曹一凡

長安大學(xué)汽車學(xué)院 陜西省西安市 710064

1 引言

汽車工業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)，在國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用。近年來，中國汽車產(chǎn)銷維持在2500萬輛以上，2021年，中國汽車產(chǎn)銷量分別為2608.2萬輛和2627.5萬輛。隨著汽車產(chǎn)銷量和保有量的快速增長，燃油汽車帶來的能源短缺和環(huán)境污染問題日益突出。中國對外石油依存度超過64%，探明石油儲量僅占世界石油儲量的2%-3%。燃油車的尾氣污染已經(jīng)成為我國空氣污染的關(guān)鍵原因之一，如何應(yīng)對燃油汽車的能源短缺和尾氣污染已成為當(dāng)前中國汽車工業(yè)的一個至關(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。插電式混合動力汽車和純電動汽車一直是全球許多研究人員和汽車公司的重點研發(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)計顯示，2021年上半年，全國新能源汽車產(chǎn)銷121.5萬輛和120.6萬輛，同比均增長2倍。在新能源汽車主要品種中，純電動汽車產(chǎn)銷分別完成102.2萬輛和100.5萬輛，同比分別增長2.3倍和2.2倍。

對于電動汽車的電機(jī)來說，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，較小的長徑比，結(jié)構(gòu)緊湊及低速大轉(zhuǎn)矩等特點，在電動汽車驅(qū)動電機(jī)等領(lǐng)域中應(yīng)用前景廣闊。

2 電動汽車驅(qū)動電機(jī)的設(shè)計需求

電動汽車驅(qū)動用永磁同步電動機(jī)要求能夠頻繁的起動、停車、加減速，在低速或爬坡時輸出大轉(zhuǎn)矩，在高速時能夠恒功率運(yùn)行。電動汽車驅(qū)動用永磁電機(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，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，需要減弱永磁體產(chǎn)生的磁通來維持高速運(yùn)行時電機(jī)端電壓的平衡，達(dá)到弱磁擴(kuò)速的目的。同時，電機(jī)運(yùn)行于恒功率狀態(tài)。

圖1 電動汽車?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擁有較短的軸向長度。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)明的第一臺電動機(jī)。若干年后的1837年，達(dá)文波特為第一臺徑向磁通機(jī)申請了專利。多年來，軸向磁通機(jī)沒有被使用的原因有幾個，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)的簡單對比

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，軸向長度不同，定子部分與轉(zhuǎn)子部分軸向方向相對裝配；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)整個磁通路徑的方向為先經(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)成整個回路；徑向磁通電機(jī)的磁通路徑方向為先經(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。電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度，是指單位體積上電動機(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表示電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度；S2N表示電動機(jī)的輸出額定轉(zhuǎn)矩；ΩN表示電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速時的機(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 不同級數(shù)下徑向磁通電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度

圖8 不同級數(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)因為具有“雙定子-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)動單元

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

電動汽車動力系統(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)動單元將一個定制的YASA電機(jī)及控制器與FEV設(shè)計的2速變速箱、離合器和電動執(zhí)行器集成在一個緊湊的封裝中，如圖9所示。這種2速的電機(jī)驅(qū)動單元在城市道路和高速公路的驅(qū)動循環(huán)中都提供了極高的效率，與單速驅(qū)動相比，可以有效提升續(xù)駛里程。

圖9 YASA的電力驅(qū)動單元

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EMRAX-348，可以在4500r/min時得到高達(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間內(nèi)裝配并交付其客戶定制的電機(jī)。

6 結(jié)語

本文分析了當(dāng)前我國新能源汽車市場背景，進(jìn)而提出了當(dāng)前新能源汽車驅(qū)動電機(jī)的設(shè)計需求，通過對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，并通過三個實例印證了實際可行性。

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，商用電動車輛較少采用。但是，隨著制造工藝的不斷進(jìn)步，市場規(guī)模的提升以及上下游供應(yīng)鏈的建立，軸向磁通電機(jī)也會逐步降低成本。

屆時，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將會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。