Traxial的轴向磁通电机技术，通往"量产彼岸"的秘密

- 关于2024年全球动力系统研讨会报告解读  

- 文字原创，素材来源：James Byatt, Traxial BV  

- 本篇为知识星球节选，完整版报告与解读在知识星球发布(全文7300字)  

- 600+最新全球汽车动力系统相关的报告与解析已上传知识星球，欢迎学习交流  

 

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导语：上半年，在梅赛德斯奔驰2023年路演年报中我们提到：奔驰为获得更高效、强劲的动力性能，全资收购电机供应商YASA Motors，自研超高性能的无轭轴向磁通电机

今天我们继续聚焦于这一解决方案。Traxial，一家来自比利时的电机制造商，诞生于无轭轴向磁通技术，深耕这一领域，让我们一起来看看Traxial的轴向磁通技术到底有什么与众不同？是什么让他们坚定不移地走在这条道路上？他们又是如何通往大规模生产的"彼岸"？  

目录

01 轴向磁通与径向磁通

• 1.1 分类与对比（相同点/异同点）

• 1.2 有轭轴向磁通电机的特征

• 1.3 无轭轴向磁通电机特征

02 理论分析：无轭轴向磁通电机的优势在哪里？为什么？

• 2.1 定子上的优势

• 2.2 绕组的优势

• 2.3 磁路上的优势(知识星球发布)

03 实践：无轭轴向磁通电机面临的挑战和解决方案(知识星球发布)

• 3.1 "热"的挑战和解决方案

• 3.2 机械结构上的挑战与解决方案

• 气隙均匀的挑战

• 离心力的挑战

• 解决办法

• 3.3 制造上的挑战和解决方案

• Traxial实现大规模生产和低成本的思路：

04 无轭轴向磁通 - 为什么是驱动系统的未来?(知识星球发布)

• 1/3轴向长度
  

• 2倍功率密度/3倍扭矩密度

• CO2足迹减少45%

05 在电动汽车上的关键应用(知识星球发布)

• 5.1 分布式双电机驱动系统

• 5.2 轮毂电机驱动系统

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01  

轴向磁通与径向磁通

1.1 分类与对比  

下图是径向磁通电机(RF，左图) 和轴向磁通电机(YAF，中间/右图)拓扑结构：

 

图片来源：Traxial

那么，轴向磁通和径向磁通究竟有什么区别与联系呢？

-> 相同：  

从电磁角度来看，两者都基于相同的电磁原理工作，并且都具有铜绕组、铁芯和永磁体。

-> 差异：  

径向磁通拓扑：由圆柱形转子组成，该转子在圆柱形定子内部旋转，如左图。

在这个系统中，磁通量(电机中扭矩的来源)首先从转子向外流向定子，然后沿着定子从一个定子齿到另一个定子齿沿圆周方向流动，然后从定子径向向内返回到转子，最后沿着转子中的切线路径闭合磁通回路。  

轴向磁通拓扑：将单个转子圆盘放置在两个侧定子之间，或者将一个中央定子两侧的两个转子圆盘，如中图、右图。

• 有轭轴向磁通拓扑（中图）：单转子双定子拓扑结构
• 无轭轴向磁通拓扑（右图）：双转子单定子拓扑结构

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1.2 有轭轴向磁通电机

下图是有轭轴向磁通电机拓：

 

图片来源：Traxial

-> 优势：  

a). 结构相对容易制造或组装

 b).与径向磁通电机相比，具有更高的扭矩密度

-> 缺点：  

a).更低的功率/扭矩密度。与无轭轴向磁通相比，其功率和扭矩密度较低，这主要是因为：

• 槽漏磁通：从齿部到定子轭部的槽漏磁通层，导致磁场效率降低
• 双定子轭质量：双定子轭的设计增加了电机的质量

b).效率较低：由于双轭中的铁损，导致铁磁材料在交变磁场中产生了更多能量损失

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1.3 无轭轴向磁通电机

下图是无轭轴向磁通电机拓扑：

 

图片来源：Traxial

解释下特点和优势：

a). 没有定子轭部：定子轭部是电机定子中连接定子齿部的部分，通常在传统的电机设计中都有，没有定子轭部的设计有助于减少电机的重量和体积，提高某些性能参数。  

b). Consentrated fractional slot windings:  

