EMRAX電機(jī)：新能源汽車(chē)加速只需幾秒

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作為新能源汽車(chē)的核心部件之一，驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其相關(guān)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特性決定了汽車(chē)行駛的主要性能指標(biāo)。早期的電動(dòng)汽車(chē)主要采用直流電機(jī)，而在20世紀(jì)80年代之后，異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)以及開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)逐漸成為了主流。在當(dāng)前市售的主流新能源汽車(chē)中，以2017年銷(xiāo)量排名*新能源汽車(chē)（排名1-10位的分別是北汽新能源EC180、特斯拉的MODEL S(參數(shù)|圖片)、豐田的普銳斯(參數(shù)|圖片)PHEV、日產(chǎn)LEAF、特斯拉MODEL X(參數(shù)|圖片)、眾泰的知豆(參數(shù)|圖片)、雷諾ZOE(參數(shù)|圖片)、寶馬i3、比亞迪的宋DM、雪佛蘭Bolt）為例，眾泰知豆、雪佛蘭BOLT、日產(chǎn)LEAF、比亞迪的宋DM、豐田的普銳斯PHEV采用永磁同步電機(jī)，北汽新能源EC180、特斯拉的MODEL S及MODEL X采用的是交流異步電機(jī)

     據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2017年新能源汽車(chē)（純電動(dòng)和插電式混合動(dòng)力）銷(xiāo)量超過(guò)120萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)近五成，新能源汽車(chē)銷(xiāo)量在汽車(chē)銷(xiāo)量當(dāng)中的占比已經(jīng)超過(guò)1%，其中在主要的新能源乘用車(chē)銷(xiāo)售國(guó)中，美國(guó)、挪威、法國(guó)同比增速均超過(guò)25%，德國(guó)銷(xiāo)量同比翻番，而增速的中國(guó)，新能源乘用車(chē)銷(xiāo)售約55.6萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)69%，國(guó)內(nèi)*達(dá)到了2.1%。上述數(shù)據(jù)再次表明，新能源汽車(chē)在范圍內(nèi)已經(jīng)駛?cè)肓丝焖侔l(fā)展的高速公路

1、軸向磁場(chǎng)電機(jī)

盡管上述車(chē)型采用了不同類(lèi)型的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，但上述電機(jī)無(wú)一例外都采用了徑向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，不僅如此，目前市場(chǎng)上大多數(shù)的量產(chǎn)新能源汽車(chē)都采用的是徑向磁場(chǎng)電機(jī)，如下圖所示。

我們知道，根據(jù)定轉(zhuǎn)子之間形成磁場(chǎng)的方向，電機(jī)可分為徑向磁場(chǎng)電機(jī)和軸向磁場(chǎng)電機(jī)電機(jī)。軸向磁場(chǎng)電機(jī)又被成為盤(pán)式電機(jī)，1821年，法拉第發(fā)明的*yi臺(tái)電機(jī)就是軸向磁場(chǎng)電機(jī)。然而，軸向磁場(chǎng)電機(jī)的發(fā)展幾經(jīng)波折，在發(fā)展初期，因其自身固有缺陷，比如軸向磁吸力、制造困難等問(wèn)題，逐漸被徑向磁場(chǎng)電機(jī)取代。然而，在人們發(fā)現(xiàn)徑向磁場(chǎng)電機(jī)同樣也存在諸多難以克服的技術(shù)問(wèn)題時(shí)，盤(pán)式電機(jī)再一次受到技術(shù)人員的關(guān)注，并在上世紀(jì)80年代達(dá)到了一個(gè)階段性的研發(fā)高潮期，同時(shí)利用雙氣隙結(jié)構(gòu)等手段解決了軸向受力問(wèn)題，并發(fā)展出了印刷電路線圈結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)盤(pán)式電機(jī)的薄型化和高功率密度，以及halbach磁路結(jié)構(gòu)等技術(shù)。

