【内参】YASA高密度电机技术分析

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没有对比就没有说服力，下面这张图描绘了YASA的几款电机和BMW、Tesla 、Prius等主力机型的对比，会发现YASA在扭矩密度上是遥遥领先，在功率密度方面也有相当优势。        

什么样的电机能达到这么高的密度？我上了两张图，左侧的那张是YASA电机的，怕不是特别清晰，又补充了一张Magnex的同类型产品。图中可以清晰地看到这是一种复合盘式结构，由两块带磁钢的转子盘和一个带绕组的铁芯构成。这个就是我们的第一映像--是一种结构特殊且工艺精湛的电机。

YASA的关键技术

这么高的扭矩密度是如何做到的？值得我们仔细分析，我大致能够梳理出他们集成了五种关键技术-分别是"轴向磁场"、"YASA架构"、"齿集成结构"、"扁铜线绕组"、"直接冷却技术"。

什么是“轴向磁场电机”？下面图示意非常明确，即磁场是沿与电机轴平行方向展开的电机。因为总体形态呈现扁平状，也叫“盘式电机”。

“轴向(盘式)电机”有什么好处使得YASA等公司青睐？从理论上说，径向电机（我们常用的传统电机）的扭矩和电机的“外径平方*叠高”成正比，也就是和电机的体积成正比。轴向磁场的扭矩是和电机外径的三次方正比。这略微的差异意味着什么呢？意味着轴向磁场电机在D>>L的外形条件下（外径远大于叠高），扭矩会远高于径向电机。这个特性导致了一系列扁平化的盘式电机产品以高扭矩密度形态面世。

 YASA不仅仅选择了轴向磁场拓扑，更进一步选择了其中一种叫扭密增强“R-S-R”的子类型。要理解什么是“R-S-R” 结构，得从最简单的R-S构型理解起，R是转子的缩写，S是定子的缩写，一个R-S构成了一个最小出力单元，但这种结构存在轴向磁力不平衡的缺点，一般不怎么用。

因为轴向电机串联一个定子/转子较容易实现，很容易就能衍生出 S-R-S、R-S-R结构，如下图所示R-S-R结构就是一个定子在中间，两个转子在两边的结构。

为什么说R-S-R是扭矩增强的结构？可以从三个方面来理解。

第一、R-S-R的磁场走向是可以优化成不走定子中间轭部的路线，如下图所示，左图是两个通过轭部磁路的小磁路闭环，右图是优化后的省却轭部磁路的大磁路闭环。这样做意味着不存在定子轭部磁饱和的问题，可以没有轭部或仅保留很薄的轭部结构。这都意味着定子尺寸减小，电机重量减轻，电机更紧凑了。

第二、没有了定子轭部也就意味着没有了相应铁耗，这就从理论上减少了很大一部分损耗，使得电机更高效了；

最后，转子设置在两侧，也就意味着给装配更多的磁钢腾出了空间，R-S-R结构可以设计成高磁通倾向结构，使得扭矩密度大幅度提升。

前文说过 YASA公司以“YASA”技术为名，这种技术的内涵是什么？YASA的中文翻译是一种“无”轭部的分瓣定子结构。 要理解什么是“无”，得先从“有”开始。下图左侧是“有”轭定子的构型。它的定子是若干齿和一个定子轭盘的合成结构，绕组套在一个一个齿上，而磁场通过齿部后在轭部返回形成闭合回路。这里的轭起到了两个作用，一个是在结构上连接了所有齿，成为一个有刚度整体。另外一个作用是磁场闭合的路径。

无轭定子如右侧图所示，定子齿是一个一个独立的，即没有轭部作为联结，也不需要轭部来闭合磁路。磁场直接从齿的一侧贯穿到另外一侧，通过转子形成闭环。因为没有了定子轭，定子齿自然而然就成了一个个独立的“分瓣结构”。

下图是YASA公司的专利用图，可以看到分瓣后绕组的和齿的一些细节结构。分瓣的定子齿呈现一个“工”字结构，由可以细分为‘Stator shoe’ 定子极靴，和‘Stator tooth’ 定子齿身两种元素。而绕组就设置在齿身上,这样定子齿和其上的绕组构成了一个最小分瓣单元。