• Concentrated Windings：绕组线圈集中在定子齿部，而不是分布在整个定子槽内
• Fractional slot：槽的数量与极数的比例不是整数，有助于减小齿槽转矩和降低电磁噪声

c). 定子两侧有两个SPM转子：显著提高电机的扭矩或功率密度。  

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02

无轭轴向磁通电机的优势在哪里？为什么？

2.1 定子上的优势  

无轭轴向磁通定子的关键特点和优势：  

图片来源：Traxial  

解释下：  

a). 没有定子轭部 -> 减少了定子中的钢材使用量  

• 减少定子铁损 -> 提高效率

• 质量更低 -> 更高的功率/扭矩密度

• 更低的二氧化碳足迹：由于效率的提高和质量的降低，这种电机在生产和使用过程中产生的二氧化碳排放也会减少，大约减少45%

b). 较短的磁通路径 -> 更高的效率  

• 径向磁通电机的电磁通量必须在定子和转子中"弯曲"；轴向磁通电机中电磁通量通过定子沿直线传递至转子，路径更短

• 直线型的定子磁通路径可以使GO(Graind-oriented-steel)钢在磁芯中使用，与径向磁通电机唯一可选的非取向类型相比，这种钢的损耗较低

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2.2 绕组的优势  

无轭轴向磁通转子的最大特点是：分数槽集中绕组。没有线圈"悬垂"部分：这意味着线圈更加紧凑，没有空间浪费。  

 

图片来源：Traxial  

解释下：  

a). 节省铜材：使用这种绕组方式，可以节省高达50%的铜材。进一步带来优势：

• 降低铜损：由于铜的使用量减少，因此铜的损耗也会降低。

• 提高电流密度：紧凑的绕组设计允许更高的电流密度，从而提高电机的性能。

• 提高扭矩密度：这意味着电机在相同体积下可以产生更大的扭矩。

• 减轻质量：由于铜材的减少，电机的整体质量也会降低。

• 提高功率/扭矩密度：在相同体积下，电机能够产生更高的功率和扭矩。

• 降低二氧化碳排放：由于效率的提高和质量的降低，这种电机在生产和使用过程中产生的二氧化碳排放也会减少。

 b). 易于自动化：这种绕组方式使得线圈的绕制或弯曲更容易实现自动化。  

c). 适合批量生产：这种设计适合离线生产，可以并行化生产过程，使得制造更容易扩展。  

d). 增加了D轴电感：使电机具有更高的电气性能 -> 更高的CPSR等级  

e). 单层线圈的使用：使用平直的导线制成单层线圈，因为内部热阻比较低，适合与直接油冷却结合。  

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2.3 磁路上的优势

(知识星球发布)

下图解释了为什么轴向磁通电机会获得更高的扭矩。进一步解释下...

下面我们针对轴向磁通电机的面临的几个关键挑战和解决方案继续聊一聊：热的挑战、结构上的挑战、制造商的挑战...

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03  

3.1 "热"的挑战和解决方案

Traxial是怎么解决"热"问题的？...

3.2 结构上的挑战与解决方案

->气隙均匀性挑战...

->离心力的挑战...

-> 解决方案...

3.3 制造上的挑战和解决方案

-> Traxial实现大规模生产和低成本的思路...

04

无轭轴向磁通 - 为什么是驱动系统的未来?

下面展开说明下...

05

在电动汽车上的关键应用

5.1 分布式双电机驱动系统

5.2 轮毂电机驱动系统

...

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以上是关于TRAXIAL轴向磁通电机技术方案的的学习和解读(节选)，完整版报告与解读在知识星球[SysPro|国际峰会报告解读] 专栏发布 (全文7300字)，欢迎阅读学习。更多关于"全球动力系统方案研讨会报告的解读正在进行，请持续关注！更多关于轴向磁通电机的机理研究和解决方案，请参考如下拓展阅读。感谢你的阅读！

【参考文献】

[1] YASA-P400R-Product-Datasheet (☆☆☆)

[2] YASA-750-Product-Datasheet  (☆☆☆)

[3] YASA型电机设计与分析（翻译）  (☆☆☆☆)

[4] YASA无轭分段电枢与单侧轴向磁通永磁电机拓扑结构在电动牵引中的比较研究  (☆☆☆)

[5] 轴向磁通电机在EV中的应用

[6] YASA的无铁芯分段电枢电机中定子设计的比较与分析(翻译)  (☆☆☆☆☆)

[7] 高扭矩密度YASA AFPM轮毂电机设计(翻译) (☆☆☆☆☆)

[8] 新型YASA轮毂电机水冷却系统的设计与分析(翻译) (☆☆☆☆)

[9] 用于轮毂电动汽车应用的空气冷却YASA电机(翻译) (☆☆☆☆)

[10] YASA轴向磁通永磁同步电机的起动扭矩性能分析(翻译) (☆☆☆☆☆)

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2024年8月4日 晚

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