軸向磁場(chǎng)電機(jī)又稱(chēng)盤(pán)式電機(jī)、碟式電機(jī)，其與普通電機(jī)大的區(qū)別在于，轉(zhuǎn)子是一個(gè)粘有永磁體的圓盤(pán)結(jié)構(gòu)，故全稱(chēng)叫做永磁盤(pán)式電機(jī)。盤(pán)式電機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于，體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）*的盤(pán)式線圈結(jié)構(gòu)大大地減小了電機(jī)的體積和重量。其采用的是一種非常新穎的交錯(cuò)安裝的分段線圈陣列結(jié)構(gòu)，通過(guò)分段電磁排列技術(shù)，交錯(cuò)地排列單個(gè)線圈，并組成薄圓盤(pán)狀的線圈陣列。相應(yīng)的，其磁鐵也采用扁平環(huán)形并且軸向間隔的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠?qū)⒕€圈及磁鐵的厚度都降到了低，使得其能夠獲得大的磁通量，并且能夠顯著地提高線圈和磁鐵間的電動(dòng)交互作用。此外，盤(pán)式線圈陣列結(jié)構(gòu)能夠使陣列中的工作導(dǎo)體長(zhǎng)度到達(dá)長(zhǎng)，進(jìn)而，電機(jī)產(chǎn)生的電壓也相應(yīng)地達(dá)到大。緊密排列的線圈還大大增加了線圈的面積，同時(shí)也大大地改善了發(fā)電機(jī)的功率轉(zhuǎn)換。（2）盤(pán)式電機(jī)的效率比普通電機(jī)要高很多，其大馬達(dá)功率甚至可以達(dá)到98%，幾乎算得上是無(wú)損耗電機(jī)。而由于部件較少且較為簡(jiǎn)單，使得盤(pán)式電機(jī)的設(shè)計(jì)也有了更多的選擇，不管是一片或者多片設(shè)計(jì)都能夠滿足，形式的多樣化使得盤(pán)式電機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合也更為廣闊。（3）除了效率高和體積小外，盤(pán)式電機(jī)的*結(jié)構(gòu)使得其還具有很多普通電機(jī)*的優(yōu)點(diǎn)。比如線圈和定子間的間隙小，其相互感應(yīng)也效應(yīng)很小。無(wú)刷的結(jié)構(gòu)使得盤(pán)式電機(jī)的應(yīng)用更為靈活，包括要求電機(jī)大孔徑穿孔的情況都能使用。雙軸空氣間隙結(jié)構(gòu)能夠使盤(pán)式電機(jī)產(chǎn)生自然的泵吸作用，可謂是盤(pán)式電機(jī)自帶的“內(nèi)置冷卻裝置”。

既然如此，軸向磁場(chǎng)電機(jī)為何被大部分車(chē)企所拋棄呢。那么我就來(lái)看看電動(dòng)汽車(chē)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的需求。作為電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)當(dāng)具有高電壓、小質(zhì)量、低噪聲、較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和較大的調(diào)速范圍、良好的起動(dòng)性能和加速性能、高效率，低損耗、高可靠性等性能表現(xiàn)。同時(shí)，為了能夠應(yīng)用于量產(chǎn)汽車(chē)，還應(yīng)具備低制造成本、便于維護(hù)等。然而，軸向磁場(chǎng)電機(jī)由于其定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其一個(gè)顯著的不足在于裝配工藝難度大，難以保證批量生產(chǎn)的產(chǎn)品一致性，同時(shí)由于采用大量的永磁材料，也導(dǎo)致其成本高昂。

2、軸向磁場(chǎng)電機(jī)在新能源汽車(chē)領(lǐng)域的申請(qǐng)趨勢(shì)

盡管如此，在新能源汽車(chē)領(lǐng)域，將軸向磁場(chǎng)電機(jī)用于電動(dòng)汽車(chē)上的努力從未停止過(guò)。作為技術(shù)研發(fā)重要的體現(xiàn)指標(biāo)，通過(guò)分析范圍內(nèi)應(yīng)用于新能源汽車(chē)的軸向磁場(chǎng)電機(jī)相關(guān)申請(qǐng)，可以在一定程度上反映該領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)狀況。

下圖是1999年至今軸向磁場(chǎng)電機(jī)在混合動(dòng)力汽車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的申請(qǐng)趨勢(shì)。從圖中可見(jiàn)，在新能源汽車(chē)領(lǐng)域，盤(pán)式電機(jī)的各年申請(qǐng)數(shù)量并不大，這與目前主流混合動(dòng)力及電動(dòng)汽車(chē)企業(yè)采用其他類(lèi)型電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的現(xiàn)狀相一致。相關(guān)申請(qǐng)量從1999年到2004年持續(xù)增長(zhǎng)，在此之后出現(xiàn)回落，但從2007年開(kāi)始申請(qǐng)量迅速增加，并在2009年達(dá)到歷史峰值。從2010年開(kāi)始，相關(guān)申請(qǐng)量再次逐漸回落，并且之后各年申請(qǐng)數(shù)量波動(dòng)明顯，顯示出各創(chuàng)新主體在該領(lǐng)域所投入的研發(fā)不斷地變化、調(diào)整，甚至退出，市場(chǎng)表現(xiàn)并不熱門(mén)。

3、軸向磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)在國(guó)外新能源汽車(chē)領(lǐng)域的發(fā)展

