)動(dòng)技術(shù)的探索者。現(xiàn)在其作為梅賽德斯-奔馳的一部分，致力于重新定義未來(lái)的駕駛性能。

電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的開發(fā)面臨的挑戰(zhàn)之一即為將電機(jī)和控制器集成到有著嚴(yán)格重量和空間限制的環(huán)境里。YASA公司研發(fā)的的電驅(qū)動(dòng)單元將一個(gè)定制的YASA電機(jī)及控制器與FEV設(shè)計(jì)的2速變速箱、離合器和電動(dòng)執(zhí)行器集成在一個(gè)緊湊的封裝中，如圖9所示。這種2速的電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元在城市道路和高速公路的驅(qū)動(dòng)循環(huán)中都提供了極高的效率，與單速驅(qū)動(dòng)相比，可以有效提升續(xù)駛里程。

圖9 YASA的電力驅(qū)動(dòng)單元

5.2 EMRAX公司的電機(jī)系統(tǒng)

EMRAX電機(jī)擁有一系列重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、功能強(qiáng)大的軸向磁通電機(jī)，如圖10所示。其中最大的型號(hào)EMRAX-348，可以在4500r/min時(shí)得到高達(dá)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(dá)到了10kw/kg。而且兩臺(tái)電機(jī)也可以疊加在一起作為EMRAXTWIN系統(tǒng)，得到翻倍的功率和扭矩。

圖10 EMRAX公司電機(jī)系列

每臺(tái)EMRAX電機(jī)都是通過標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)流程制造的定制產(chǎn)品。其標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)過程使EMRAX公司能夠在很短的時(shí)間內(nèi)裝配并交付其客戶定制的電機(jī)。

6 結(jié)語(yǔ)

本文分析了當(dāng)前我國(guó)新能源汽車市場(chǎng)背景，進(jìn)而提出了當(dāng)前新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的設(shè)計(jì)需求，通過對(duì)軸向和徑向磁通電機(jī)的比較得出了軸向磁通電機(jī)在解決了一些結(jié)構(gòu)和材料方面的問題后在新能源汽車領(lǐng)域有著廣闊的運(yùn)用前景的結(jié)論，并通過三個(gè)實(shí)例印證了實(shí)際可行性。

隨著新能源汽車的不斷發(fā)展，各大車企都在三電系統(tǒng)方面做出重要布局，作為三電系統(tǒng)之一的電機(jī)系統(tǒng)是其中的關(guān)鍵一環(huán)，而軸向磁通電機(jī)作為一種新興的電機(jī)結(jié)構(gòu)，擁有著比徑向磁通電機(jī)更優(yōu)秀的性能表現(xiàn)，其當(dāng)前階段的主要問題在于成本較高而且制造困難，商用電動(dòng)車輛較少采用。但是，隨著制造工藝的不斷進(jìn)步，市場(chǎng)規(guī)模的提升以及上下游供應(yīng)鏈的建立，軸向磁通電機(jī)也會(huì)逐步降低成本。

屆時(shí)，軸向磁通電機(jī)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(diǎn)將會(huì)讓其在新能源汽車領(lǐng)域起著關(guān)鍵性作用，促進(jìn)新能源汽車的進(jìn)一步發(fā)展。