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近日,梅赛德斯-奔驰旗下的电机制造商YASA的首席技术官Tim Woolmer在领英(LinkedIn)上分享了称之为“一项新的世界纪录”的数据:YASA开发的原型机实现了同类电机有史以来最高的功率密度,重量仅为13.1kg,功率可达550kW,相当于功率密度为42kW/kg。
他进一步列举了具体的数据:670V,850Arms,峰值功率持续5秒。13.1kg的重量数据包含了最终应用中使用的磁性和机械部件(电机外壳、转子结构和轴),启动温度约为50°C。
作为对比,Woolmer发文提及,Equipmake 2023年推出的 HPM-400 电机,重量30kg,400kW功率,功率密度达13.3 kW/kg;Helix 进一步提高了标准,电机实现重量28kg,功率650kW ,功率密度达23kW/kg。
但是,梅赛德斯-奔驰和Yasa均未就该记录发布官方声明或外部验证。
据悉,YASA成立于2009年,专注于紧凑型轴向磁通电机。2021 年,YASA被梅赛德斯-奔驰收购;2023 年,梅赛德斯-奔驰 Vision One-Eleven 概念车搭载 Yasa 轴向磁通电机亮相;今年 6 月,梅赛德斯-奔驰推出了 AMG GT XX 概念车,该车搭载三台YASA轴向磁通电机,总输出功率可达 1,000 千瓦。
目前,尚不清楚测试的电机是否与AMG GT XX概念车中使用的发动机相同。
Woolmer还强调,这款电机并非采用钴铁叠片或3D打印部件等特殊材料的特殊研发,而是一款可量产的电机,甚至能够以合理的成本扩展到跑车产量(每年1万至5万辆),同时这也暗示着它可能会集成到即将推出的梅赛德斯AMG GT XX等车型中。
01.
YASA,技术领衔+产能破局
轴向磁通电机,并不是一项全新技术,早在200多年前关于轴向磁通电机的研究就已经开始了。1821年,英国物理学法拉第(Michael Faraday)发明了世界上第一台盘式电机,也就是轴向磁通电机的雏形,法拉第发现变化磁场能够在封闭电路中产生电动势能,这就是著名的“电磁感应”现象。
轴向磁通电机 “高功率密度、高效率、紧凑结构” 的核心优势源于其独特的圆盘式结构和轴向磁场设计,然而受限于材料与工艺的限制,反而是径向磁通电机(当下电动汽车广泛使用的电机)得到了进一步的发展。
YASA突破性的创新是将轴向磁通电机分割成离散的“极片”,因此可以使用软磁复合材料(SMC)制造电机。SMC 可以低成本压制成各种 3D 形状,这消除了对复杂叠片的需求,克服了轴向磁通电机的主要制造挑战,同时还极大地简化了绕组,并最终改变了冷却能力。
在冷却方面,YASA采用了扁线和油冷的技术组合,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。
产品方面,YASA现有2款主打产品:P400R和750R。
P400R 电机提供多种扭矩和功率组合,旨在简化各种应用的集成。它拥有良好的峰值性能和轻量化封装,提供一流的扭矩和功率密度,以及多种机械和冷却选项。
750R 是一款低速高扭矩电机,电机扭矩和功率密度远超同级别其他电机。它可提供 700Nm 的峰值扭矩和 200kW 的峰值功率,转速范围为 0-3250 rpm,轴向长度仅为 98mm。
应用方面,早期捷豹 CX75 概念车配备搭载了 4 个 YASA 电机;2013 年,YASA Motors 为改装的 Lola LeMans 原型车提供动力,该原型车创下了当时低于 1000 公斤的电动陆地速度纪录;2015 年和 2016 年,YASA 动力赛车在著名的派克峰爬坡赛中取得了总冠军,并首次以电动汽车跑了 9 分钟以下,与此同时,YASA电机在科尼赛克 Regera 中首次亮相量产公路车;2018年和2021年,YASA 提供的电机在水上(2018 年)和空中(2021 年)都创下了速度纪录。
产能和订单方面,2018 年,YASA 在英国牛津附近的基德灵顿正式开设了第一家电机批量生产工厂,随后在威尔士的威尔士浦成立了专业控制器开发团队。基于此,2019 年,YASA 宣布法拉利成为其首个量产的 OEM 客户,并为其量产了突破性的混合动力跑车 Stradale SF90;2021 年,YASA 成为梅赛德斯-奔驰的全资子公司,负责为梅赛德斯-奔驰 AMG.EA 纯电动平台开发电机。
除此之外,2024 年,YASA 与超级跑车巨头兰博基尼汽车公司宣布建立电动驱动合作伙伴关系,首先为 Revuelto V12 混合动力超级跑车开发优化的高性能电动推进系统。
在此基础上,今年晚些时候,这一战略技术合作伙伴关系推出了兰博基尼高性能电动汽车 (HPEV) 系列的第二款车型——兰博基尼 Temerario,该车型配备双涡轮增压 V8 混合动力系统,配备三个 YASA 轴向磁通电机。
2025年,YASA投资1200万英镑,在牛津开设了英国首家轴向磁通超级工厂,占地60,000平方英尺,进一步提升YASA的制造能力,年产量突破25,000台。
02.
