據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，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(jīng)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，而增速快的中國，新能源乘用車銷售約55.6萬輛，同比增長69%，國內(nèi)*達到了2.1%。上述數(shù)據(jù)再次表明，新能源汽車在范圍內(nèi)已經(jīng)駛?cè)肓丝焖侔l(fā)展的高速公路
1、軸向磁場電機
盡管上述車型采用了不同類型的驅(qū)動電機，但上述電機無一例外都采用了徑向磁場結(jié)構(gòu)，不僅如此，目前市場上大多數(shù)的量產(chǎn)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(jù)定轉(zhuǎn)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(fā)明的世界上臺電機就是軸向磁場電機。然而，軸向磁場電機的發(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、制造困難等問題，逐漸被徑向磁場電機取代。然而，在人們發(fā)現(xiàn)徑向磁場電機同樣也存在諸多難以克服的技術(shù)問題時，盤式電機再一次受到技術(shù)人員的關(guān)注，并在上世紀80年代達到了一個階段性的研發(fā)高潮期，同時利用雙氣隙結(jié)構(gòu)等手段解決了軸向受力問題，并發(fā)展出了印刷電路線圈結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)盤式電機的薄型化和高功率密度，以及halbach磁路結(jié)構(gòu)等技術(shù)。
軸向磁場電機又稱盤式電機、碟式電機，其與普通電機大的區(qū)別在于，轉(zhuǎn)子是一個粘有永磁體的圓盤結(jié)構(gòu)，故全稱叫做永磁盤式電機。盤式電機的優(yōu)勢在于，體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）*的盤式線圈結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，通過分段電磁排列技術(shù)，交錯地排列單個線圈，并組成薄圓盤狀的線圈陣列。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交互作用。此外，盤式線圈陣列結(jié)構(gòu)能夠使陣列中的工作導(dǎo)體長度到達長，進而，電機產(chǎn)生的電壓也相應(yīng)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(fā)電機的功率轉(zhuǎn)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(shè)計也有了更多的選擇，不管是一片或者多片設(shè)計都能夠滿足，形式的多樣化使得盤式電機的應(yīng)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(jié)構(gòu)使得其還具有很多普通電機*的優(yōu)點。比如線圈和定子間的間隙小，其相互感應(yīng)也效應(yīng)很小。無刷的結(jié)構(gòu)使得盤式電機的應(yīng)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(jié)構(gòu)能夠使盤式電機產(chǎn)生自然的泵吸作用，可謂是盤式電機自帶的“內(nèi)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(qū)動電機的需求。作為電動汽車的驅(qū)動電機應(yīng)當具有高電壓、小質(zhì)量、低噪聲、較大的起動轉(zhuǎn)矩和較大的調(diào)速范圍、良好的起動性能和加速性能、率，低損耗、高可靠性等性能表現(xiàn)。同時，為了能夠應(yīng)用于量產(chǎn)汽車，還應(yīng)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(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)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(chǎn)的產(chǎn)品一致性，同時由于采用大量的永磁材料，也導(dǎo)致其成本高昂。
2、軸向磁場電機在新能源汽車領(lǐng)域的專li申請趨勢
