颠覆传统电机

时间：2022-10-25 10:09:56

关键字：电气化能源效率

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[导读]这个世界正在迅速实现电气化。生产工艺、汽车、卡车、摩托车、飞机正像爱迪生一个多世纪前预言的那样朝电气化迈进。大范围的电气化有着相同的原因：电气化有着更安静的操作、更低的维护需求、更高的性能和效率以及更灵活的能源使用优势。

这个世界正在迅速实现电气化。生产工艺、汽车、卡车、摩托车、飞机正像爱迪生一个多世纪前预言的那样朝电气化迈进。大范围的电气化有着相同的原因：电气化有着更安静的操作、更低的维护需求、更高的性能和效率以及更灵活的能源使用优势。

在这一伟大的电气化进程中，电机处于核心地位，它既可作为发电机，将机械能转化为电能，也可作为发动机，将电能转化为机械能。

长久以来，电机都是按标准设计，且易于制造。我们位于比利时的初创公司Magnax则采取了另一种设计方式，理论上可以从给定的质量中获取更大的能量和扭矩，并实现商业化应用。我们相信，在许多应用领域（尤其是电动汽车领域），这种全新设计可以取代旧设计。目前我们正在该领域进行测试。我们其中一项设计的峰值功率密度约为15千瓦/千克。目前的发动机（如宝马i3纯电动发动机）的峰值功率密度（3千瓦/千克）只有其1/5。Magnax机器的效率也更高。

我们认为，可以根据不同汽车制造商（及其他客户）的需求来调整设计。如果是这样，我们就有充分的理由相信，这种设计将会超越传统设计，有助于提高性能、节约能源、降低整体运营成本并减少碳排放，创造一个更美好的世界。

电机的概念很简单。首先有一个外壳，即静止的定子，然后加上一个旋转的转子，转子通常位于定子内部，有时也在定子外部，我们稍后会讨论这点。当电机作为发动机运转时，定子和转子的磁场相互作用：围绕转子和定子按一定策略放置的磁铁会按顺序相互排斥或吸引，以维持转子的旋转并产生扭矩。通过这种方式，电机将电能转换成机械能。当电机作为发电机运转时，过程则相反。

目前，这种旋转电机因其转子多使用永磁体（而非电磁铁）而被称为永磁同步电机（PMSM）。当作为发动机运行时，它会将交流电输送到定子的齿部结构，因此，定子内的旋转磁场会作用于转子的永磁体，使转子旋转。其最大的优势是，永磁体不需要能量来产生磁场。因此，在给定的重量和体积下，这种设计比在转子中使用电磁铁的电机更有效、更强大。永磁同步电机从20世纪80年代开始占据主导地位，这其中的原因很多，其中最重要的是一种更强大的钕基永磁材料的发展。不过，由于电机的整体布局没有变化，新的磁铁只能带来渐进式的改进。要进一步减轻电机的重量、缩小尺寸并压缩成本，必须从根本上重新考虑电磁相互作用。这就是我们的工作内容。我们的产品称为无轭轴向磁通电机。名字有点拗口，稍后再作解释。首先要了解的是，人们已经知道轴向磁通拓扑具有内在的优势，只不过似乎无法从商业上利用这些优势，主要是因为基于这些优势的设计很难借助自动化程序大规模生产。

开始设计发动机之前，我们必须克服一个根本性的问题：没有商业软件可以精确地同步模拟轴向磁通电机的电磁和热力学特性。不过，比利时根特大学的彼得•塞尔让（Peter Sergeant）和昂德里克•万松佩尔（Hendrik Vansompel）从2008年就开始研究这个问题。他们的研究加上Magnax公司多年的研发和原型设计，催生了我们的设计和制造方法。

