[讲堂]什么原因让AMG有勇气放弃大V8?轴向磁通电机!

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导读

下一代C63将会取消大V8发动机,改为2.0T四缸发动机配电动机的混合动力系统,这早已不再是新闻,AMG的顶级车系也将会用上混动系统,配上73e的尾标。

是什么让一直以大排量发动机,暴力输出,堪称德系肌肉车形象示人的AMG走上了电动化的道路?

排放?一部分,但并不是全部。毕竟AMG的份额相对奔驰整体相当小,节能减排工作还不至于让品牌的性能担当的AMG不得不做出削缸断臂决定的地步,那么答案就很明确了,是性能,让AMG主动拥抱了电气化。

再来看看7月22日的梅赛德斯•奔驰集团公布的其最新电动化计划表,从[电动为先]向[全面电动]转型。除了从2025年起,所有新推出的车辆平台架构都将是纯电动架构,公司生产的每款车型都会有纯电动的替代方案,到2030年底全面完成电动化这些集团策略之外,还额外提到了一项收购案:

通过垂直整合和收购超高性能轴向磁通电机专家YASA,提高电动传动系统的效率。

这家YASA是何方神圣,为何又着重提及了轴向磁通电机,它又有何魔力,让AMG有了足够的底气拥抱电动化?

——法拉利首款插电混动旗舰跑车SF90的混动系统供应商这个理由充不充分?

轴向磁通是相对于径向磁通说的,我们目前绝大部分的电动车使用的电机都是径向磁通电机,其电机绕组产生的磁通方向垂直于电机轴线,是径向的。而轴向磁通指的是定子绕组产生的磁通方向是平行于电机轴线。如何理解,让我们简单回顾一下高中物理学知识。

电机的基本结构

我们知道,电机最核心的构造包括定子、缠绕在定子上产生磁场的线圈、转子、轴承以及轴。外形一般呈现圆柱形,其内部剖面结构可以看上图。

车用电机一般定子在最外侧,长这样,是个大铁圈,上面有着齿和齿槽,通电的线圈就缠绕在这些齿上:

看的更清楚一点:

根据我们高中物理知识,通电线圈产生的磁场方向用右手螺旋定则判断:

这种线圈绕组的缠绕方式便会产生从圆心指向圆外,径向的磁场。

而轴向磁通电机的定子上齿的位置以及线圈绕线方式和径向磁通电机垂直,它的定子长这样:

线圈缠上去之后长这样:

这样的线圈产生的磁场方向便是和电机这个圆柱体的轴平行了,故而被称为轴向磁通电机。因为对比径向磁通电机,轴向磁通电机更短,长得像个盘子,因为也被称为盘式电机。

轴向磁通电机的优劣势

我们来看一下径向磁通电机和轴向磁通电机的定转子磁极示意图,左边是径向磁通电机,右边是轴向磁通电机。

很显然,在外部尺寸相同的条件下,轴向磁通电机的核心优势在于转子的直径更大,它沿着定子旋转,而不是在定子内部旋转。扭矩等于力乘以半径,轴向磁通电机可以在相同的力下获得更大的扭矩。这意味着对于使用同等量的永磁体和铜绕组材料,轴向磁通电机可以输出更大的扭矩。

轴向磁通电机相对传统的径向电机可以提供 30% 的扭矩密度优势。

而且,YASA 电机拓扑结构还去除了定子磁轭,这也是YASA名称的由来‘Yokeless And Segmented Armature’,从而减少了高达 80% 的定子铁质量。这项创新提供了超过 30% 的功率密度优势和 5% 的续航里程优势。

与高性能相对的,就是轴向磁通电机的高成本与高制造难度,这制约了轴向磁通电机的应用。即使早在1821年法拉第发明的第一台电动机便是轴向磁通电机,诞生更晚的径向磁通电机也还是得到了更充分的发展。

从结构图上可以看到,和径向磁通电机不同,轴向磁通电机的定转子会互相吸引,产生轴向力。都知道金属抗拉不抗压,轴向力是电机最怕的,轻则增大摩擦,加剧振动,重则轴承错位脱落,轴断机毁。因此,轴向磁通电机一般采用两侧双定子,中间单转子的设计,也有单定子双转子,多盘式等方案抵消轴向力。