盡管如此，在新能源汽車領(lǐng)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(shù)研發(fā)重要的體現(xiàn)指標，通過分析范圍內(nèi)應(yīng)用于新能源汽車的軸向磁場電機相關(guān)專li申請，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年至今軸向磁場電機在混合動力汽車、電動汽車領(lǐng)域的專li申請趨勢。從圖中可見，在新能源汽車領(lǐng)域，盤式電機的各年專li申請數(shù)量并不大，這與目前主流混合動力及電動汽車企業(yè)采用其他類型電機作為驅(qū)動電機的現(xiàn)狀相一致。相關(guān)申請量從1999年到2004年持續(xù)增長，在此之后出現(xiàn)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(guān)專li申請量再次逐漸回落，并且之后各年申請數(shù)量波動明顯，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，市場表現(xiàn)并不熱門。
3、軸向磁場驅(qū)動電機在國外新能源汽車領(lǐng)域的發(fā)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(shù)的車企，早在1969年，通用公司就提交了相關(guān)專li申qingUS356616。該專li公開了一種利用軸向磁場電機構(gòu)造電動輪的技術(shù)。
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，gao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(jié)構(gòu)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(chǎn)品，作為日系混合動力技術(shù)的代表之一，本田在其混合動力系統(tǒng)IMA，以及xin的i-MMD混合動力系統(tǒng)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(fā)方向。
從圖中可以看出，本田公司對盤式電機相關(guān)的申請開始于2003年，并且在開始的幾年申請數(shù)量比較少，但從2007年開始，專li申請量劇增，并且在之后的兩年2008和2009年里，申請量持續(xù)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(fā)基本趨向于停止。本田公司在范圍內(nèi)申請的電機相關(guān)專li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(fā)占比非常之少。因此，盡管本田公司的混合動力系統(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li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(tǒng)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(wěn)定性是本田公司現(xiàn)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專li數(shù)量不多，但這些專li申請大部分是用于混合動力和電動汽車領(lǐng)域中的。這些專li中，用于提高電機效率和方便制造裝配的數(shù)量占比多，這也體現(xiàn)了本田公司一直以來的造車理念，即追求節(jié)能環(huán)保，并通過高性價比來贏得市場。此外用于抑制電機振動噪聲的專li數(shù)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(fā)精力，從而也從側(cè)面說明，盤式電機技術(shù)很有可能并未在本田公司的產(chǎn)品中實際使用過，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系統(tǒng)廠區(qū)內(nèi)，本田技研工業(yè)株式會社與日立汽車系統(tǒng)株式會社設(shè)立了合資公司，專門從事電動汽車用電機的研發(fā)、生產(chǎn)及銷售。由上圖可以發(fā)現(xiàn)，日立公司在盤式電機領(lǐng)域同樣有著較強的研發(fā)實力和專li擁有量。尤其是，在本田公司在該領(lǐng)域?qū)i布局減少的2010年以后，日立公司在盤式電機領(lǐng)域保持持續(xù)專li申請，因此二者的專li申請在時間上實現(xiàn)了相互銜接，加上兩大企業(yè)在技術(shù)研發(fā)上儲備，在今后的盤式電機市場中必然會產(chǎn)生巨大的影響力。
