少數(shù)派技術(shù)：軸向磁通電機(jī)，梅賽德斯-奔馳的新能源之路

【編者按】“真理往往掌握在少數(shù)人手中”。當(dāng)前的少數(shù)派可能成為未來(lái)的多數(shù)派，就像正在走向多數(shù)派的汽車(chē)電動(dòng)化和智能化一樣。但少數(shù)派又常常被忽略，不被理解。

百度有駕特推出《少數(shù)派》欄目，關(guān)注面向汽車(chē)電動(dòng)化和智能化的少數(shù)派技術(shù)，探尋擁有全新商業(yè)邏輯的少數(shù)派模式，輸出站在多數(shù)人對(duì)立面的少數(shù)派觀點(diǎn)。讓“少數(shù)派”也能被“多數(shù)派”看見(jiàn)。

本文為《少數(shù)派》欄目的第3篇，關(guān)注被奔馳押寶的“小眾”新能源技術(shù)——軸向磁通電機(jī)。

早在1821年，英國(guó)物理學(xué)法拉第（Michael Faraday）發(fā)現(xiàn)，變化磁場(chǎng)能夠在封閉電路中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)能，這就是著名的電磁感應(yīng)現(xiàn)象。

法拉第用一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的金屬圓盤(pán)置于磁鐵的磁場(chǎng)中，并用電流表測(cè)量圓盤(pán)邊沿和軸心之間的電流。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，電流表發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，證實(shí)回路中出現(xiàn)了電流，也就是說(shuō)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?/p>

為證明電磁感應(yīng)現(xiàn)象所打造的這臺(tái)主要依賴(lài)金屬圓盤(pán)加磁鐵的機(jī)器就是歷史上第一臺(tái)發(fā)電機(jī)。值得一提的是，它是一種軸向磁通電機(jī)。

雖然軸向磁通電機(jī)自誕生至今已過(guò)去超過(guò)200年，比汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的歷史還要長(zhǎng)。但由于電磁計(jì)算難度大、材料選型難、工藝難度大等問(wèn)題，軸向磁通電機(jī)長(zhǎng)期無(wú)法成為驅(qū)動(dòng)汽車(chē)前進(jìn)的動(dòng)力系統(tǒng)。當(dāng)下的新能源汽車(chē)幾乎全部采用徑向磁通電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

然而，這樣的情況正在逐漸產(chǎn)生變化。軸向磁通電機(jī)已經(jīng)初步開(kāi)始在新能源汽車(chē)上進(jìn)行搭載，并有望在未來(lái)10年內(nèi)進(jìn)入大規(guī)模量產(chǎn)時(shí)代。

2023年6月中旬，梅賽德斯-奔馳發(fā)布了全新Vision One-Eleven電動(dòng)概念車(chē)，展示其面向未來(lái)的電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)。值得一提的是，這款概念車(chē)就配備了兩個(gè)來(lái)自YASA的軸向磁通電機(jī)。

新概念車(chē)發(fā)布半個(gè)多月后，百度有駕受邀參與了梅賽德斯-奔馳組織的小型媒體溝通會(huì)，與該公司動(dòng)力系統(tǒng)與電力驅(qū)動(dòng)部門(mén)研發(fā)負(fù)責(zé)人康斯坦丁·奈斯（Konstantin Neiß）就YASA的軸向磁通電機(jī)進(jìn)行了深入交流。

從交流中可以感受出，奈斯在談到Y(jié)ASA軸向磁通電機(jī)的未來(lái)是十分興奮。那么，這一小眾產(chǎn)品讓他如此興奮的原因何在？我們一起來(lái)探索。

雖然在2023年6月發(fā)布的Vision One-Eleven只是一款概念車(chē)，但它代表著梅賽德斯-奔馳未來(lái)電動(dòng)化路線的發(fā)展方向，包括電機(jī)層面。

與目前市場(chǎng)上99%以上新能源汽車(chē)中所使用的徑向磁通電機(jī)相比，Vision One-Eleven概念車(chē)上搭載的這款YASA軸向磁通電機(jī)擁有重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還具備大扭矩的特征。

在徑向磁通電機(jī)中，底部都需要設(shè)計(jì)一個(gè)定子磁軛。并對(duì)其進(jìn)行銅線繞組。但是YASA在軸向磁通電機(jī)中取消了定子磁軛這樣的結(jié)構(gòu)。這一全新的設(shè)計(jì)，不僅讓電機(jī)的體積大幅縮減，還實(shí)現(xiàn)了重量的明顯降低。

由于整體結(jié)構(gòu)更加緊湊，因此軸向磁通電機(jī)的半徑增加對(duì)于扭矩的提升幅度會(huì)大大優(yōu)于徑向磁通電機(jī)。借

助結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)與扁線繞組技術(shù)的結(jié)合，YASA軸向磁通電機(jī)可以提供最高800N·m的扭矩。

