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轴向磁通技术为电动汽车更添“动力”

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-06-07  来源:SAEInternational   [ 进入汽车材料社区 ] [ 汽车材料馆 ]
2018(第三届)汽车Benchmark分析及性能开发技术研讨会暨首届汽车研发大数据应用高峰论坛
核心提示:轴向磁通技术为电动汽车更添“动力”

YASA P400 系列电机和发电机具有体积小、重量轻的优势,轴向长度仅为 80.4 mm,最高可输出 370 N·m 的扭矩和 160 kW 的功率。


在电动汽车(EV)研发中,电机研发往往看起来没有电池重要。然而,随着电动汽车对封装、功率、扭矩和续航里程的要求持续提升,电机的设计、研发与生产也迎来了重大机遇。


作为一家专注于轴向磁通技术及相关控制器的英国公司,YASA 公司(Yokeless And Segmented Armature)正在从小批量、专门化的电动/混动应用生产发展为批量化生产。目前,公司的新生产设施已经投入使用,且预计将在 2021 年前将年产量提升至 10万台。


作为一家从牛津大学独立出来的公司,YASA 公司也受到了英国政府的认可,并在英国商务部长 Greg Clark 的主持下正式启用了新的生产设施。Clark 部长表示:“当政府、学术届和产业界聚集在一起时,可以帮助最优秀的人才将最杰出的想法转化为最大的价值,YASA 公司就是一个成功典范。”


在揭幕仪式上,阿斯顿·马丁、捷豹、日产和威廉姆斯展示了各自的原型车或正在研发的车型,其中都采用了YASA电机。


磁通路径


轴向磁通电机(也称为“扁平电动机”)的磁通路径与普通电机不同,其磁通方向与电机轴线平行,而非径向。与传统的径向电机相比,YASA 公司的轴向磁通电机使用的铜、铁和永磁材料更少,所以尺寸更小、重量更轻,也因此可以提供更高的功率,满足驾驶员的需求。


虽然轴向磁通技术自 20 世纪 50 年代以来一直存在,但将其应用至车辆量产却面临相当大的挑战。该公司的创始人(2009 年)兼现任首席技术官 Tim Woolmer 博士及其团队已经解决了几个技术障碍,包括突破用于大批量生产低成本定子绕组和转子装配元件的制造工艺难题。


“YASA 公司已经克服了这些挑战,并且已经可以提供超高扭矩输出和功率密度的电机,”公司首席技术官 Chris Harris 表示,“公司的轴向通量电机可以输出高达 6.7 kW/kg 的功率,这已经在多款高性能概念车上得到了证明。”


这些概念车型包括捷豹 C-X75 和一款来自 Koenigsegg Regera 的限量超高性能混合动力车。这款限量跑车采用了 3 部 YASA 电机搭配一款 5.0 L 双涡轮 V8 发动机的设计,于 2015 年正式上市。从具体参数来说,电机可为车辆带来 520 kW(697 hp)的功率输出和 900 N·m(664 lb·ft)的扭矩输出,其中一部 160 kW(214 hp)的电机作为车辆曲轴上的启动发电机和转矩补充装置,另外两部 180-kW(241 hp)的扭矩电机则位于后轮中,用于为车辆提供动力和扭矩。Koenigsegg 公司还声称,这款全球限量发行 80 辆的Koenigsegg Regera 混合动力汽车搭载了超高性能的电池组,其功率密度超过以往任何量产车辆。


2013 年,一款由 DraysonEngineering 改装的 Lola B12 69 / EV 也曾采用了 YASA 公司的轴流通量技术,并在勒芒 24 小时耐力赛中创下了 326.6 km/h 的轻量级电动车世界速度纪录。同年,YASA 公司的轴流通量电机进入小规模量产。


Drive eO PPO3也采用了YASA 的轴向磁通电机。这款电动汽车使用了 6 部 YASA-400 轴流式电机,总功率输出为 1000 kW(1340 hp),是 2015 年派克峰国际爬坡赛(Pikes Peak International Hill Climb)的冠军,也是历史上首部问鼎该赛事的电动汽车。


