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新能源汽车加速只需几秒,只是电机的功劳-EMRAX电机

来源:本站    发布时间:2019-6-28 20:49:47    所属分类:行业资讯
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    作为新能源汽车的核心部件之一,驱动电机及其相关的驱动系统的特性决定了汽车行驶的主要性能指标。早期的电动汽车主要采用直流电机,而在20世纪80年代之后,异步电机、永磁同步电机以及开关磁阻电机逐渐成为了主流。在当前市售的主流新能源汽车中,以2017年全球销量排名前十新能源汽车(排名1-10位的分别是北汽新能源EC180、特斯拉的MODEL S(参数|图片)、丰田的普锐斯(参数|图片)PHEV、日产LEAF、特斯拉MODEL X(参数|图片)、众泰的知豆(参数|图片)、雷诺ZOE(参数|图片)、宝马i3、比亚迪的宋DM、雪佛兰Bolt)为例,众泰知豆、雪佛兰BOLT、日产LEAF、比亚迪的宋DM、丰田的普锐斯PHEV采用永磁同步电机,北汽新能源EC180、特斯拉的MODEL S及MODEL X采用的是交流异步电机

     据相关统计数据,2017年全球新能源汽车(纯电动和插电式混合动力)销量超过120万辆,同比增长近五成,新能源汽车销量在全球汽车销量当中的占比已经超过1%,其中在全球主要的新能源乘用车销售国中,美国、挪威、法国同比增速均超过25%,德国销量同比翻番,而增速最快的中国,新能源乘用车销售约55.6万辆,同比增长69%,国内市场份额达到了2.1%。上述数据再次表明,新能源汽车在全球范围内已经驶入了快速发展的高速公路

1、轴向磁场电机

尽管上述车型采用了不同类型的驱动电机,但上述电机无一例外都采用了径向磁场结构,不仅如此,目前市场上大多数的量产新能源汽车都采用的是径向磁场电机,如下图所示。

我们知道,根据定转子之间形成磁场的方向,电机可分为径向磁场电机和轴向磁场电机电机。轴向磁场电机又被成为盘式电机,1821年,法拉第发明的世界上第一台电机就是轴向磁场电机。然而,轴向磁场电机的发展几经波折,在发展初期,因其自身固有缺陷,比如轴向磁吸力、制造困难等问题,逐渐被径向磁场电机取代。然而,在人们发现径向磁场电机同样也存在诸多难以克服的技术问题时,盘式电机再一次受到技术人员的关注,并在上世纪80年代达到了一个阶段性的研发高潮期,同时利用双气隙结构等手段解决了轴向受力问题,并发展出了印刷电路线圈结构以实现盘式电机的薄型化和高功率密度,以及halbach磁路结构等技术。

轴向磁场电机又称盘式电机、碟式电机,其与普通电机最大的区别在于,转子是一个粘有永磁体的圆盘结构,故全称叫做永磁盘式电机。盘式电机的优势在于,体现在以下几个方面:(1)独特的盘式线圈结构大大地减小了电机的体积和重量。其采用的是一种非常新颖的交错安装的分段线圈阵列结构,通过分段电磁排列技术,交错地排列单个线圈,并组成薄圆盘状的线圈阵列。相应的,其磁铁也采用扁平环形并且轴向间隔的结构。这种结构设计能够将线圈及磁铁的厚度都降到了最低,使得其能够获得最大的磁通量,并且能够显著地提高线圈和磁铁间的电动交互作用。此外,盘式线圈阵列结构能够使阵列中的工作导体长度到达最长,进而,电机产生的电压也相应地达到最大。紧密排列的线圈还大大增加了线圈的面积,同时也大大地改善了发电机的功率转换。(2)盘式电机的效率比普通电机要高很多,其最大马达功率甚至可以达到98%,几乎算得上是无损耗电机。而由于部件较少且较为简单,使得盘式电机的设计也有了更多的选择,不管是一片或者多片设计都能够满足,形式的多样化使得盘式电机的应用场合也更为广阔。(3)除了效率高和体积小外,盘式电机的独特结构使得其还具有很多普通电机无法比拟的优点。比如线圈和定子间的间隙小,其相互感应也效应很小。无刷的结构使得盘式电机的应用更为灵活,包括要求电机大孔径穿孔的情况都能使用。双轴空气间隙结构能够使盘式电机产生自然的泵吸作用,可谓是盘式电机自带的“内置冷却装置”。

