[導(dǎo)讀]這個世界正在迅速實現(xiàn)電氣化。生產(chǎn)工藝、汽車、卡車、摩托車、飛機(jī)正像愛迪生一個多世紀(jì)前預(yù)言的那樣朝電氣化邁進(jìn)。大范圍的電氣化有著相同的原因：電氣化有著更安靜的操作、更低的維護(hù)需求、更高的性能和效率以及更靈活的能源使用優(yōu)勢。
這個世界正在迅速實現(xiàn)電氣化。生產(chǎn)工藝、汽車、卡車、摩托車、飛機(jī)正像愛迪生一個多世紀(jì)前預(yù)言的那樣朝電氣化邁進(jìn)。大范圍的電氣化有著相同的原因：電氣化有著更安靜的操作、更低的維護(hù)需求、更高的性能和效率以及更靈活的能源使用優(yōu)勢。
在這一偉大的電氣化進(jìn)程中，電機(jī)處于核心地位，它既可作為發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，也可作為發(fā)動機(jī)，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。
長久以來，電機(jī)都是按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，且易于制造。我們位于比利時的初創(chuàng)公司Magnax則采取了另一種設(shè)計方式，理論上可以從給定的質(zhì)量中獲取更大的能量和扭矩，并實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。我們相信，在許多應(yīng)用領(lǐng)域（尤其是電動汽車領(lǐng)域），這種全新設(shè)計可以取代舊設(shè)計。目前我們正在該領(lǐng)域進(jìn)行測試。我們其中一項設(shè)計的峰值功率密度約為15千瓦/千克。目前的發(fā)動機(jī)（如寶馬i3純電動發(fā)動機(jī)）的峰值功率密度（3千瓦/千克）只有其1/5。Magnax機(jī)器的效率也更高。
我們認(rèn)為，可以根據(jù)不同汽車制造商（及其他客戶）的需求來調(diào)整設(shè)計。如果是這樣，我們就有充分的理由相信，這種設(shè)計將會超越傳統(tǒng)設(shè)計，有助于提高性能、節(jié)約能源、降低整體運(yùn)營成本并減少碳排放，創(chuàng)造一個更美好的世界。
電機(jī)的概念很簡單。首先有一個外殼，即靜止的定子，然后加上一個旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子通常位于定子內(nèi)部，有時也在定子外部，我們稍后會討論這點(diǎn)。當(dāng)電機(jī)作為發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，定子和轉(zhuǎn)子的磁場相互作用：圍繞轉(zhuǎn)子和定子按一定策略放置的磁鐵會按順序相互排斥或吸引，以維持轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生扭矩。通過這種方式，電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。當(dāng)電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，過程則相反。