"YASA"技术拥有诸多优点于一身，正如此 YASA公司选择此作为高密度电机的核心技术。“罗马不是一天建成的： 事实上YASA技术是技术进化的产物，它的进化路径大概分为三个阶段：

第一代产品是轴向磁场电机的传统R-S-R结构，是有轭的整体结构，定子绕组立绕缠绕在齿上。这种结构它背后依赖的是硅钢片的"卷绕"工艺。

第二代产品，定子轭部尺寸被压缩到最小值，仅仅用作各个齿的联结结构，绕组则平绕在齿上。这种结构得以发展，依赖于SMC定子压结工艺的成熟。借助SMC材料的各向同性导磁特性，可以摆脱硅钢片冲压工艺约束，设计成最适宜的3D定子结构。大幅度提高了空间利用率。

第三代产品，即“YASA”结构，它彻底摆脱了“轭”，使得电机扭矩密度得以最大化。同样道理这种结构的发展，背后必然是结构\工艺技术突破的产物，这种工艺核心解决的问题是“如何把分瓣的定子齿集成为整体”。这正是下一个要论述的关键技术。

"YASA"技术中每个齿是分瓣独立的，但每个齿都需要传递电磁力，且其位于两转子中间的位置必须要有高精度的定位。如何解决这些齿的定位和紧固问题？在YASA的专利中有专门论述。

开门见山，YASA是通过“固定盘”结构来实现，如下图上所示，这是一种塑料材料制成的结构件。其英文原文叫“Clam shells”，直接翻译叫“蛤蜊壳”。顾名思义这是一种包裹性支撑结构，它的包裹性体现在这个结构设置了若干个口袋"Pockets",每个口袋里装一个定子齿结构，以实现对定子定位和紧固。它的支撑性体现在这个固定盘的外壁和电机机壳相配合，内壁和轴承室相配合，提供了承上启下的结构支撑。

   

   

如果上面的图比较复杂，下图是它的原理简化结构，图中116是分体的两个齿身，绕组绕制在其上，这个小齿单元又被置于固定盘的口袋中，通过固定盘外圈和机壳的连接。在具体实施过程中，为了提高整体刚度，还会设置如下右图所示的“加强环”结构。

在理解了这个齿-固定盘基础结构之后，就能从整个电机的视角了解YASA的完整结构了，其轴承设置在固定盘的内壁内（需要镶嵌金属件）。外壳分成上下两瓣通过螺钉连接。

有了上述理解之后，我们再看实际产品照片，会发现很多细节结构，包括绕组的端部接线结构、固定盘外壁的细节设计，还能看到生产过程中，绕组的固定方式和走线方式。限于篇幅，我们不一一展开。        

小结一下，YASA的齿集成结构依赖于两个技术，一个是固定盘（Clam shells）的设计，这是一种注塑成型材料，另外一个是分体齿结构。两者的结合实现了绕组-齿的固定和定位。        
       

                

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扁线＆                      

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油冷        

       

YASA电机的另外一个明显特征是扁线技术，如下图所示其绕组为若干个非常扁平的铜线平绕而成，这种扁线绕制技术也是这几年自动化技术快速发展的产物。通过自动化设备绕制好的扁线将被分组安装在定子齿上，然后通过busbar把线头引出。利用了扁线再加上“YASA”技术，电机的槽满率达d到非常高的水平，净铜槽满率达到60%以上，这为提高扭矩密度又加了一把力。

         

 扁线技术和油冷是一对非常好的技术组合，YASA电机采用了非常优秀的油冷设计。如下图所示，其环形油道由内圈和外圈两个支路构成，一个逆时针流动，一个顺时针流动。如此每个扁线都能被冷却油充分包裹。这种设计本质上就是固定盘上增加一系列附加结构，形成环形流向的油道。相比普通电机的油冷，这种冷却方式效率更高，既能冷却绕组，又能冷却定子齿，且每个齿和绕组都有多个面接触冷却液，换热面积大。高效的油冷结构又极大地提升了扭密。

总结一下，YASA是怎么提高电机密度的，这是一个节节抬高的过程。首先是选择了R-S-R的轴向磁场结构，这种结构本身就是高扭密增强型结构。更进一步他们还采用“YASA”技术，省去定子轭部结构，又推高了扭矩密度。为了和“YASA”技术相匹配，他们发展了以固定盘为核心的齿集成技术。然后YASA引入了扁线技术，通过提高用铜量更进一步提高了扭矩密度。最后设计了高效的直接油冷技术，使得扭矩密度达到极值。        
       