既然如此,轴向磁场电机为何被大部分车企所抛弃呢。那么我就来看看电动汽车对驱动电机的需求。作为电动汽车的驱动电机应当具有高电压、小质量、低噪声、较大的起动转矩和较大的调速范围、良好的起动性能和加速性能、高效率,低损耗、高可靠性等性能表现。同时,为了能够应用于量产汽车,还应具备低制造成本、便于维护等。然而,轴向磁场电机由于其定转子结构特点,其一个显著的不足在于装配工艺难度大,难以保证批量生产的产品一致性,同时由于采用大量的永磁材料,也导致其成本高昂。

2、轴向磁场电机在新能源汽车领域的专利申请趋势

尽管如此,在新能源汽车领域,将轴向磁场电机用于电动汽车上的努力从未停止过。作为技术研发最重要的体现指标,通过分析全球范围内应用于新能源汽车的轴向磁场电机相关专利申请,可以在一定程度上反映该领域的技术研发状况。

下图是1999年至今轴向磁场电机在混合动力汽车、电动汽车领域的专利申请趋势。从图中可见,在新能源汽车领域,盘式电机的各年专利申请数量并不大,这与目前主流混合动力及电动汽车企业采用其他类型电机作为驱动电机的现状相一致。相关申请量从1999年到2004年持续增长,在此之后出现回落,但从2007年开始申请量迅速增加,并在2009年达到历史峰值。从2010年开始,相关专利申请量再次逐渐回落,并且之后各年申请数量波动明显,显示出各创新主体在该领域所投入的研发不断地变化、调整,甚至退出,市场表现并不热门。

3、轴向磁场驱动电机在国外新能源汽车领域的发展

3.1、通用公司

美国通用汽车公司是较早在其电动汽车中使用轴向磁场电机技术的车企,早在1969年,通用公司就提交了相关专利申请US3566165A。该专利公开了一种利用轴向磁场电机构造电动轮的技术。

后来通用公司曾推出过一款概念车,电动跑车Saturn(土星)SKY,其采用两组6片装置的轴向磁场永磁同步电机E158,其0-100公里时速的加速时间为达到了6秒,最高车速也达到了时速145公里。

此外,通用公司还推出过基于单片装置轴向磁场永磁同步电机E510雪佛兰越野SUV。但最终轴向磁场电机还是被通用放弃,其目前仍然活跃在市场上雪佛兰BOLT使用的是一款径向磁场结构的永磁同步电机。

3.2、本田公司

迄今为止,本田公司并未推出过采用轴向磁场电机的新能源汽车产品,作为日系混合动力技术的代表之一,本田在其混合动力系统IMA,以及最新的i-MMD混合动力系统中采用的是径向磁场的永磁同步电机。然而,轴向磁场电机也曾是本田公司的重要研发方向。

从图中可以看出,本田公司对盘式电机相关的申请开始于2003年,并且在最开始的几年申请数量比较少,但从2007年开始,专利申请量剧增,并且在之后的两年2008和2009年里,申请量持续保持在高位。而在2009年之后,本田公司在轴向磁场电机的研发基本趋向于停止。本田公司在全球范围内申请的电机相关专利大约有2200多项,由此也可以看出其在轴向磁场电机方面所投入的研发占比非常之少。因此,尽管本田公司的混合动力系统技术一直在发展,并且在该技术领域具有很高的影响力,但是根据其专利申请情况基本可以判断,其本田公司更加看好在混合动力系统中使用的径向磁场电机,究其原因,盘式电机的高制造成本以及工艺难度带来的不稳定性是本田公司现阶段放弃盘式电机的重要原因。