目前，這種旋轉(zhuǎn)電機(jī)因其轉(zhuǎn)子多使用永磁體（而非電磁鐵）而被稱為永磁同步電機(jī)（PMSM）。當(dāng)作為發(fā)動機(jī)運(yùn)行時，它會將交流電輸送到定子的齒部結(jié)構(gòu)，因此，定子內(nèi)的旋轉(zhuǎn)磁場會作用于轉(zhuǎn)子的永磁體，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。其最大的優(yōu)勢是，永磁體不需要能量來產(chǎn)生磁場。因此，在給定的重量和體積下，這種設(shè)計比在轉(zhuǎn)子中使用電磁鐵的電機(jī)更有效、更強(qiáng)大。永磁同步電機(jī)從20世紀(jì)80年代開始占據(jù)主導(dǎo)地位，這其中的原因很多，其中最重要的是一種更強(qiáng)大的釹基永磁材料的發(fā)展。不過，由于電機(jī)的整體布局沒有變化，新的磁鐵只能帶來漸進(jìn)式的改進(jìn)。要進(jìn)一步減輕電機(jī)的重量、縮小尺寸并壓縮成本，必須從根本上重新考慮電磁相互作用。這就是我們的工作內(nèi)容。我們的產(chǎn)品稱為無軛軸向磁通電機(jī)。名字有點(diǎn)拗口，稍后再作解釋。首先要了解的是，人們已經(jīng)知道軸向磁通拓?fù)渚哂袃?nèi)在的優(yōu)勢，只不過似乎無法從商業(yè)上利用這些優(yōu)勢，主要是因為基于這些優(yōu)勢的設(shè)計很難借助自動化程序大規(guī)模生產(chǎn)。
開始設(shè)計發(fā)動機(jī)之前，我們必須克服一個根本性的問題：沒有商業(yè)軟件可以精確地同步模擬軸向磁通電機(jī)的電磁和熱力學(xué)特性。不過，比利時根特大學(xué)的彼得?塞爾讓（Peter Sergeant）和昂德里克?萬松佩爾（Hendrik Vansompel）從2008年就開始研究這個問題。他們的研究加上Magnax公司多年的研發(fā)和原型設(shè)計，催生了我們的設(shè)計和制造方法。
傳統(tǒng)的徑向通量電機(jī)的轉(zhuǎn)子位于定子內(nèi)。定子由一個支撐部件——磁軛組成，磁軛裝有含電磁鐵線圈的齒部。因此，齒部起到了磁極的作用。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，其磁極每次掃過定子的齒部時都會傳輸通量，而定子則將通量帶到其他地方，關(guān)閉了所謂的通量環(huán)。通量從轉(zhuǎn)子的永磁體穿過氣隙和定子齒部，通過磁軛形成轉(zhuǎn)換180度，再回到另一個磁體。同時，永磁體與定子齒部的旋轉(zhuǎn)電磁場的相互作用使轉(zhuǎn)子保持旋轉(zhuǎn)。
要獲得最高的效率，設(shè)計應(yīng)將轉(zhuǎn)子和定子齒部之間的氣隙縮至最小，因為空氣影響通量傳輸。我們的軸向磁通電機(jī)顛覆了傳統(tǒng)電機(jī)的構(gòu)造。它使用兩個轉(zhuǎn)子，分別置于定子兩側(cè)，起到了支撐作用。在這種結(jié)構(gòu)中，定子僅僅是電磁齒部的托架，而非轉(zhuǎn)子的支撐物或磁軛。換句話說，定子可以無軛——這就是產(chǎn)品名稱中包含這個詞的原因。去除約占定子鐵芯2/3的鋼筒形磁軛可以大大減輕電機(jī)的重量。無軛電機(jī)與老式磁軛軸向發(fā)動機(jī)相比，功率密度增加了1倍，是傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)（如寶馬i3發(fā)動機(jī)）的4倍。通過減少電機(jī)的鐵損耗，它還提高了效率。鐵損耗原因有二。首先，在定子中，交流電對鐵芯反復(fù)磁化和消磁會消耗能量，這一過程稱為磁滯損耗；第二是通過鐵芯的不同磁通量造成了渦流損耗。這種設(shè)計具備了較高的功率密度，其中還有其他原因。在本設(shè)計中，磁通量從第一個轉(zhuǎn)子輪盤上的永磁體通過定子鐵芯，到達(dá)第二個轉(zhuǎn)子輪盤上的永磁體，這是一條相對短而直的路徑。借助這種單向性，Magnax使用僅適于單向通量的晶粒取向鋼，可以進(jìn)一步將鐵芯通量損耗降低85%。這種鋼不能用于傳統(tǒng)的徑向通量發(fā)動機(jī)或發(fā)電機(jī)，因為在傳統(tǒng)機(jī)器中，通量從轉(zhuǎn)子通過定子，再回到轉(zhuǎn)子——這是一個多向路線。Magnax公司與蒂森克虜伯鋼鐵公司緊密合作，設(shè)計了層狀晶粒取向芯部。這種設(shè)計還有其他優(yōu)點(diǎn)：在我們的無軛軸向磁通設(shè)計中，定子需要的銅大約是同等功率和扭矩徑向通量發(fā)動機(jī)的60%，轉(zhuǎn)子需要的磁性材料大約是同等功率和扭矩徑向通量發(fā)動機(jī)的80%。
