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广州车展唯一有趣的技术?扒一扒奔驰YASA轴向磁通电机

广州车展唯一有趣的技术?扒一扒奔驰YASA轴向磁通电机

发表于 2023-11-23 17:01:11 责任编辑:刘慧

2023广州车展上能让我觉得有意思的技术不多,准确来说应该有且仅有奔驰发布的YASA磁通电机,今天就来给大家简单扒一扒这背后的故事和对将来的畅想。

(事先声明,我对三电技术的深度原理内容理解不一定准确,所以如果有说错的地方,欢迎大家在评论区一起沟通交流。)

●  YASA和轴向电机的历史

YASA公司的全称是“YASA Engineering Revolution”,Revolution也代表了这家创新公司的愿景,由Tim Woolmer于2009年从牛津大学分离出来创立,最主要的产品,当然就是电机。

而不同于目前市售广泛的径向磁通电机,YASA上来就揪着轴向磁通电机,原因当然是因为在原理上,轴向磁通电机具有更高的功率密度、更小的体积和重量,这对于高性能车型来说无疑是百利而无一害。

事实上轴向磁通电机并非是一项特别新颖的技术,最早可以追述到1821年迈克尔法拉第(Michael Faraday)发明的一种原始的盘式电机,那会儿就已经有了该类电机的雏形,而这么多年过去了,如果轴向磁通电机在原理上要比径向更强,为什么大家都不用?

原因是在制造难度和精度上,轴向磁通电机要比径向磁通电机更难更复杂,同时需要控制的变量也更多,无法像径向电机那样通过堆叠层压片来制造,同时尺寸小了,对散热性能的要求也更高,所以在追求效率和产品一致性的量产产品上 ,大家还是不约而同的选择了径向磁通电机。

放在燃油机上,听着是不是很像当年马自达的转子发动机,各项数据都很强,但就是难以广泛量产使用。

而千禧年后,精益制造工艺得到了长足的进步,YASA通过把磁通电机分割成若干个“极片”从而引入软磁复合材料,再配合SMC模压技术实现原来各种复杂的结构制造,降低成本和制造难度实现量产,但从目前的状态来看,YASA合作过的项目里,也没有大批量生产的案例,所以难度相对来说还是比径向电机更大的。

2021年,YASA被梅赛德斯奔驰收购,成为旗下的一家全资子公司,职责是为奔驰的AMG.EV纯电动平台开发电动机,所以我大胆的猜测其中的原因:

1. 从一个独资供应商公司被收购,说明没钱了,要继续搞只能背靠大树

2. 从技术路线上来看,奔驰的加入能带来更大的生产和资金支持,对于这么“轴”的YASA来说是个不错的选择。

3. 奔驰相当看好这项技术,并且有能力实现大批量生产进而应用于全系AMG产品,并且之后不仅AMG,可能其他产品也能加入豪华套餐,包括单卖总成。

对于YASA来说,或许目前是最好的结果,大家都有钱赚。

● 轴向磁通电机和径向磁通电机的差异

那么问题来了,轴向和径向,两个磁通电机有什么差异?单从名字上我们可以得知,这两个电机的根本差别在于磁通的方向。

-原理:

径向磁通电机(Radial Flux Motor):

1. 磁场沿着电机的半径方向传播,垂直于电机轴线

2. 通常电流在转子和定子之间以径向方向传递

3. 线圈一般布置在转子或定子上,以径向方向传递磁通

轴向磁通电机(Axial Flux Motor):

1. 磁场沿着电机的轴线方向传播,磁场方向平行于电机轴线

2. 通常电流在转子和定子之间以轴向方向传递

如果还是搞不清楚的话,注意看这两张图中线圈绕的方向,也就是电流流经的方向,再用右手螺旋定则,拇指为电流方向,其他手指为磁场方向,就不难理解了。

另一个差异点,是转子和定子的区别,传统径向磁通电机一般定子在外,转子在内,呈现形式一般都是封闭的圆柱体,基本上只有一个转子和一个定子,就像我们小时候玩的迷你四驱车,什么金超霸银超霸马达的,就是这种类似的径向磁通电机结构。

而轴向磁通电机,由于其本身的结构设计,可以在左右两遍分别放置两个转子,定子在中间,这下好了,两边都有磁场,都能产生力,double的快乐,这也是轴向电机通常比径向电机功率更高的原因之一,所以在功率扭矩都不变的情况下,结构小了重量轻了,扭矩密度自然就上去了。

当然缺点肯定是有的,否则不会直到今天都没能很好的完成量产。轴向电机由于尺寸更小,同时在工作原理上,线圈一般沿轴向方向排列,这就需要更高精度的线圈布置和安装工艺来确保线圈的对称性和轴向方向的平衡,对于磁场控制精度要求更高,并且还需要考虑到稳定性和耐久性,整体加工精度也会随之提升,不仅转子定子本身,包括绕线、壳体等也是一样的。

其次是散热问题,由于原理结构的区别,导致冷却方式也出现不同,传统径向磁通电机可以把冷却方案做在壳体的径向侧,通过增加水道等方式采用液冷对定子进行温控,不需要直接接触,而轴向磁通电机的定子位于中间,在壳体上布置水道的方案显然无法均匀控制温度,同时由于尺寸更小,内部空间更少,热量更容易聚集,所以目前YASA采用是由内外两个支路油冷直接接触的方案,这对于后期维护、壳体密封、精度控制等又提出了更高的要求。