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对标分析

第一步先构建了一个YASA结构的1/4电磁模型，利用对称边界轴向切一半，径向切一半。这个模型是根据观察大致构建的，为的是得到一个可参数的起点模型。

建模没有多大的困难，优化碰到的第一个困难是，太慢。上述模型算一个方案需要85分钟，算一代30个方案需要7个小时，推算下来算40代需要开销12天，这个速度无法接受。

为了解决上述问题，参考了一下文献，我切换了一下思路，把3D的模降阶成2D的问题，如下图所示，沿黄色虚线把电机切割成一圈一圈的子电机，然后每个子电机展开成一个2D的直线形态。只要分的子电机足够多，理论上是可以等效的。

稳妥期间，我作了等效前后的精度测试，我把一个3D的模型等效成了5个2D的电机模型，通过少量的代码，将5个电机的性能累加起来，和3D模型进行数据对比。发现转矩和反电动势的精度足够满足优化的需求。

       

2D简化之后速度明显提升，测试了一下2D模型计算一代75个方案只需要38峰值，速度比3D快了29倍，这样速度就比较友好了。        
       

       

接下来设置需要优化的目标，把重点目标的期望值输入。比如转矩为380Nm、重量14kg、额定热负荷8000，轴向长度70mm。

       

YASA结构优化变量比较少，就11个，我选了目标分级算法，每代种群规模50个，进化代数45代，剩下的工作就委托给电脑和时间了。

       

在经过约23个小时后，我观察了一下仿真点阵图，基本上已经收敛了。算法聚焦在14kg，380Nm附近。“目标分级算法”就是用这种特性来达到深度优化的效果。

       

为了精简方案，我按重点优化目标重量、转矩等进行一次筛选，剩下只有几十个方案了。然后观察额定工况的性能，发现存在扭矩在200Nm附近，热负荷<7000A/mm^2·cm,电密17~18A/mm^2的前沿解，这个范围的热能指标已经能够适配油冷方式了。        
       

       

在观察高速状态下（8000rpm）性能的时候，发现磁钢的涡流损耗比较大，小的有4000w，大的有10000w，这个风险比较大。更进一步发现，涡流损耗受槽口宽度的影响较大，槽口越宽齿槽谐波在磁钢表面感生出的涡流场越强，产生的损耗也越大。不出意外在低磁钢损耗的状态，电机的效率也越高，存在效率>0.95的前沿解，我选择了这个解作为进一步研究的方案。        
       

       

这个方案如下图所示，和原方案相比，磁钢更厚实了，槽口变得更小了。它的轴向长度为56mm、有效材料重量为13.9kg，已经满足了需求。        
       

       

 该电机的效率map如下所示，370Nm、8000rpm、160kw比较容易达到，最高效率95.18%，比产品册上说的96%略低，可能是我设置比较保守，或者仿真温度偏高导致（产品册上是60℃，仿真时用的是100℃）。        

       

顺手求了该方案的额定和峰值两条工况曲线的五轴图，如下图所示，两种工况下大部分的转速区间2000rpm以上，效率都大于90%，高效范围比较宽。

       

       

总结一下，通过一轮的优化设计，我们对这种YASA架构的电机有了一定了解：

首先这种3D结构电机计算比较慢，但可以通过等效成2D模型来解决；
       

其次这种架构确实有利于实现高扭矩密度，14kg的有效电磁重量出370Nm@18s、200Nm持续转矩没有压力；        

最后这种架构的磁钢涡流损耗比较大，需要谨慎应对。较小的槽口、较厚的磁钢有利于降低磁钢损耗。从这也可以理解：为什么YASA公司要采用特殊的分块合并的齿单元结构，因为这种结构的槽口宽度不影响绕线，可以做的很小，也能理解转子结构的充分油冷是非常必要的。        

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总 结

YASA电机最显著的特征就是高扭矩密度，被广泛地应用在新能源汽车、新能源飞机等场景。YASA通过引入新的架构、新的工艺、新的冷却方式追求高密度。追求高密度的本质是什么？本质是为了满足不断增长的应用需求，它是对现有技术无法满足新应用开拓需要的一种反应。YASA的路径值得国内的同行仔细思考、学习。