理論上說，所有這些優(yōu)點(diǎn)都會降低電機(jī)的成本、減輕電機(jī)的重量并提供更高的扭矩，但實際上制造這樣的機(jī)器要面對多項嚴(yán)峻的工程挑戰(zhàn)。最明顯的挑戰(zhàn)就是要找到方法來取代傳統(tǒng)的磁軛功能。在傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)中，磁軛會固定定子齒部，并提供將線圈中的熱量輸送到發(fā)動機(jī)外殼的熱通道。當(dāng)磁通量流回到原始來源時，它還會充當(dāng)閉合回路的路徑。
首先，Magnax公司必須解決機(jī)械方面的挑戰(zhàn)。由于沒有磁軛來連接單個定子齒，因而必須找到另一種解決方案來制造具有足夠強(qiáng)度和剛度的定子，使之即便在強(qiáng)大電磁力的作用下也能牢牢固定住定子齒。接下來是熱量問題。由于繞組深埋在定子內(nèi)部和兩個轉(zhuǎn)子輪盤之間，它們產(chǎn)生的熱量很難散發(fā)。提升冷卻性能可以增加電機(jī)的標(biāo)稱功率，即實際輸出的機(jī)械功率。使用磁軛的老式軸向磁通設(shè)計通過在磁軛中集成冷卻通道來冷卻線圈。不過，這種結(jié)構(gòu)中熱量會通過磁軛，而鐵并不適于輸送熱量。Magnax的設(shè)計中沒有磁軛，因此我們需要找到另一種方法來直接冷卻線圈。另一個挑戰(zhàn)是制造。由于定子和繞組頗為復(fù)雜，現(xiàn)有的軸向磁通電機(jī)制造起來困難重重。因此直到現(xiàn)在，此類電機(jī)往往依然無法實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。這些挑戰(zhàn)提高了成本，限制了應(yīng)用范圍，目前大多數(shù)商用軸向磁通設(shè)計中都存在這些問題。不過，無軛概念帶來了更簡單的繞線方案，可以節(jié)省人力。因此，冷卻成為了最大的挑戰(zhàn)之一。在英國，另一家無軛軸向磁通電機(jī)開發(fā)商YASA提出了可制造電機(jī)概念；該公司使用了石油冷卻，并在英國建立了自己的工廠進(jìn)行批量生產(chǎn)。Magnax的設(shè)計則采用了一種更靈活的冷卻方案。
Magnax的方案可以使用多種冷卻劑，尤其是空氣、水-乙二醇和油。對于無人機(jī)和兩輪、三輪電動汽車（在印度很流行），空氣冷卻是首選。它也適用于大型機(jī)器，如風(fēng)力發(fā)電機(jī)。液體冷卻與齒輪箱組合使用則更適合最大功率密度，因此多用于汽車。我們首先層壓鋁或銅散熱器，使其與繞組緊密接觸。散熱器會將熱量輸送到外圍，通過散熱鰭片或水冷套管將熱量帶走。這種方法提高了機(jī)器的散熱能力，能夠產(chǎn)生更大的公稱扭矩和更高的功率，而且能使定子結(jié)構(gòu)非常結(jié)實穩(wěn)固。這意味著電機(jī)可以承受很大的扭矩，而且非常耐用。目前，我們的重點(diǎn)是為汽車原始設(shè)備制造商及其供應(yīng)商定制發(fā)動機(jī)。由于軸向磁通電機(jī)軸向長度較短，因此動力傳動系也可以很短。這樣，汽車制造商就可以把發(fā)動機(jī)、變速器和電子設(shè)備整合到電動汽車的車橋上，這個總成叫做電驅(qū)動橋。這些發(fā)動機(jī)也可用于混合動力汽車，在混合動力汽車中，引擎和電力驅(qū)動系統(tǒng)的組合往往只能給發(fā)動機(jī)留下狹小的空間。我們的設(shè)計也可應(yīng)用于車輪內(nèi)，構(gòu)成車輪總成的一部分。這種配置有很多優(yōu)勢，例如，可以通過改變每個車輪的扭矩來駕車，這種技術(shù)被稱為扭矩矢量控制技術(shù)。不過，把發(fā)動機(jī)置于車輪內(nèi)會增加非簧載質(zhì)量（汽車懸架和路面之間的部分），這可能會使旅途更顛簸。因此，輪內(nèi)發(fā)動機(jī)節(jié)省的每一克重量都很重要。