英国商务部长 Greg Clark 主持 YASA 公司的新设备启用仪式,他表示:“当政府、学术届和产业界聚集在一起时,可以帮助最优秀的人才将最杰出的想法转化为最大的价值,YASA公司就是一个成功典范。”


最近,YASA 公司 CEO Chris Harris 曾在采访中分享了轴向磁通电机的一些技术细节:


目前,电动汽车研发的焦点似乎更多集中在电池,但电机的发展也是必不可少的。轴向磁通电机有哪些显着优点呢?


YASA 轴向磁通电机的独特之处在于它比传统的径向电机更小、更轻。 YASA 轴向磁通电机在与双速变速箱搭配时可提供更高的效率,进而降低电动汽车对电池的尺寸要求,最终帮助汽车制造商及其客户提高电动车单次充电的续航里程或降低单位续航里程的成本。


与其他电机技术相比,YASA 轴向磁通电机在重量、成本、扭矩输出和功率输出方面有哪些优势呢?


YASA 电机采用了独特的拓扑结构,所以同等功率/扭矩输出要求下使用的铜和铁比传统的径向电机更少,因此具有更高的成本效益。与传统电机相比,YASA 轴向磁通电机的尺寸只有前者的二分之一,而重量仅为三分之一。此外,制造和集成工艺也比传统径向电机更为简洁,比如线圈的制造和集成可降低加工成本。


您是否认为,轴向磁通电机不但可以用于纯电动汽车和油电混合汽车,还可以作为一种车辆增程器?


是的,我们的轴向磁通电机非常适合纯电动汽车、油电混合汽车和车辆增程器应用,而且在这些领域均已有客户。由于尺寸紧凑(不到 100 毫米的轴向长度),我们的电机非常适合混合动力应用,因为这种应用的发动机和变速箱间的空间非常狭小。 


YASA 电机的转速与内燃机不相上下,但尺寸却远小于后者,因此非常适合用于增程器应用中。


轴向通量技术的理论基础早在 60 年前就已经成型,您认为,要让这种技术真正从理论研究迈入大批量生产,到底面临着哪些主要挑战?


YASA 电机的真正独特之处在于采用了全新拓扑结构。 我们使用分段式极靴,而非传统的磁轭设计来集中磁通量。 我们还将直接冷却电机中的线圈,并将转子安装在共同构成定子的中央轴承上。 


我们采用了一些在车辆制造领域久经验证,但从未应用于电机制造的的传统制造工艺,比如激光焊接。在这种情况,我们可以借助这些稳定、可靠且支持规模化的制造工艺,让我们的轴向磁通电机充分发挥功率和扭矩密度的优势。


YASA 公司最近启用了一个年产能高达 10 万台的新生产基地,现在工厂已经开工了吗?目前的产能大概有多少?


目前,我们现阶段的产能规划在每年 2 万台, 预计将在 2018 年夏季开始向客户出货。长远来看,我们还将逐步提升该工厂的产能,并在 2021 年实现最大化,也就是达到年产能 10 万台的目标。最近,我们已经宣布与多家汽车厂商签署了多项长期开发和供应协议。由于保密协议,我们无法分享这些客户的具体名称,但可以透露的是,我们的 YASA 电机已经被这些厂商的量产产品线采用了。


作为一家从牛津大学独立出来的公司,YASA 现在是否仍与牛津的相关院系保持着密切的研发合作呢?


8 年前,YASA 公司从牛津大学分拆出来成为一家独立公司,并以公司 CTO Tim Woolmer 在牛津大学进行的研究为基础,探索研发创新电机技术。牛津大学是最早为公司提供投资的机构,而且参与了公司此后的每一轮融资。虽然,我们目前已经与多家学术机构建立了密切的合作关系,包括考文垂大学和牛津布鲁克斯大学,但我们仍将在位于牛津 Yarnton 的新生产基地开展所有研发活动。


 
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