與此同時(shí)，YASA的軸向磁通電機(jī)采用油冷技術(shù)對(duì)電機(jī)進(jìn)行降溫。通過(guò)這種更加直接的冷卻的方式，可以大幅提升冷卻效果，讓電機(jī)穩(wěn)定地進(jìn)行高功率輸出。這一方面有利于電機(jī)設(shè)計(jì)更高的功率，另一方面也有利于讓車(chē)輛擁有更持久的強(qiáng)勁動(dòng)力。

如果要達(dá)到市場(chǎng)上常見(jiàn)的250馬力輸出功率性能，一般的徑向磁通電機(jī)重量大約為45～50kg，而同樣的YASA軸向磁通電機(jī)的重量?jī)H為20kg。此外，YASA電機(jī)的體積僅為徑向磁通電機(jī)的三分之一，卻在扭矩方面達(dá)到了后者的4倍。

尺寸更小、重量更輕，且能夠長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行大功率輸出，再加上更加昂貴的價(jià)格。也難怪，這樣的產(chǎn)品會(huì)優(yōu)先在超跑這類(lèi)高價(jià)格、高性能的產(chǎn)品上進(jìn)行商業(yè)化落地。

然而，高昂的價(jià)格并不會(huì)長(zhǎng)期成為軸向磁通電機(jī)的標(biāo)簽。據(jù)奈斯介紹，與傳統(tǒng)徑向電動(dòng)機(jī)相比，YASA軸向磁通電機(jī)所使用的材料更少。這意味著，該產(chǎn)品將有機(jī)會(huì)成為成本更低、對(duì)環(huán)境更友好的選擇，從而推向更廣闊的市場(chǎng)。

更輕、更小、更大扭矩、更低成本……這些優(yōu)勢(shì)顯然是說(shuō)服梅賽德斯-奔馳全資收購(gòu)YASA公司最重要的理由。

談到Y(jié)ASA，我們不得不從一個(gè)名叫Tim Woolmer的牛津大學(xué)博士生說(shuō)起。

2005年，正在牛津大學(xué)讀書(shū)的Tim Woolmer被拉進(jìn)了一個(gè)氫能跑車(chē)的項(xiàng)目中。分配給他所在團(tuán)隊(duì)的任務(wù)是，為世界上第一輛氫跑車(chē)設(shè)計(jì)、建造和測(cè)試電力傳動(dòng)系統(tǒng)。

為了保證這款氫能跑車(chē)的性能，他們需要讓電機(jī)擁有足夠高的扭矩。然而，受限于車(chē)輛的設(shè)計(jì)，這款產(chǎn)品所要搭載的電機(jī)必須足夠輕便。

但Tim Woolmer很快發(fā)現(xiàn)，市面上能夠滿足其動(dòng)力需求的電動(dòng)機(jī)都太重了，平均重量在50～100kg之間，而這款跑車(chē)?yán)硐氲碾姍C(jī)重量則是20kg以下。現(xiàn)實(shí)與理想之間的差距過(guò)于懸殊，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是通過(guò)優(yōu)化就能迅速拉近的。

經(jīng)過(guò)對(duì)一系列已有資料進(jìn)行研究之后，Tim Woolmer發(fā)現(xiàn)了環(huán)形軸向磁通電機(jī)有機(jī)會(huì)滿足該項(xiàng)目對(duì)性能、體積、重量等多維度的需求。這款全新的電機(jī)移除了電機(jī)中的定子磁軛以減輕重量和減小體積。他還通過(guò)提高電機(jī)扭矩來(lái)提升該電機(jī)的性能。

2008年，搭載著Tim Woolmer與自己博士生導(dǎo)師共同開(kāi)發(fā)的首臺(tái)YASA電機(jī)的Morgan LIFEcar概念車(chē)正式亮相。

2009年，牛津大學(xué)旗下技術(shù)轉(zhuǎn)讓公司ISIS Innovation向Tim Woolmer提出了商業(yè)化建議，并表示愿意為其投資150萬(wàn)英鎊（約合人民幣1400萬(wàn)元）。當(dāng)年9月，YASA公司正式成立，Tim Woolmer擔(dān)任該公司的創(chuàng)始人兼CEO。在成立的第一年，該公司的銷(xiāo)售額就達(dá)到了200萬(wàn)英鎊。

2015年，搭載6臺(tái)YASA軸向磁通電機(jī)的DriveeO PP03在派克峰國(guó)際爬山賽上獲得冠軍。該車(chē)的最大功率超過(guò)1000kW。2016年，DriveeO PP100以8分57秒領(lǐng)先第二名25秒的巨大優(yōu)勢(shì)再次奪冠。該車(chē)搭載了7臺(tái)YASA電機(jī)，最大功率達(dá)到了1190kW。

但受限于技術(shù)、成本等因素，在成立十余年后的今天，YASA公司旗下產(chǎn)品仍然僅出現(xiàn)在一些小規(guī)模量產(chǎn)的

交通工具上，比如插電混動(dòng)超跑科尼賽格Regera、法拉利SF90等。

2021年，梅賽德斯-奔馳宣布完成對(duì)YASA公司的收購(gòu)。根據(jù)收購(gòu)條款，YASA將成為梅賽德斯-奔馳的全資子公司，開(kāi)發(fā)超高性能電機(jī)，但同時(shí)保留自己的品牌、團(tuán)隊(duì)和設(shè)施，并繼續(xù)為現(xiàn)有的超跑客戶提供服務(wù)。只是Tim Woolmer職位從CEO變?yōu)镃TO。