該項技術(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年申請了用于風扇裝置的軸向間隙電機專liJP2009284578A，定子鐵芯由非晶態(tài)金屬帶繞制成型或通過切割板材疊放成型。如下圖所示：
3.3、英國YASA公司
YASA成立于2009年，是一家世jie 領(lǐng)xian的軸向磁場電機和控制器制造商，總部位于英國汽車制造的中心地帶-牛津，其產(chǎn)品主要用于汽車，航空和船舶領(lǐng)域。YASA與汽車行業(yè)的多家客戶簽署了長期開發(fā)和供應(yīng)協(xié)議，其在英國牛津開設(shè)的新工廠年產(chǎn)能達10萬臺，其中80%的產(chǎn)品出口到包括中國在內(nèi)的各地的汽車制造商，包括捷豹路虎、威廉姆斯等。
YASA研發(fā)的創(chuàng)新性的軸向磁場電機設(shè)計，具有yi流的動力和轉(zhuǎn)矩密度，適合混動車和純電動車，使得汽車制造商擁有更大的設(shè)計自由度，在提升車輛的性能的同時還能減輕車重。該電機定子鐵心采用SMC材料，其高轉(zhuǎn)矩密度可達到30Nm/kg，高功率密度可達到10kW/kg，YASA-750電機產(chǎn)品在僅有25kg重量時，可表現(xiàn)出750Nm和100kW的峰值性能，而xin的YASA-400產(chǎn)品經(jīng)過了*的性能優(yōu)化設(shè)計，在僅有22kg的小重量和尺寸情況下，可達到150kW（700V）的峰值功率和400Nm的峰值轉(zhuǎn)矩。
YASA的專li申請始于2009年，其初申請涉及電機整體結(jié)構(gòu)（CN102365810B）、冷卻結(jié)構(gòu)、磁路結(jié)構(gòu)和定子線棒結(jié)構(gòu)，屬于該公司核心專li，覆蓋了YASA電機技術(shù)大部分創(chuàng)新點。由于YASA電機采用無軛鐵分段電樞（Yokeless And Segmented Armature）結(jié)構(gòu)，YASA型電機具有功率密度高，結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點，同時省略了軛鐵也帶來了散熱困難，轉(zhuǎn)子剛度低等缺點。因此，在后續(xù)YASA公司又陸續(xù)申請了多項專li來解上述問題，對產(chǎn)品進行改進。
YASA電機的基礎(chǔ)冷卻方式為冷卻液在密閉冷卻腔體內(nèi)流動，直接對定子線圈進行冷卻，同時針對上述方案還提出了多項替代方案專li申請，包括蒸發(fā)冷卻、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動帶動冷卻液飛濺冷卻、轉(zhuǎn)子軸通入冷卻液利用離心力帶動冷卻液飛濺冷卻，轉(zhuǎn)子上設(shè)置葉片利用旋轉(zhuǎn)時的空氣壓力差對轉(zhuǎn)子進行冷卻等，基本覆蓋了電機冷卻結(jié)構(gòu)的絕大部分形式。此外，YASA針對定子繞組進一步改進，通過使用單層扁導(dǎo)體使得冷卻通道的水阻更均勻，以及在繞組和極靴之間形成間隙，使得冷卻液也可以對極靴進行直接冷卻。同時，針對上述冷卻結(jié)構(gòu)，YASA提出了利用熱塑性聚合物注塑成型，并將極片粘接在外殼上的方式將線棒牢固的固定在定子外殼上。
此外，YASA公司還針對轉(zhuǎn)子剛度、齒槽轉(zhuǎn)矩等軸向磁場電機普遍存在的問題提出了解決方案。
從對軸向磁場電機的結(jié)構(gòu)缺陷進行設(shè)計，到提升電機性能，然后考慮電機的制造和裝配工藝，從而早期的輪轂電機構(gòu)造，到后期開始考慮與傳動機構(gòu)或動力機構(gòu)進行連接，YASA公司對軸向磁場電機的技術(shù)研發(fā)涉及電機結(jié)構(gòu)及制造的各個方面，并針對電機在電動汽車、船舶等應(yīng)用場景進行了多項技術(shù)創(chuàng)新。
YASA目前在共提交了41項，共計150余件（同族數(shù)量）專li申請，其中在中國共提交了6項發(fā)明專li申請，有1項已經(jīng)獲得*。盡管YASA目前的專li數(shù)量不多，但對于其自身技術(shù)來說，都是比較基礎(chǔ)的專li，是實現(xiàn)其產(chǎn)品高性能的重要技術(shù)，并且通過分析發(fā)現(xiàn)，其多件專li都難以進行規(guī)避設(shè)計，成為了相關(guān)企業(yè)研發(fā)道路上主要絆腳石。
3.4、斯洛文尼亞EMRAX