传统的径向通量电机的转子位于定子内。定子由一个支撑部件——磁轭组成，磁轭装有含电磁铁线圈的齿部。因此，齿部起到了磁极的作用。当转子转动时，其磁极每次扫过定子的齿部时都会传输通量，而定子则将通量带到其他地方，关闭了所谓的通量环。通量从转子的永磁体穿过气隙和定子齿部，通过磁轭形成转换180度，再回到另一个磁体。同时，永磁体与定子齿部的旋转电磁场的相互作用使转子保持旋转。

要获得最高的效率，设计应将转子和定子齿部之间的气隙缩至最小，因为空气影响通量传输。
我们的轴向磁通电机颠覆了传统电机的构造。它使用两个转子，分别置于定子两侧，起到了支撑作用。在这种结构中，定子仅仅是电磁齿部的托架，而非转子的支撑物或磁轭。换句话说，定子可以无轭——这就是产品名称中包含这个词的原因。去除约占定子铁芯2/3的钢筒形磁轭可以大大减轻电机的重量。无轭电机与老式磁轭轴向发动机相比，功率密度增加了1倍，是传统发动机（如宝马i3发动机）的4倍。通过减少电机的铁损耗，它还提高了效率。铁损耗原因有二。首先，在定子中，交流电对铁芯反复磁化和消磁会消耗能量，这一过程称为磁滞损耗；第二是通过铁芯的不同磁通量造成了涡流损耗。这种设计具备了较高的功率密度，其中还有其他原因。在本设计中，磁通量从第一个转子轮盘上的永磁体通过定子铁芯，到达第二个转子轮盘上的永磁体，这是一条相对短而直的路径。借助这种单向性，Magnax使用仅适于单向通量的晶粒取向钢，可以进一步将铁芯通量损耗降低85%。这种钢不能用于传统的径向通量发动机或发电机，因为在传统机器中，通量从转子通过定子，再回到转子——这是一个多向路线。Magnax公司与蒂森克虏伯钢铁公司紧密合作，设计了层状晶粒取向芯部。这种设计还有其他优点：在我们的无轭轴向磁通设计中，定子需要的铜大约是同等功率和扭矩径向通量发动机的60%，转子需要的磁性材料大约是同等功率和扭矩径向通量发动机的80%。

理论上说，所有这些优点都会降低电机的成本、减轻电机的重量并提供更高的扭矩，但实际上制造这样的机器要面对多项严峻的工程挑战。最明显的挑战就是要找到方法来取代传统的磁轭功能。在传统的发动机中，磁轭会固定定子齿部，并提供将线圈中的热量输送到发动机外壳的热通道。当磁通量流回到原始来源时，它还会充当闭合回路的路径。

首先，Magnax公司必须解决机械方面的挑战。由于没有磁轭来连接单个定子齿，因而必须找到另一种解决方案来制造具有足够强度和刚度的定子，使之即便在强大电磁力的作用下也能牢牢固定住定子齿。接下来是热量问题。由于绕组深埋在定子内部和两个转子轮盘之间，它们产生的热量很难散发。提升冷却性能可以增加电机的标称功率，即实际输出的机械功率。使用磁轭的老式轴向磁通设计通过在磁轭中集成冷却通道来冷却线圈。不过，这种结构中热量会通过磁轭，而铁并不适于输送热量。Magnax的设计中没有磁轭，因此我们需要找到另一种方法来直接冷却线圈。另一个挑战是制造。由于定子和绕组颇为复杂，现有的轴向磁通电机制造起来困难重重。因此直到现在，此类电机往往依然无法实现自动化生产。这些挑战提高了成本，限制了应用范围，目前大多数商用轴向磁通设计中都存在这些问题。不过，无轭概念带来了更简单的绕线方案，可以节省人力。因此，冷却成为了最大的挑战之一。在英国，另一家无轭轴向磁通电机开发商YASA提出了可制造电机概念；该公司使用了石油冷却，并在英国建立了自己的工厂进行批量生产。Magnax的设计则采用了一种更灵活的冷却方案。