隨著這一次收購(gòu)的完成，梅賽德斯-奔馳和YASA公司都進(jìn)入了發(fā)展的新篇章。

早在收購(gòu)?fù)瓿芍?，梅賽德?奔馳與YASA公司就已經(jīng)研究在一款搭載軸向磁通電機(jī)的跑車(chē)。該車(chē)將于2025年左右推出，并成為全球首款搭載YASA軸向磁通電機(jī)的純電動(dòng)車(chē)型。

然而，隨著合作和交流越來(lái)越深入，梅賽德斯-奔馳與YASA看到了一個(gè)更有趣的未來(lái)：加速軸向磁通電機(jī)走向更廣闊的市場(chǎng)。

還在牛津上學(xué)時(shí)，Tim Woolmer就展現(xiàn)了巨大的“野心”。在他看來(lái)，軸向磁通電機(jī)和徑向磁通電機(jī)在未來(lái)的關(guān)系就像是盤(pán)式剎車(chē)和鼓式剎車(chē)在當(dāng)下的關(guān)系。未來(lái)，全球民用車(chē)市場(chǎng)將更多采用軸向磁通電機(jī)，就像當(dāng)前的轎車(chē)大都使用盤(pán)式剎車(chē)一樣。

簡(jiǎn)而言之，Tim Woolmer希望通過(guò)YASA讓軸向磁通電機(jī)取代徑向磁通電機(jī)的市場(chǎng)地位。

梅賽德斯-奔馳方面則非常清楚，他們?cè)谖磥?lái)將離不開(kāi)軸向磁通電機(jī)，而且也看到了軸向磁通電機(jī)走向大眾化市場(chǎng)的機(jī)會(huì)。

“在21世紀(jì)中期，如果要為高性能電動(dòng)汽車(chē)選擇電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的話，我們肯定只會(huì)選擇軸向磁通電機(jī)。因?yàn)樗某叽绾椭亓孔銐蛐?。在只能放入一個(gè)徑向磁通電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，我們可以放入兩個(gè)軸向磁通電機(jī)，這意味著我們能獲得更強(qiáng)勁的動(dòng)力。”奈斯在與媒體交流時(shí)表示。

梅賽德斯-奔馳要的不止是軸向磁通電機(jī)的供應(yīng)，還想要這項(xiàng)技術(shù)的所有IP和知識(shí)產(chǎn)權(quán)，以便在未來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)中占得先機(jī)。

“就像在內(nèi)燃機(jī)時(shí)代，我們會(huì)跟其他的汽車(chē)制造商分享發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等方面的技術(shù)，我們也會(huì)在電動(dòng)化時(shí)代向其他汽車(chē)生產(chǎn)商分享電機(jī)技術(shù)，但我們要避免競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手們獲得YASA的這些知識(shí)產(chǎn)權(quán)。”奈斯強(qiáng)調(diào)。

面向未來(lái)，梅賽德斯-奔馳將與YASA公司一起研發(fā)更多品類(lèi)的軸向磁通電機(jī)，并這些電機(jī)放在不同定位的產(chǎn)品中去。在梅賽德斯-奔馳看來(lái)，YASA軸向磁通電機(jī)能夠讓汽車(chē)的整體設(shè)計(jì)能帶來(lái)更大空間。

得益于重量更輕、體積更小，電機(jī)可以被挪動(dòng)到車(chē)輪到輪轂或其他位置，以大大減少對(duì)車(chē)內(nèi)空間的擠占。車(chē)輛的這部分空間的利用就將有無(wú)限想象，既可以交給動(dòng)力電池以提升續(xù)航里程，也可以為乘員或后備箱留出更多空間，甚至可以借此改變車(chē)身結(jié)構(gòu)已滿足更多元化的用車(chē)需求。

耗材更少的特點(diǎn)，也讓軸向磁通電機(jī)在未來(lái)的供應(yīng)鏈體系更加成熟之后可能擁有比徑向磁通電機(jī)更強(qiáng)的成本優(yōu)勢(shì)。屆時(shí)，新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)或許就到了改朝換代的時(shí)候了。

目前，YASA還在英國(guó)的牛津擁有一個(gè)小型的生產(chǎn)工廠，但在2022年，他們將開(kāi)始在德國(guó)啟動(dòng)一家新工廠。這家工廠將擴(kuò)大產(chǎn)能，以滿足未來(lái)的大規(guī)模量產(chǎn)需求。

隨著梅賽德斯-奔馳的加入和投資，YASA軸向磁通電機(jī)有望在未來(lái)幾年實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化，并在汽車(chē)電動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

未來(lái)，我們有理由期待更多汽車(chē)制造商對(duì)軸向磁通電機(jī)的關(guān)注與采用，這項(xiàng)技術(shù)將為新能源汽車(chē)的發(fā)展帶來(lái)更多可能性。