[導讀]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、飛機正像愛迪生一個多世紀前預言的那樣朝電氣化邁進。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、飛機正像愛迪生一個多世紀前預言的那樣朝電氣化邁進。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程中，電機處于核心地位，它既可作為發(fā)電機，將機械能轉(zhuǎn)化為電能，也可作為發(fā)動機，將電能轉(zhuǎn)化為機械能。
長久以來，電機都是按標準設計，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)化應用。我們相信，在許多應用領域（尤其是電動汽車領域），這種全新設計可以取代舊設計。目前我們正在該領域進行測試。我們其中一項設計的峰值功率密度約為15千瓦/千克。目前的發(fā)動機（如寶馬i3純電動發(fā)動機）的峰值功率密度（3千瓦/千克）只有其1/5。Magnax機器的效率也更高。
我們認為，可以根據(jù)不同汽車制造商（及其他客戶）的需求來調(diào)整設計。如果是這樣，我們就有充分的理由相信，這種設計將會超越傳統(tǒng)設計，有助于提高性能、節(jié)約能源、降低整體運營成本并減少碳排放，創(chuàng)造一個更美好的世界。
電機的概念很簡單。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。當電機作為發(fā)動機運轉(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，電機將電能轉(zhuǎn)換成機械能。當電機作為發(fā)電機運轉(zhuǎn)時，過程則相反。
目前，這種旋轉(zhuǎn)電機因其轉(zhuǎn)子多使用永磁體（而非電磁鐵）而被稱為永磁同步電機（PMSM）。當作為發(fā)動機運行時，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，這種設計比在轉(zhuǎn)子中使用電磁鐵的電機更有效、更強大。永磁同步電機從20世紀80年代開始占據(jù)主導地位，這其中的原因很多，其中最重要的是一種更強大的釹基永磁材料的發(fā)展。不過，由于電機的整體布局沒有變化，新的磁鐵只能帶來漸進式的改進。要進一步減輕電機的重量、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。名字有點拗口，稍后再作解釋。首先要了解的是，人們已經(jīng)知道軸向磁通拓撲具有內(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)勢的設計很難借助自動化程序大規(guī)模生產(chǎn)。
開始設計發(fā)動機之前，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的電磁和熱力學特性。不過，比利時根特大學的彼得?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)和原型設計，催生了我們的設計和制造方法。
傳統(tǒng)的徑向通量電機的轉(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，設計應將轉(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顛覆了傳統(tǒng)電機的構(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的重量。無軛電機與老式磁軛軸向發(fā)動機相比，功率密度增加了1倍，是傳統(tǒng)發(fā)動機（如寶馬i3發(fā)動機）的4倍。通過減少電機的鐵損耗，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。這種設計具備了較高的功率密度，其中還有其他原因。在本設計中，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)動機或發(fā)電機，因為在傳統(tǒng)機器中，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，設計了層狀晶粒取向芯部。這種設計還有其他優(yōu)點：在我們的無軛軸向磁通設計中，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)動機的80%。
理論上說，所有這些優(yōu)點都會降低電機的成本、減輕電機的重量并提供更高的扭矩，但實際上制造這樣的機器要面對多項嚴峻的工程挑戰(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)動機外殼的熱通道。當磁通量流回到原始來源時，它還會充當閉合回路的路徑。
首先，Magnax公司必須解決機械方面的挑戰(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度和剛度的定子，使之即便在強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的標稱功率，即實際輸出的機械功率。使用磁軛的老式軸向磁通設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雜，現(xiàn)有的軸向磁通電機制造起來困難重重。因此直到現(xiàn)在，此類電機往往依然無法實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。這些挑戰(zhàn)提高了成本，限制了應用范圍，目前大多數(shù)商用軸向磁通設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開發(fā)商YASA提出了可制造電機概念；該公司使用了石油冷卻，并在英國建立了自己的工廠進行批量生產(chǎn)。Magnax的設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。它也適用于大型機器，如風力發(fā)電機。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。這意味著電機可以承受很大的扭矩，而且非常耐用。目前，我們的重點是為汽車原始設備制造商及其供應商定制發(fā)動機。由于軸向磁通電機軸向長度較短，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、變速器和電子設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)動機留下狹小的空間。我們的設計也可應用于車輪內(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，這種技術被稱為扭矩矢量控制技術。不過，把發(fā)動機置于車輪內(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)動機汽車，這種汽車使用了4臺“外轉(zhuǎn)式”Magnax發(fā)動機。發(fā)動機的旋轉(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。事實上，使用多臺發(fā)動機的汽車更能夠從我們的產(chǎn)品中受益。配備的發(fā)動機越多，就越需要輕巧、緊湊的發(fā)動機。我們已經(jīng)計算出，在沒有磁軛及其相關鐵損耗的情況下，只有一臺發(fā)動機的汽車行駛里程可以增加7%，有兩臺發(fā)動機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)合作伙伴應對這一挑戰(zhàn)。我們在制造電機上投入了大量時間，從而證明了我們的電機是可以生產(chǎn)的。這一能力加上用料節(jié)省，使我們的設計概念在價格上具有競爭力，這是我們從小眾市場轉(zhuǎn)向原始設備制造商的關鍵。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。計劃到2022年每年生產(chǎn)2.5萬臺電動機，并逐步擴大到數(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。另外還有風力渦輪機和工業(yè)設備制造商詢價。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，我們的設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，我們的電機原材料成本明顯低于傳統(tǒng)電機的原材料成本。2017年，電動機銷量達數(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%。根特大學對第一個樣機進行的測試表明，我們的無軛軸向磁通電機的效率達到了91%到96%。這還只是樣機。發(fā)動機和發(fā)動機系統(tǒng)的電力消耗約占全球電力消耗的53%。我們預計，將全球所有發(fā)動機的效率提高1%，發(fā)動機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。無軛軸向磁通機器即便只取代一部分老式機器，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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