Magnax的方案可以使用多种冷却剂，尤其是空气、水-乙二醇和油。对于无人机和两轮、三轮电动汽车（在印度很流行），空气冷却是首选。它也适用于大型机器，如风力发电机。液体冷却与齿轮箱组合使用则更适合最大功率密度，因此多用于汽车。我们首先层压铝或铜散热器，使其与绕组紧密接触。散热器会将热量输送到外围，通过散热鳍片或水冷套管将热量带走。这种方法提高了机器的散热能力，能够产生更大的公称扭矩和更高的功率，而且能使定子结构非常结实稳固。这意味着电机可以承受很大的扭矩，而且非常耐用。目前，我们的重点是为汽车原始设备制造商及其供应商定制发动机。由于轴向磁通电机轴向长度较短，因此动力传动系也可以很短。这样，汽车制造商就可以把发动机、变速器和电子设备整合到电动汽车的车桥上，这个总成叫做电驱动桥。这些发动机也可用于混合动力汽车，在混合动力汽车中，引擎和电力驱动系统的组合往往只能给发动机留下狭小的空间。我们的设计也可应用于车轮内，构成车轮总成的一部分。这种配置有很多优势，例如，可以通过改变每个车轮的扭矩来驾车，这种技术被称为扭矩矢量控制技术。不过，把发动机置于车轮内会增加非簧载质量（汽车悬架和路面之间的部分），这可能会使旅途更颠簸。因此，轮内发动机节省的每一克重量都很重要。

一家欧洲汽车制造商目前正在测试一种轮内发动机汽车，这种汽车使用了4台“外转式”Magnax发动机。发动机的旋转部分位于外部（而不是在内部或轴上），因此非常适合集成在车轮总成极其紧凑的空间内。这样一来，它的功率密度是传统电机的2倍，提升了启动效率。虽然大多数汽车都没有将发动机安装在车轮内，但不少汽车确实配备了不止一台发动机。事实上，使用多台发动机的汽车更能够从我们的产品中受益。配备的发动机越多，就越需要轻巧、紧凑的发动机。我们已经计算出，在没有磁轭及其相关铁损耗的情况下，只有一台发动机的汽车行驶里程可以增加7%，有两台发动机的汽车行驶里程可以增加20%。可以想象这对电动汽车最昂贵部件——电池——的进一步影响。如何将这一概念引入批量生产是目前面临的主要挑战；Magnax将联手生产合作伙伴应对这一挑战。我们在制造电机上投入了大量时间，从而证明了我们的电机是可以生产的。这一能力加上用料节省，使我们的设计概念在价格上具有竞争力，这是我们从小众市场转向原始设备制造商的关键。我们正在建立的装配线将能够生产不同直径的发动机。计划到2022年每年生产2.5万台电动机，并逐步扩大到数十万台。过去的两年里，我们收到了数百家公司的询价，他们有意购买用于电动摩托车、卡车和其他电动汽车的不同直径的发动机。另外还有风力涡轮机和工业设备制造商询价。这些特定的市场并不是我们的优先市场，但广泛的需求表明，我们在紧凑、功率和效率方面的技术优势能满足许多公司的需求。

在大批量生产中，例如在中国生产数百万台功率在1到10千瓦之间的电动机，我们的设计可以大幅削减成本。限制原材料的成本对大批量生产而言尤为重要。我们已经证明，我们的电机原材料成本明显低于传统电机的原材料成本。
2017年，电动机销量达数千万甚至数亿台，总销售额约970亿美元。它们的平均效率仍然低于90%。根特大学对第一个样机进行的测试表明，我们的无轭轴向磁通电机的效率达到了91%到96%。这还只是样机。发动机和发动机系统的电力消耗约占全球电力消耗的53%。我们预计，将全球所有发动机的效率提高1%，发动机的电力消耗就能减少94.5太瓦时，二氧化碳排放量就会减少6000万吨。无轭轴向磁通机器即便只取代一部分老式机器，也可以为客户节省成本，让地球更宜居。作者：Daan Moreels,Peter Leijnen