EMRAX電機：新能源汽車加速只需幾秒

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作為新能源汽車的核心部件之一，驅動電機及其相關的驅動系統的特性決定了汽車行駛的主要性能指標。早期的電動汽車主要采用直流電機，而在20世紀80年代之后，異步電機、永磁同步電機以及開關磁阻電機逐漸成為了主流。在當前市售的主流新能源汽車中，以2017年銷量排名*新能源汽車（排名1-10位的分別是北汽新能源EC180、特斯拉的MODEL S(參數|圖片)、豐田的普銳斯(參數|圖片)PHEV、日產LEAF、特斯拉MODEL X(參數|圖片)、眾泰的知豆(參數|圖片)、雷諾ZOE(參數|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LEAF、比亞迪的宋DM、豐田的普銳斯PHEV采用永磁同步電機，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

     據相關統計數據，2017年新能源汽車（純電動和插電式混合動力）銷量超過120萬輛，同比增長近五成，新能源汽車銷量在汽車銷量當中的占比已經超過1%，其中在主要的新能源乘用車銷售國中，美國、挪威、法國同比增速均超過25%，德國銷量同比翻番，而增速的中國，新能源乘用車銷售約55.6萬輛，同比增長69%，國內*達到了2.1%。上述數據再次表明，新能源汽車在范圍內已經駛入了快速發展的高速公路

1、軸向磁場電機

盡管上述車型采用了不同類型的驅動電機，但上述電機無一例外都采用了徑向磁場結構，不僅如此，目前市場上大多數的量產新能源汽車都采用的是徑向磁場電機，如下圖所示。

我們知道，根據定轉子之間形成磁場的方向，電機可分為徑向磁場電機和軸向磁場電機電機。軸向磁場電機又被成為盤式電機，1821年，法拉第發明的*yi臺電機就是軸向磁場電機。然而，軸向磁場電機的發展幾經波折，在發展初期，因其自身固有缺陷，比如軸向磁吸力、制造困難等問題，逐漸被徑向磁場電機取代。然而，在人們發現徑向磁場電機同樣也存在諸多難以克服的技術問題時，盤式電機再一次受到技術人員的關注，并在上世紀80年代達到了一個階段性的研發高潮期，同時利用雙氣隙結構等手段解決了軸向受力問題，并發展出了印刷電路線圈結構以實現盤式電機的薄型化和高功率密度，以及halbach磁路結構等技術。

軸向磁場電機又稱盤式電機、碟式電機，其與普通電機大的區別在于，轉子是一個粘有永磁體的圓盤結構，故全稱叫做永磁盤式電機。盤式電機的優勢在于，體現在以下幾個方面：（1）*的盤式線圈結構大大地減小了電機的體積和重量。其采用的是一種非常新穎的交錯安裝的分段線圈陣列結構，通過分段電磁排列技術，交錯地排列單個線圈，并組成薄圓盤狀的線圈陣列。相應的，其磁鐵也采用扁平環形并且軸向間隔的結構。這種結構設計能夠將線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交互作用。此外，盤式線圈陣列結構能夠使陣列中的工作導體長度到達長，進而，電機產生的電壓也相應地達到大。緊密排列的線圈還大大增加了線圈的面積，同時也大大地改善了發電機的功率轉換。（2）盤式電機的效率比普通電機要高很多，其大馬達功率甚至可以達到98%，幾乎算得上是無損耗電機。而由于部件較少且較為簡單，使得盤式電機的設計也有了更多的選擇，不管是一片或者多片設計都能夠滿足，形式的多樣化使得盤式電機的應用場合也更為廣闊。（3）除了效率高和體積小外，盤式電機的*結構使得其還具有很多普通電機*的優點。比如線圈和定子間的間隙小，其相互感應也效應很小。無刷的結構使得盤式電機的應用更為靈活，包括要求電機大孔徑穿孔的情況都能使用。雙軸空氣間隙結構能夠使盤式電機產生自然的泵吸作用，可謂是盤式電機自帶的“內置冷卻裝置”。