最后是转子的受力和动平衡方面,从原理上来看,传统径向电机由于磁场方向,主要是单向受力,也就是径向方向,通常不会有沿着轴向方向的明显载荷。

轴向电机由于原理不同,转子在工作的时候主要承受沿着轴向方向的力,并且由于旋转惯性,在高速运转时还需要承受一定程度的径向载荷和离心力,属于双向受力。

形象一点的解释,你可以把转子想象成一个风扇的扇叶,径向电机是扯着扇叶让它旋转,而轴向电机就是用另一个风扇对吹让扇叶旋转。

径向电机相对来说受力方向更简单可控,在高速旋转的过程中,转子主要承受径向载荷和离心力。所以为了保障电机转子能正常工作,目前有些径向电机还会在转子外部套上一个高强度的复合材料套筒,去避免转子由于长时间高强度运转时产生过多形变甚至破裂损坏,也能保证动平衡不会因为形变被打破。

而轴向电机由于转子的受力更复杂,这就需要让磁场控制更精确,同时还需要保证力平衡,一旦出现某个方向的偏差,就会导致动平衡被打破,在高速运转过程中轻则发生明显振动摇晃,重则出现结构性破裂损坏,这或许也是轴向电机无法大批量生产保证一致性的原因之一。

目前YASA关于这套电机的制造工艺和约束并没有透露太多,所以我也无法得知更具体的信息,但猜测肯定避免不了高强度复合材料的加入保证性能和轻量化,这也可能会成为限制批量生产和一致性的因素。

● 轴向磁通电机的应用

事实上早在奔驰之前,YASA的轴向电机就已经搭载在一些顶级车型上了,其中最著名的应该是2015年在日内瓦车展上发布的Koenigsegg Regera,这台1500hp的混动怪兽搭载了3个YASA的轴向电机,两个放后轴提供360kw/1600Nm的输出,另一台160kw/350Nm的电机负责连接发动机,负责启动、发电和扭矩补偿,而轴向电机特殊的大饼结构,就很适合放在发动机飞轮端。

除了Regera之外,还有那第一台摘下派克峰爬山冠军的电车——Drive e0 PP03,以及像捷豹C-X75、法拉利SF90 Stradale、296GTB,不仅汽车,YASA的电机还能装在船、飞机、摩托上,这种大饼一样的结构貌似很适合当下的工业设计,想象一下,马路上的轮毂电机电驴如果都用轴向,那不就约等于瞬间从125cc变成1250cc,想想就很疯狂。

但对于汽车来说,限制当下电动车发展的难点,几乎都集中在续航上,也就是电池技术,电机可以把功率做的很高,但电池跟不上,一样也无法满足使用需求,同时哪怕是尺寸更大的径向电机,对于以往塞发动机的汽车来说,那都算是相当迷你的,现在的民用车并不缺能塞电机的空间,所以对于车企本身来说,采用轴向电机并没有太多优势,还不如用价格更低的径向电机来压缩成本,提高性价比。

也正因如此,参考前文你也能发现,YASA的轴向电机更多应用于一些小批量的高性能Hyper Car上,因为这类车型往往对于尺寸和重量相当敏感,轴向电机就很契合,包括奔驰在收购YASA之后,也只说了在未来的AMG.EV平台上应用,并没有承诺会放到其他普通车型上。

● 奔驰的布局和未来的畅想

而在工业上,设计和工艺越简单,越可以被大批量复制量产,这对于流水线成熟的今天来说,是极其简单的道理,所以相对来说更容易制造和控制的径向电机则成为了主流。轴向电机相对来说虽然更复杂,但我觉得奔驰的高层应该不蠢,既然整家公司打包买下来,那必然想清楚了未来的产品阵列应用,虽说奔驰目前只承诺了在AMG上会用,但随着技术发展和产线布局,我觉得其他车型应用这套电机的概率也不小,到时候就看奔驰是如何平衡制造难度、工艺优化和量产一致性了。

其次是轴向电机天生的小型和轻量化,相比目前的径向电机更适合充当轮毂电机,来减小非簧载质量,保证性能的同时提高操控和稳定性,同时功率密度更大的轴向电机也能保证车辆在弯中发生载荷转移时,电机能有更多输出能提供给车轮,提高过弯速度。所以我大胆猜测一下,未来如果奔驰推出纯电大G,那么大概率也会采用YASA的轴向电机为动力源,包括其余的AMG车型,像EQS 等,用轴向轮毂电机也成为了可能。

说了这么多,大家只需要知道轴向电机虽然并不是什么黑科技,但工业生产中,尤其是汽车,是一个综合平衡的过程,包括成本、量产、工艺、一致性、耐久性等都是重要的考量指标,轴向电机是否适合当下,因人而异,我个人认为它的市场前景还是相当广阔的,毕竟轻量化对于任何车型来说都算是百利而无一害的,既然目前在电池上无法得到质的突破,那么就先从其他部分先下手,能轻一点算一点,希望早日能看到奔驰YASA电机的量产,到时候再仔细看看,奔驰是如何解决上述问题的吧。

文|莫逸龙

图|网络