其次,定转子之间空隙称为气隙,是电机磁路中必不可少的组成部分。轴向磁通转子平铺在定子之上,气隙面积明显更大。对其表面平整程度,间隙均匀程度要求极高。

这就意味着加工制造精度、装配精度的要求非常高,带来了极高的制造成本,与极低生产柔性化程度。

高制造难度也导致了轴向磁通电机生产规模化不够,市场容量较小,零部件配套跟不上。不仅轴向磁通电机本身,连接传动轴之后,后端负载产生的轴向窜动也会严重影响轴向磁通电机转子与定子之间的磁力平衡,一旦突破临界点,转子被吸附到定子上,就会是一场灾难。

这些弊端又反过来导致轴向磁通电机应用困难,导致该领域从业者少,产品成熟度低,缺少研发验证体系等问题。循环之下,难以与普通径向磁通电机竞争。

因此,目前轴向磁通电机极少数的应用领域是赛车、高性能跑车这样对体积和重量要求高但对成本不敏感的车型上。

奔驰为何看重轴向磁通电机

作为奔驰的高性能厂牌,一贯以大排量,德式肌肉车形象示人的AMG在较长的一段时间内都不可能抛开内燃机,其拥抱电动化的路线便是混动。那么怎样的混动结构适合AMG呢?

丰田那种功率分流方案?不行,这种结构更侧重电动机对发动机工况的调节,也就是经济性,发动机和两台电机的输出互相牵扯,功率无法完全利用。发动机100kW,电机100kW,总输出可能只有150kW。这种特性完全不适合AMG。

同理,本田i-MMD,比亚迪DM-i这样的离合器切换性的混联方案也是相同的理由否决:偏重经济性,动力性不够极致。

P4方案,AMG并不强调四驱能力,反倒以后驱为主,否决。

那么抛开不适合做强混的P0、P1方案,就剩下P2和P3方案了。而P3方案并不适合纵置布局,总结下来,P2是AMG最合适的混动方案,发动机和电机并联输出,动力贼强。

复习一下P2方案,它指的是电机安装在发动机和变速箱中间,飞轮之后,与变速箱壳体相连。

没找着奔驰的图,奥迪的来凑合一下,这边表扬一下奥迪,官图里边这种结构解刨图相当全面,可以看到,因为纵置布局,发动机加上变速箱本身尺寸就长,因此中间塞入的电机尺寸极为受限。轴向磁通电机较薄的特性就尤为适用。

而且,由于P2结构电机在变速箱前段,可以享受到变速箱降速增扭的效果,这也弥补了轴向磁通电机转子直径大导致转动惯量偏高,最高转速不高的缺点。

因为结构上的差异,轴向磁通电机相对于现在使用的径向磁通电机同输出尺寸更小,同尺寸扭矩更大的特点。尤其是其轴向尺寸小,薄。奔驰也就是看重了轴向磁通电机的这一特点。作为轴向磁通电机的早期应用对象,AMG也符合重量体积要求高,而对成本不敏感的特点。

在径向磁通电机一统江山的年代,为何轴向磁通电机能够异军突起,看看DOE(美国能源部)2017年公布的对汽车电驱动系统2025年研发规划中的描述或许可以找到答案:

可以看到,在规划中,电驱动系统,包括电机和电机控制器,在2020年到2025年件技术发展最为重要的指标在于体积比功率密度。也就是说,电机要做的小,功率还要高。这恰恰就是轴向磁通电机的特长所在。

奔驰收购YASA也绝不会仅仅只是将它作为AMG的专供品。有了AMG在早期承担轴向电机的市场开拓与开发成本,度过初期最为艰难萌宠的时刻,随着规模化的提升,上下游供应链的建立,轴向磁通电机也会逐步降低成本。

届时,其高效率,高功率密度,以及尤为突出的高体积比功率密度的特点将会在奔驰电动化的道路上提供很大的助力。


撰文丨Route 64

版式丨兔子

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