既然如此，軸向磁場電機為何被大部分車企所拋棄呢。那么我就來看看電動汽車對驅動電機的需求。作為電動汽車的驅動電機應當具有高電壓、小質量、低噪聲、較大的起動轉矩和較大的調速范圍、良好的起動性能和加速性能、高效率，低損耗、高可靠性等性能表現。同時，為了能夠應用于量產汽車，還應具備低制造成本、便于維護等。然而，軸向磁場電機由于其定轉子結構特點，其一個顯著的不足在于裝配工藝難度大，難以保證批量生產的產品一致性，同時由于采用大量的永磁材料，也導致其成本高昂。

2、軸向磁場電機在新能源汽車領域的申請趨勢

盡管如此，在新能源汽車領域，將軸向磁場電機用于電動汽車上的努力從未停止過。作為技術研發重要的體現指標，通過分析范圍內應用于新能源汽車的軸向磁場電機相關申請，可以在一定程度上反映該領域的技術研發狀況。

下圖是1999年至今軸向磁場電機在混合動力汽車、電動汽車領域的申請趨勢。從圖中可見，在新能源汽車領域，盤式電機的各年申請數量并不大，這與目前主流混合動力及電動汽車企業采用其他類型電機作為驅動電機的現狀相一致。相關申請量從1999年到2004年持續增長，在此之后出現回落，但從2007年開始申請量迅速增加，并在2009年達到歷史峰值。從2010年開始，相關申請量再次逐漸回落，并且之后各年申請數量波動明顯，顯示出各創新主體在該領域所投入的研發不斷地變化、調整，甚至退出，市場表現并不熱門。

3、軸向磁場驅動電機在國外新能源汽車領域的發展

3.1、通用公司

美國通用汽車公司是較早在其電動汽車中使用軸向磁場電機技術的車企，早在1969年，通用公司就提交了相關申請US3566165A。該公開了一種利用軸向磁場電機構造電動輪的技術。

后來通用公司曾推出過一款概念車，電動跑車Saturn（土星）SKY，其采用兩組6片裝置的軸向磁場永磁同步電機E158，其0-100公里時速的加速時間為達到了6秒，高車速也達到了時速145公里。

此外，通用公司還推出過基于單片裝置軸向磁場永磁同步電機E510雪佛蘭越野SUV。但終軸向磁場電機還是被通用放棄，其目前仍然活躍在市場上雪佛蘭BOLT使用的是一款徑向磁場結構的永磁同步電機。

3.2、本田公司

迄今為止，本田公司并未推出過采用軸向磁場電機的新能源汽車產品，作為日系混合動力技術的代表之一，本田在其混合動力系統IMA，以及的i-MMD混合動力系統中采用的是徑向磁場的永磁同步電機。然而，軸向磁場電機也曾是本田公司的重要研發方向。

從圖中可以看出，本田公司對盤式電機相關的申請開始于2003年，并且在開始的幾年申請數量比較少，但從2007年開始，申請量劇增，并且在之后的兩年2008和2009年里，申請量持續保持在高位。而在2009年之后，本田公司在軸向磁場電機的研發基本趨向于停止。本田公司在范圍內申請的電機相關大約有2200多項，由此也可以看出其在軸向磁場電機方面所投入的研發占比非常之少。因此，盡管本田公司的混合動力系統技術一直在發展，并且在該技術領域具有很高的影響力，但是根據其專申請情況基本可以判斷，其本田公司更加看好在混合動力系統中使用的徑向磁場電機，究其原因，盤式電機的高制造成本以及工藝難度帶來的不穩定性是本田公司現階段放棄盤式電機的重要原因。

盡管本田公司在盤式電機布局的申請大部分是用于混合動力和電動汽車領域中的。這些數量也相對較多，從而提升車輛運行的平順性，改善車輛乘坐舒適性。然而對于盤式電機所必須解決的冷卻散熱問題，本田公司并沒有投放較多的研發精力，從而也從側面說明，盤式電機技術很有可能并未在本田公司的產品中實際使用過，而僅僅是停留在研發階段。

2017年7月，在日本茨城縣日立中市的日立汽車系統廠區內，本田技研工業株式會社與日立汽車系統株式會社設立了合資公司，專門從事電動汽車用電機的研發、生產及銷售。由上圖可以發現，日立公司在盤式電機領域同樣有著較強的研發實力和申請在時間上實現了相互銜接，加上兩大企業在技術研發上儲備，在今后的盤式電機市場中必然會產生巨大的影響力。

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