一家歐洲汽車制造商目前正在測試一種輪內(nèi)發(fā)動機(jī)汽車，這種汽車使用了4臺“外轉(zhuǎn)式”Magnax發(fā)動機(jī)。發(fā)動機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分位于外部（而不是在內(nèi)部或軸上），因此非常適合集成在車輪總成極其緊湊的空間內(nèi)。這樣一來，它的功率密度是傳統(tǒng)電機(jī)的2倍，提升了啟動效率。雖然大多數(shù)汽車都沒有將發(fā)動機(jī)安裝在車輪內(nèi)，但不少汽車確實配備了不止一臺發(fā)動機(jī)。事實上，使用多臺發(fā)動機(jī)的汽車更能夠從我們的產(chǎn)品中受益。配備的發(fā)動機(jī)越多，就越需要輕巧、緊湊的發(fā)動機(jī)。我們已經(jīng)計算出，在沒有磁軛及其相關(guān)鐵損耗的情況下，只有一臺發(fā)動機(jī)的汽車行駛里程可以增加7%，有兩臺發(fā)動機(jī)的汽車行駛里程可以增加20%?？梢韵胂筮@對電動汽車最昂貴部件——電池——的進(jìn)一步影響。如何將這一概念引入批量生產(chǎn)是目前面臨的主要挑戰(zhàn)；Magnax將聯(lián)手生產(chǎn)合作伙伴應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。我們在制造電機(jī)上投入了大量時間，從而證明了我們的電機(jī)是可以生產(chǎn)的。這一能力加上用料節(jié)省，使我們的設(shè)計概念在價格上具有競爭力，這是我們從小眾市場轉(zhuǎn)向原始設(shè)備制造商的關(guān)鍵。我們正在建立的裝配線將能夠生產(chǎn)不同直徑的發(fā)動機(jī)。計劃到2022年每年生產(chǎn)2.5萬臺電動機(jī)，并逐步擴(kuò)大到數(shù)十萬臺。過去的兩年里，我們收到了數(shù)百家公司的詢價，他們有意購買用于電動摩托車、卡車和其他電動汽車的不同直徑的發(fā)動機(jī)。另外還有風(fēng)力渦輪機(jī)和工業(yè)設(shè)備制造商詢價。這些特定的市場并不是我們的優(yōu)先市場，但廣泛的需求表明，我們在緊湊、功率和效率方面的技術(shù)優(yōu)勢能滿足許多公司的需求。
在大批量生產(chǎn)中，例如在中國生產(chǎn)數(shù)百萬臺功率在1到10千瓦之間的電動機(jī)，我們的設(shè)計可以大幅削減成本。限制原材料的成本對大批量生產(chǎn)而言尤為重要。我們已經(jīng)證明，我們的電機(jī)原材料成本明顯低于傳統(tǒng)電機(jī)的原材料成本。2017年，電動機(jī)銷量達(dá)數(shù)千萬甚至數(shù)億臺，總銷售額約970億美元。它們的平均效率仍然低于90%。根特大學(xué)對第一個樣機(jī)進(jìn)行的測試表明，我們的無軛軸向磁通電機(jī)的效率達(dá)到了91%到96%。這還只是樣機(jī)。發(fā)動機(jī)和發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的電力消耗約占全球電力消耗的53%。我們預(yù)計，將全球所有發(fā)動機(jī)的效率提高1%，發(fā)動機(jī)的電力消耗就能減少94.5太瓦時，二氧化碳排放量就會減少6000萬噸。無軛軸向磁通機(jī)器即便只取代一部分老式機(jī)器，也可以為客戶節(jié)省成本，讓地球更宜居。作者：Daan Moreels,Peter Leijnen
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