EMRAX電動馬達的發(fā)展可以追溯到2005年，當時Roman Sušnik 先生（時任ENSTROJ公司）為其電動飛行開發(fā)自己的電動機，在實驗了一些徑向和軸向磁場電機原型后，終因為在低轉(zhuǎn)速和重量輕的情況下具有高功率和高轉(zhuǎn)矩，軸向磁場電機勝出。臺軸向磁場原型電機名稱為EMRAX，并在在2008年安裝在 Sušnik 先生的飛機上進行了測試。之后，由于EMRAX相比于競爭對手的電機性能（gao功率密度）和價格優(yōu)勢，其他行業(yè)也開始表現(xiàn)出濃厚興趣，EMRAX電機因此也衍生出了更多的電機尺寸，以滿足更多的市場需求。
目前EMRAX電機由4個尺寸（直徑208,228,268和348毫米）組成，每個電機可以制造成3個電壓等級（高/中/低），并有特定的冷卻選項（空氣/液體/組合）。EMRAX電機設(shè)計緊湊，重量輕，防護等級高，非常適合用于電動汽車和混合動力汽車，可以輕松集成到新的或現(xiàn)有的動力傳動系，傳動系或差速器中，或者構(gòu)造成輪轂電機。
EMRAX電機被德國、英國、美國、中國等眾多FASE（大學(xué)生方程式賽che）參賽者選擇作為賽che驅(qū)動電機，并多家公司或研究機構(gòu)的越野汽車、電動卡車、電動摩托車提供動力。
盡管EMRAX聲稱其電機產(chǎn)品依托于專li技術(shù)，但無論是以EMRAX，還是公司核心研發(fā)團隊成員為入口均未檢索到相關(guān)專li，而這樣一家公司不太可能不就其技術(shù)申請專li，其可能的原因是以其他申請人的名義進行專li申請，以實現(xiàn)對其技術(shù)或研發(fā)動向的隱匿。
4、軸向磁場驅(qū)動電機在中國新能源汽車領(lǐng)域的發(fā)展
目前，在中國還未出現(xiàn)規(guī)模企業(yè)實現(xiàn)應(yīng)用在新能源汽車上的軸向磁場驅(qū)動電機的量產(chǎn)。并且通過專li檢索發(fā)現(xiàn)，該領(lǐng)域的中國創(chuàng)新主體主要是高校，其中哈爾濱工業(yè)大學(xué)和東南大學(xué)兩所高校表現(xiàn)突出。
其中哈爾濱工業(yè)大學(xué)以該校電氣工程系博士生導(dǎo)師鄭萍團隊為主，鄭教授曾在電機和電動汽車領(lǐng)域享有盛譽的瑞典皇jia工學(xué)院交流學(xué)習，其研發(fā)方向為盤式永磁電機以及軸向-徑向磁場復(fù)合式電機。
東南大學(xué)以該校電氣工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師林明耀團隊為主，主要研究領(lǐng)域包括永磁電機及其控制技術(shù)、直驅(qū)式風力發(fā)電系統(tǒng)和太陽能并網(wǎng)逆變技術(shù)、電動汽車驅(qū)動技術(shù)等。林教授團隊研究的軸向磁場電機主要以兩個凸極結(jié)構(gòu)的定子和一個凸極結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)為主，如下圖所示。
5、結(jié)論
軸向磁場電機作為新能源汽車驅(qū)動電機其優(yōu)勢和劣勢都非常明顯，在傳統(tǒng)車企，如通用、本田等車企中其未來并明朗，盡管有像YASA這樣的企業(yè)將其以低成本實現(xiàn)量產(chǎn)，但其相對于徑向磁場電機的市場來說仍然非常之少。同時，從專li申請的角度來看，軸向磁場電機在新能源汽車中的應(yīng)用還處于發(fā)展階段，當前其價格仍然相對較高，更多的研發(fā)機構(gòu)的產(chǎn)品或技術(shù)仍主要用于競賽、跑車以及學(xué)術(shù)研究，仍然是該領(lǐng)域的“高冷范”。
但是軸向磁場電機在新能源汽車上體現(xiàn)出來的高性能、小型化的優(yōu)勢，已經(jīng)由例如YASA、EMRAX公司向業(yè)界充分展示了，筆者也十分看好此類電機在新能源汽車領(lǐng)域的發(fā)展前景。并且在當下，該領(lǐng)域還未出現(xiàn)專li紅海，因此是很多企業(yè)，尤其是注重研發(fā)投入、自主創(chuàng)新的企業(yè)占領(lǐng)市場的機會，相信那些已經(jīng)在路上的企業(yè)，只要注重研發(fā)投入，打造自己的核心技術(shù)，并提前進行專li布局，便能夠在該領(lǐng)域掙得一席之地。
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作為新能源汽車的核心部件之一，驅(qū)動電機及其相關(guān)的驅(qū)動系統(tǒng)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(guān)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(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，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
