轴向磁通电机在新能源汽车领域的应用和展望

曹一凡

长安大学汽车学院 陕西省西安市 710064

1 引言

汽车工业是我国国民经济的重要支柱产业，在国民经济和社会发展中起着至关重要的作用。近年来，中国汽车产销维持在2500万辆以上，2021年，中国汽车产销量分别为2608.2万辆和2627.5万辆。随着汽车产销量和保有量的快速增长，燃油汽车带来的能源短缺和环境污染问题日益突出。中国对外石油依存度超过64%，探明石油储量仅占世界石油储量的2%-3%。燃油车的尾气污染已经成为我国空气污染的关键原因之一，如何应对燃油汽车的能源短缺和尾气污染已成为当前中国汽车工业的一个至关重要的问题。

在此背景下，发展节能环保的新能源汽车成为迫切需要。插电式混合动力汽车和纯电动汽车一直是全球许多研究人员和汽车公司的重点研发领域，商业化方面也已经形成了相当的规模。统计显示，2021年上半年，全国新能源汽车产销121.5万辆和120.6万辆，同比均增长2倍。在新能源汽车主要品种中，纯电动汽车产销分别完成102.2万辆和100.5万辆，同比分别增长2.3倍和2.2倍。

对于电动汽车的电机来说，在负载要求、技术性能和工作环境等方面有着比工业电机更高的标准。轴向磁通永磁电机具有较高的功率密度、转矩密度和效率，较小的长径比，结构紧凑及低速大转矩等特点，在电动汽车驱动电机等领域中应用前景广阔。

2 电动汽车驱动电机的设计需求

电动汽车驱动用永磁同步电动机要求能够频繁的起动、停车、加减速，在低速或爬坡时输出大转矩，在高速时能够恒功率运行。电动汽车驱动用永磁电机理想的运行特性曲线如图1所示，当转速低于额定转速时，额定电流与永磁体磁通共同作用产生额定电磁转矩，电机端电压和输出功率随着转速的增加而线性增大。电机转速大于额定转速时，需要减弱永磁体产生的磁通来维持高速运行时电机端电压的平衡，达到弱磁扩速的目的。同时，电机运行于恒功率状态。

图1 电动汽车理想运行特性曲线

3 轴向磁通电机的发展历程

轴向磁通电机是一种双面轴向磁通电机，在具备较高扭矩密度的同时拥有较短的轴向长度。最早的轴向磁通电机可以追溯至1831年由迈克尔·法拉第发明的第一台电动机。若干年后的1837年，达文波特为第一台径向磁通机申请了专利。多年来，轴向磁通机没有被使用的原因有几个，例如：定子和转子之间有很大的吸引力，造成了制造上的困难，而且层压定子铁芯的制造成本很高，在装配上也难以保持均匀的气隙。因此，径向磁通机在市场上占据了主导地位。然而，这些问题可以通过改进制造技术来克服。1983年，随着属于稀土永磁家族的钕铁硼的开发，永磁体激励电机向前迈进了一大步；这使得轴向磁通量永磁体的电机重新得到了应用。

4 轴向和径向磁通电机的简单对比

4.1 电机结构

图2为轴向和径向磁通电机的模型，两种电机的主要部件均由定子部分（定子铁心与绕组）与转子部分（永磁体与转子铁心）组成。轴向磁通电机定子铁心与转子铁心的外径与内径保持一致，轴向长度不同，定子部分与转子部分轴向方向相对装配；而径向磁通电机转子部分装配于定子部分内部，这种结构的定子铁心与转子铁心的轴向长度保持一致。两种拓扑结构电机装配方式的不同，导致两者在结构上差异较大。

4.2 磁通方向

轴向磁通电机与径向磁通电机的磁通路径走向如图3、4所示。两种不同拓扑结构电机的磁通路径走向基本相同，均由N极永磁体发出，经气隙、定子、气隙、S极、转子铁心，最终回到N极构成回路。但他们的磁通路径方向却不同，轴向磁通电机整个磁通路径的方向为先经过轴向、后经过定子轭部周向闭合，随后沿轴的方向向S极闭合，最终经转子盘周向进行闭合构成整个回路；径向磁通电机的磁通路径方向为先经过径向、后经过定子轭部周向闭合，随后沿径的方向向S极闭合，最终经转子铁心周向进行闭合构成整个回路。

