【内参】YASA高密度电机技术分析
本文摘要：（由ai生成）
YASA轴向磁场电机技术由英国YASA电机公司开发，具有高扭矩密度和功率密度特点。其关键技术包括轴向磁场、YASA架构、齿集成结构、扁铜线绕组和直接冷却技术。该电机采用R-S-R结构，优化磁场走向，提高效率和扭矩密度。齿集成技术和扁线绕组技术进一步提升扭矩密度，油冷技术有效冷却绕组和定子齿。YASA电机在新能源汽车和新能源飞机等领域广泛应用，满足不断增长的应用需求，展现电机技术领域的创新和领先优势。
“ 重要的问题值得我们持续研究，高密度的技术路线是八仙过海各有神通，本期我们继续介绍另外一种高密度电机技术路线-YASA 轴向磁场电机。”
01
—
何谓YASA
YASA也是一家英国电机公司，是高密度电机的重要Player，相比Equitmake更加大名鼎鼎。值得一说的是他这名的来历。"YASA"其实是一种特殊轴向磁场电机技术的简称。全称是'Yokeless And Segmented Armature' 意思是一种分瓣-无轭部的定子绕组铁芯技术。YASA官方直言不讳地宣称“没错，我们就是以这个技术名称来注册公司”。就好比肯德基不叫肯德基，专以“新奥尔良烤鸡腿堡”为名。 以技术为名，这也算工匠精神的一种反映吧。
让YASA进入我们视线的是它一系列让人叹为观止的电机产品。P400S能够做到15.4Nm/kg的峰值扭矩密度和6.7kw/kg的峰值功率密度，而P750因为尺寸更大，扭矩密度达到21.4Nm/kg，功率密度达到d5.4kw/kg。
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。
02
—
YASA的关键技术
一、R-S-R构型的轴向磁场
二、YASA架构
理解了“YASA'的结构内涵，我们就能推导出它的优点：
三、齿集成技术
"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。
YASA每个齿的构成也很有讲究，它是一种分体结构，有两种分体方式，一种是如图中右侧所示的“齿靴-齿身-齿靴”串联结构，另外一种结构在其专利中没有专门论述，但很可能是它的实际结构，就是把定子齿沿齿身中心切成对称的两个结构，如图左下所示，上下两瓣一合即成一个完整的齿。为什么要把齿做成分体结构？其核心目的是为在齿身上套绕组提供方便。为了大规模生产的需要，绕组不是直接绕制在齿身上。而是独立绕制成型。分体的齿可以方便的将成型绕组套入齿身，然后再组合成一个整体。
在理解了固定盘和分瓣齿的结构之后，我们就能理解YASA的集成技术实际上是以“齿单元和固定盘”为基础构建的。如下图所示，绕组-齿靴-齿身构成的单元，被安置在固定盘上，而固定盘又和机壳相连，使得整个结构得以“生根”。
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。
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。
03
—
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。
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。
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。
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。
04
—
总结