尽管本田公司在盘式电机布局的专利数量不多,但这些专利申请大部分是用于混合动力和电动汽车领域中的。这些专利中,用于提高电机效率和方便制造装配的数量占比最多,这也体现了本田公司一直以来的造车理念,即追求节能环保,并通过高性价比来赢得市场。此外用于抑制电机振动噪声的专利数量也相对较多,从而提升车辆运行的平顺性,改善车辆乘坐舒适性。然而对于盘式电机所必须解决的冷却散热问题,本田公司并没有投放较多的研发精力,从而也从侧面说明,盘式电机技术很有可能并未在本田公司的产品中实际使用过,而仅仅是停留在研发阶段。

2017年7月,在日本茨城县日立中市的日立汽车系统厂区内,本田技研工业株式会社与日立汽车系统株式会社设立了合资公司,专门从事电动汽车用电机的研发、生产及销售。由上图可以发现,日立公司在盘式电机领域同样有着较强的研发实力和专利拥有量。尤其是,在本田公司在该领域专利布局减少的2010年以后,日立公司在盘式电机领域保持持续专利申请,因此二者的专利申请在时间上实现了相互衔接,加上两大企业在技术研发上储备,在今后的盘式电机市场中必然会产生巨大的影响力。

该项技术的核心技术之一是非晶态金属材料叠层定子铁芯,日立公司于2008年申请了用于风扇装置的轴向间隙电机专利JP2009284578A,定子铁芯由非晶态金属带绕制成型或通过切割板材叠放成型。如下图所示:

3.3、英国YASA公司

YASA成立于2009年,是一家世界领先的轴向磁场电机和控制器制造商,总部位于英国汽车制造的中心地带-牛津,其产品主要用于汽车,航空和船舶领域。YASA与汽车行业的多家客户签署了长期开发和供应协议,其在英国牛津开设的新工厂年产能达10万台,其中80%的产品出口到包括中国在内的全球各地的汽车制造商,包括捷豹路虎、威廉姆斯等。

YASA研发的创新性的轴向磁场电机设计,具有一流的动力和转矩密度,适合混动车和纯电动车,使得汽车制造商拥有更大的设计自由度,在提升车辆的性能的同时还能减轻车重。该电机定子铁心采用SMC材料,其高转矩密度可达到30Nm/kg,高功率密度可达到10kW/kg,YASA-750电机产品在仅有25kg重量时,可表现出750Nm和100kW的峰值性能,而最新的YASA-400产品经过了先进的性能优化设计,在仅有22kg的小重量和尺寸情况下,可达到150kW(700V)的峰值功率和400Nm的峰值转矩。

YASA的专利申请始于2009年,其最初申请涉及电机整体结构(CN102365810B)、冷却结构、磁路结构和定子线棒结构,属于该公司核心专利,覆盖了YASA电机技术大部分创新点。由于YASA电机采用无轭铁分段电枢(Yokeless And Segmented Armature)结构,YASA型电机具有功率密度高,结构紧凑的优点,同时省略了轭铁也带来了散热困难,转子刚度低等缺点。因此,在后续YASA公司又陆续申请了多项专利来解上述问题,对产品进行改进。

YASA电机的基础冷却方式为冷却液在密闭冷却腔体内流动,直接对定子线圈进行冷却,同时针对上述方案还提出了多项替代方案专利申请,包括蒸发冷却、转子转动带动冷却液飞溅冷却、转子轴通入冷却液利用离心力带动冷却液飞溅冷却,转子上设置叶片利用旋转时的空气压力差对转子进行冷却等,基本覆盖了电机冷却结构的绝大部分形式。此外,YASA针对定子绕组进一步改进,通过使用单层扁导体使得冷却通道的水阻更均匀,以及在绕组和极靴之间形成间隙,使得冷却液也可以对极靴进行直接冷却。同时,针对上述冷却结构,YASA提出了利用热塑性聚合物注塑成型,并将极片粘接在外壳上的方式将线棒牢固的固定在定子外壳上。

此外,YASA公司还针对转子刚度、齿槽转矩等轴向磁场电机普遍存在的问题提出了解决方案。

从对轴向磁场电机的结构缺陷进行设计,到提升电机性能,然后考虑电机的制造和装配工艺,从而早期的轮毂电机构造,到后期开始考虑与传动机构或动力机构进行连接,YASA公司对轴向磁场电机的技术研发涉及电机结构及制造的各个方面,并针对电机在电动汽车、船舶等应用场景进行了多项技术创新。