图3 轴向磁通电机磁通路径

3.3 转矩密度

想要实现电机的高功率密度有两条径，一是提高转速，一是提高转矩密度。而过高的转速在许多工况下并不适用，因此提升转矩密度是十分有必要的。电动机的转矩密度，是指单位体积上电动机轴上所输出的额定转矩，用公式可表示为：

图4 径向磁通电机磁通路径

在（1）式中，ST表示电动机的转矩密度；S2N表示电动机的输出额定转矩；ΩN表示电动机额定转速时的机械角速度。

这里引用[6]的定义方法，以轴向和径向磁通永磁同步电机为例，二者的平面结构示意图如图5、6所示。

图5 径向磁通永磁同步电机示意图

图6 轴向磁通永磁同步电机示意图

各项参数的含义如表1所示，用于比较的电机各性能参数值如表2所示，由于研究关注的是电机直驱的应用，比如电动汽车的轮内电机，因此参数和系数选择了典型的电机低速应用工况。

表1 图示电机各参数定义

表2 电机性能比较参数

由于轴向磁通永磁同步电机和径向磁通永磁同步电机的拓扑结构不同，二者电磁转矩的计算公式也不同，这里给出的是典型的“双定子-单转子”结构轴向磁通永磁同步电机的计算公式，公式如下，（2）为径向磁通电机的电磁转矩，（3）为轴向磁通电机的电磁转矩。

其中，Bg1为基本气隙磁通密度的最大值；KS1为线性电流密度的基本分量；kw1为基本绕组系数；Acu为槽中的总铜面积；σ为电流密度。由此可以得出两种电机的转矩密度图像，如图7、8所示。

图7 不同级数下径向磁通电机的转矩密度

图8 不同级数下轴向磁通电机的转矩密度

其中，是电机轴向长度和电机外径的比值。和径向磁通电机相比，轴向磁通电机在高磁极数目的情况下的性能表现引人注目（λ＜0.3）。在这些情况下，轴向磁通永磁同步电机可以提供比轴向磁通永磁同步电机更高的电磁转矩和转矩密度。而且轴向磁通电机因为具有“双定子-单转子”结构而不需要转子轭，使其轴向距离较径向磁通永磁同步电机更短。

5 在新能源汽车领域的应用

5.1 YASA公司的电力驱动单元

YASA公司自2009年成立以来，一直是下一代电力驱动技术的探索者。现在其作为梅赛德斯-奔驰的一部分，致力于重新定义未来的驾驶性能。

电动汽车动力系统的开发面临的挑战之一即为将电机和控制器集成到有着严格重量和空间限制的环境里。YASA公司研发的的电驱动单元将一个定制的YASA电机及控制器与FEV设计的2速变速箱、离合器和电动执行器集成在一个紧凑的封装中，如图9所示。这种2速的电机驱动单元在城市道路和高速公路的驱动循环中都提供了极高的效率，与单速驱动相比，可以有效提升续驶里程。

图9 YASA的电力驱动单元

5.2 EMRAX公司的电机系统

EMRAX电机拥有一系列重量轻、结构紧凑、功能强大的轴向磁通电机，如图10所示。其中最大的型号EMRAX-348，可以在4500r/min时得到高达420kw的升压功率和1000N·m的峰值扭矩，而且重量只有42kg，这意味着它的功率密度达到了10kw/kg。而且两台电机也可以叠加在一起作为EMRAXTWIN系统，得到翻倍的功率和扭矩。

图10 EMRAX公司电机系列

每台EMRAX电机都是通过标准化的生产流程制造的定制产品。其标准化的生产过程使EMRAX公司能够在很短的时间内装配并交付其客户定制的电机。

6 结语

本文分析了当前我国新能源汽车市场背景，进而提出了当前新能源汽车驱动电机的设计需求，通过对轴向和径向磁通电机的比较得出了轴向磁通电机在解决了一些结构和材料方面的问题后在新能源汽车领域有着广阔的运用前景的结论，并通过三个实例印证了实际可行性。

随着新能源汽车的不断发展，各大车企都在三电系统方面做出重要布局，作为三电系统之一的电机系统是其中的关键一环，而轴向磁通电机作为一种新兴的电机结构，拥有着比径向磁通电机更优秀的性能表现，其当前阶段的主要问题在于成本较高而且制造困难，商用电动车辆较少采用。但是，随着制造工艺的不断进步，市场规模的提升以及上下游供应链的建立，轴向磁通电机也会逐步降低成本。

届时，轴向磁通电机高效率，高功率密度，以及尤为突出的高体积比功率密度的特点将会让其在新能源汽车领域起着关键性作用，促进新能源汽车的进一步发展。