3.1、通用公司

美國(guó)通用汽車(chē)公司是較早在其電動(dòng)汽車(chē)中使用軸向磁場(chǎng)電機(jī)技術(shù)的車(chē)企，早在1969年，通用公司就提交了相關(guān)申請(qǐng)US3566165A。該公開(kāi)了一種利用軸向磁場(chǎng)電機(jī)構(gòu)造電動(dòng)輪的技術(shù)。

后來(lái)通用公司曾推出過(guò)一款概念車(chē)，電動(dòng)跑車(chē)Saturn（土星）SKY，其采用兩組6片裝置的軸向磁場(chǎng)永磁同步電機(jī)E158，其0-100公里時(shí)速的加速時(shí)間為達(dá)到了6秒，高車(chē)速也達(dá)到了時(shí)速145公里。

此外，通用公司還推出過(guò)基于單片裝置軸向磁場(chǎng)永磁同步電機(jī)E510雪佛蘭越野SUV。但終軸向磁場(chǎng)電機(jī)還是被通用放棄，其目前仍然活躍在市場(chǎng)上雪佛蘭BOLT使用的是一款徑向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)。

3.2、本田公司

迄今為止，本田公司并未推出過(guò)采用軸向磁場(chǎng)電機(jī)的新能源汽車(chē)產(chǎn)品，作為日系混合動(dòng)力技術(shù)的代表之一，本田在其混合動(dòng)力系統(tǒng)IMA，以及的i-MMD混合動(dòng)力系統(tǒng)中采用的是徑向磁場(chǎng)的永磁同步電機(jī)。然而，軸向磁場(chǎng)電機(jī)也曾是本田公司的重要研發(fā)方向。

從圖中可以看出，本田公司對(duì)盤(pán)式電機(jī)相關(guān)的申請(qǐng)開(kāi)始于2003年，并且在開(kāi)始的幾年申請(qǐng)數(shù)量比較少，但從2007年開(kāi)始，申請(qǐng)量劇增，并且在之后的兩年2008和2009年里，申請(qǐng)量持續(xù)保持在高位。而在2009年之后，本田公司在軸向磁場(chǎng)電機(jī)的研發(fā)基本趨向于停止。本田公司在范圍內(nèi)申請(qǐng)的電機(jī)相關(guān)大約有2200多項(xiàng)，由此也可以看出其在軸向磁場(chǎng)電機(jī)方面所投入的研發(fā)占比非常之少。因此，盡管本田公司的混合動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)一直在發(fā)展，并且在該技術(shù)領(lǐng)域具有很高的影響力，但是根據(jù)其專(zhuān)申請(qǐng)情況基本可以判斷，其本田公司更加看好在混合動(dòng)力系統(tǒng)中使用的徑向磁場(chǎng)電機(jī)，究其原因，盤(pán)式電機(jī)的高制造成本以及工藝難度帶來(lái)的不穩(wěn)定性是本田公司現(xiàn)階段放棄盤(pán)式電機(jī)的重要原因。

盡管本田公司在盤(pán)式電機(jī)布局的申請(qǐng)大部分是用于混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域中的。這些數(shù)量也相對(duì)較多，從而提升車(chē)輛運(yùn)行的平順性，改善車(chē)輛乘坐舒適性。然而對(duì)于盤(pán)式電機(jī)所必須解決的冷卻散熱問(wèn)題，本田公司并沒(méi)有投放較多的研發(fā)精力，從而也從側(cè)面說(shuō)明，盤(pán)式電機(jī)技術(shù)很有可能并未在本田公司的產(chǎn)品中實(shí)際使用過(guò)，而僅僅是停留在研發(fā)階段。

2017年7月，在日本茨城縣日立中市的日立汽車(chē)系統(tǒng)廠區(qū)內(nèi)，本田技研工業(yè)株式會(huì)社與日立汽車(chē)系統(tǒng)株式會(huì)社設(shè)立了合資公司，專(zhuān)門(mén)從事電動(dòng)汽車(chē)用電機(jī)的研發(fā)、生產(chǎn)及銷(xiāo)售。由上圖可以發(fā)現(xiàn)，日立公司在盤(pán)式電機(jī)領(lǐng)域同樣有著較強(qiáng)的研發(fā)實(shí)力和申請(qǐng)?jiān)跁r(shí)間上實(shí)現(xiàn)了相互銜接，加上兩大企業(yè)在技術(shù)研發(fā)上儲(chǔ)備，在今后的盤(pán)式電機(jī)市場(chǎng)中必然會(huì)產(chǎn)生巨大的影響力。

該項(xiàng)技術(shù)的核心技術(shù)之一是非晶態(tài)金屬材料疊層定子鐵芯，日立公司于2008年申請(qǐng)了用于風(fēng)扇裝置的軸向間隙電定子鐵芯由非晶態(tài)金屬帶繞制成型或通過(guò)切割板材疊放成型。如下圖所示：