轴向磁通,国内也是“高频词”
总的来看,轴向磁通电机是高性能、轻量化应用的理想选择,但成本和技术成熟度限制了其普及。随着制造技术突破(如自动化绕组、模块化设计),未来有望在高端交通和工业领域替代传统电机。
国内方面,也有诸多企业有技术和产品的布局。
智新科技,在产品布局上推出了自主研发的轴向磁通电驱动总成。去年年底,智新科技首款轴向磁通分布式电驱样机下线。该产品采用中央分布式架构,深度集成双轴向磁通电机、双行星排及双电机控制器,单电机重量仅23kg,可输出225kW峰值功率及670Nm扭矩,转矩密度高达29.1Nm/kg。
此外,该产品采用定子塑封、浸没式油冷结构,大幅提升散热效率,改善行业轴向磁通电机温升的难题。同时,基于800V+SiC模块化一体板电控设计,实现各轮驱动/制动转矩独立可控,具备高机动性和高可靠性,更易实现车辆主动控制,支持整车实现“坦克掉头”、“圆规掉头”。
红旗通过轴向磁通电机极槽配合正向设计使电机峰值转矩提升5%以上,采用分层绕组及分块磁钢,极大降低电机涡流损耗,磁钢降损达90%,绕组降损达60%,提升电机整体效率及能量密度,显著优化产品性能。
2023年7月,红旗首台高转矩密度轴向磁通轮毂电机样机成功试制下线,该轮毂电机采用跑车级的双转子单定子轴向磁通电机技术方案,峰值扭矩达700Nm,相比同等条件下的径向磁通轮毂电机体积减小50%、重量减轻50%,续航里程相比传统集中驱动方式提高了5%-10%,达到了行业领先水平。
星驱科技同样通过布局轴向磁通电机等技术方案进一步实现小型化目标。星驱科技轴向磁通电机结构紧凑、扁平超薄、体积小、转矩密度高,电机持续功率输出能力强。参数方面,峰值功率≥220kW,峰值扭矩≥350Nm,最高转速≥12000rpm,最高效率≥97.60%。
在应用场景落地方面,盘毂和奇瑞联合开发的增程发电系统就是采用的轴向磁通电机做发电机,将发电机的转子和曲轴进行直联,在结构上取消了飞轮和扭转减震器,用前后转子替代,实现了发电机和发动机的深度集成优化。既保证运行平稳可靠的同时,还能降低增程器的质量。
通过将逆变器和发电机共用壳体的架构方式,可以将增程器整体减重达到30%以上,系统轴向尺寸缩减30%以上,最短可以做到160mm以内。
在今年的上海车展上,“轴向磁通”同样也是一个高频词。
宁德时代在今年上海车展展出的分布式电驱即为轴向磁通,采用800VSiC双电控,同轴布置,并集成TVC控制算法。参数方面,这款轴向磁通分布式电驱的峰值功率2*250kW、峰值扭矩6000~8000Nm、最高转速18000rpm。
盘毂动力在今年上海车展展出的PDS612DM同轴方案分布式电驱就是采用两个盘毂ICD306K轴向磁通电机,ICD306K电机峰值功率达306kW,最高转速18000rpm,有效功率密度大于21kW/kg,有效转矩密度32.5Nm/kg。整个总成轴向尺寸被控制在500mm以内,系统的总重被有效控制在95kg以内,峰值功率612kW,驱动总成的功率密度超过6.4kW/kg,包络尺寸480*450*320mm。
舍弗勒展出的分布式电驱同样也是采用的轴向磁通电机(可用径向磁通也可轴向磁通方案),该电驱总成兼容400V/800V高压平台,能够提供超过7000Nm的轮端扭矩和600kW的峰值功率。功率砖的模块的应用可用PCB嵌入式,包络尺寸430*500*389mm(可定制化)。
轴向磁通电机的 “高功率密度、高效率、紧凑结构” 使其在新能源汽车(驱动电机)、风电(直驱式发电机)、机器人(关节驱动)、航空航天(无人机动力)等场景中具有显著优势。
在基础能效方面,轴向磁通电机和径向磁通电机是相似的。两者都能实现高效的能量转换,轴向磁通电机由于其高扭矩密度和紧凑的设计,特别适合需要长时间高功率输出的应用场景。这种特性也使得轴向磁通电机非常适合高性能车型。
但受限于 “高成本、低成熟度”,短期内难以替代径向磁通电机在通用工业中的地位。随着制造工艺进步和成本下降,其应用范围有望进一步扩大。
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