EMRAX电机：新能源汽车加速只需几秒

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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年销量排名*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，新能源汽车销量在汽车销量当中的占比已经超过1%，其中在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，而增速的中国，新能源乘用车销售约55.6万辆，同比增长69%，国内*达到了2.1%。上述数据再次表明，新能源汽车在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*yi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）*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低，使得其能够获得大的磁通量，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长，进而，电机产生的电压也相应地达到大。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*结构使得其还具有很多普通电机*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。作为技术研发重要的体现指标，通过分析范围内应用于新能源汽车的轴向磁场电机相关申请，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、电动汽车领域的申请趋势。从图中可见，在新能源汽车领域，盘式电机的各年申请数量并不大，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申请US3566165A。该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，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，并且在开始的几年申请数量比较少，但从2007年开始，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。本田公司在范围内申请的电机相关大约有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申请大部分是用于混合动力和电动汽车领域中的。这些数量也相对较多，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：