YASA目前在全球共提交了41项,共计150余件(同族数量)专利申请,其中在中国共提交了6项发明专利申请,有1项已经获得授权。尽管YASA目前的专利数量不多,但对于其自身技术来说,都是比较基础的专利,是实现其产品高性能的重要技术,并且通过分析发现,其多件专利都难以进行规避设计,成为了相关企业研发道路上主要绊脚石。

3.4、斯洛文尼亚EMRAX

EMRAX电动马达的发展可以追溯到2005年,当时Roman Susnik 先生(时任ENSTROJ公司)为其电动飞行开发自己的电动机,在实验了一些径向和轴向磁场电机原型后,最终因为在低转速和重量轻的情况下具有高功率和高转矩,轴向磁场电机胜出。第一台轴向磁场原型电机名称为EMRAX,并在在2008年安装在 Susnik 先生的飞机上进行了测试。之后,由于EMRAX相比于竞争对手的电机性能(最高功率密度)和价格优势,其他行业也开始表现出浓厚兴趣,EMRAX电机因此也衍生出了更多的电机尺寸,以满足更多的市场需求。

目前EMRAX电机由4个尺寸(直径208,228,268和348毫米)组成,每个电机可以制造成3个电压等级(高/中/低),并有特定的冷却选项(空气/液体/组合)。EMRAX电机设计紧凑,重量轻,防护等级高,非常适合用于电动汽车和混合动力汽车,可以轻松集成到新的或现有的动力传动系,传动系或差速器中,或者构造成轮毂电机。

EMRAX电机被德国、英国、美国、中国等众多FASE(大学生方程式赛车)参赛者选择作为赛车驱动电机,并多家著名公司或研究机构的越野汽车、电动卡车、电动摩托车提供动力。

尽管EMRAX声称其电机产品依托于专利技术,但无论是以EMRAX,还是公司核心研发团队成员为入口均未检索到相关专利,而这样一家公司不太可能不就其技术申请专利,其可能的原因是以其他申请人的名义进行专利申请,以实现对其技术或研发动向的隐匿。

4、轴向磁场驱动电机在中国新能源汽车领域的发展

目前,在中国还未出现规模企业实现应用在新能源汽车上的轴向磁场驱动电机的量产。并且通过专利检索发现,该领域的中国创新主体主要是高校,其中哈尔滨工业大学和东南大学两所高校表现突出。

其中哈尔滨工业大学以该校电气工程系博士生导师郑萍团队为主,郑教授曾在电机和电动汽车领域享有国际盛誉的瑞典皇家工学院交流学习,其研发方向为盘式永磁电机以及轴向-径向磁场复合式电机。

东南大学以该校电气工程学院教授,博士生导师林明耀团队为主,主要研究领域包括高效永磁电机及其控制技术、直驱式风力发电系统和太阳能并网逆变技术、电动汽车驱动技术等。林教授团队研究的轴向磁场电机主要以两个凸极结构的定子和一个凸极结构的转子的结构为主,如下图所示。

5、结论

轴向磁场电机作为新能源汽车驱动电机其优势和劣势都非常明显,在传统车企,如通用、本田等车企中其未来并明朗,尽管有像YASA这样的企业将其以低成本实现量产,但其相对于径向磁场电机的市场来说仍然非常之少。同时,从专利申请的角度来看,轴向磁场电机在新能源汽车中的应用还处于发展阶段,当前其价格仍然相对较高,更多的研发机构的产品或技术仍主要用于竞赛、高端跑车以及学术研究,仍然是该领域的“高冷范”。

但是轴向磁场电机在新能源汽车上体现出来的高性能、小型化的优势,已经由例如YASA、EMRAX公司向业界充分展示了,笔者也十分看好此类电机在新能源汽车领域的发展前景。并且在当下,该领域还未出现专利红海,因此是很多企业,尤其是注重研发投入、自主创新的企业占领市场的机会,相信那些已经在路上的企业,只要注重研发投入,打造自己的核心技术,并提前进行专利布局,便能够在该领域挣得一席之地。