【新质引擎】
◎本报记者 何 亮
当前，径向磁通电机为绝大多数电动汽车、工业驱动装备和消费电子产品提供动力。然而，它正迎来一位强大的挑战者——轴向磁通电机。
不久前，我国轴向磁通电机在全球范围内首次实现批量生产，对比传统电机，其在同等性能下自重减轻50%，尺寸缩减50%，金属材料节约50%……
此前，轴向磁通电机一直停留在实验室阶段，直到上海盘毂动力科技股份有限公司（以下简称“盘毂动力”）联合中国科学院宁波材料技术与工程研究所（以下简称“宁波材料所”）及产业链上下游企业，全面攻克轴向磁通电机材料、工艺、制造设备等各种“卡脖子”技术难题，正式建立全球首条轴向磁通电机规模化量产线，才使我国轴向磁通电机实现规模化、产业化落地。
比传统马达更有“力气”
电机，俗称“马达”，是利用电磁感应定律将电能和机械能相互转换的装置。按照内部磁通方向的不同，电机分为轴向磁通电机和径向磁通电机。
径向磁通电机中，定子和转子套叠布置，磁力线垂直于转轴穿过气隙，整体像个“套筒”。轴向磁通电机与之相反，定子和转子沿轴向排列，磁力线平行于转轴穿过气隙，看起来像个“汉堡包”。盘毂动力创始人韩军告诉记者，二者看似简单的结构差异却带来截然不同的性能效果。
在电机外径相同的情况下，轴向磁通电机的转子半径更大，而且有多个面一起出力。打个比方，就像推一个转盘，手放在离圆心越远的地方，同样的力气产生的转动效果越强；多个人从不同方向同时推，合力自然更大。所以，在永磁材料和铜线用量相同时，轴向磁通电机能输出更大的扭矩。测算数据显示，轴向磁通电机比传统径向磁通电机的转矩密度提高30%以上。通俗地说，就是用相同的材料，轴向磁通电机能多出三成以上的“力气”。
但轴向磁通并非新生事物。21世纪初，英国牛津大学研究团队及德国马勒集团等已开始研究这一领域，东欧的一些国家也有公司开展特种轴向磁通电机研究，并将其应用于飞机螺旋桨推进等特殊场景，却始终没有形成大规模工程应用。
彼时，国内轴向磁通电机领域也只有小批量样机问世，直到2015年后，国产电动汽车迅猛发展，局面随之改观。动力电池重、占用体积大，整车减重和空间利用需求变得非常强烈。而轴向磁通电机凭借体积小、重量轻、出力大的优势，一跃成为电动汽车生产厂商眼中的“香饽饽”。韩军直言：“是电动汽车，或者说移动电动载具的发展，推动轴向磁通电机走向批量生产。”
市场需求催生科技发展。2016年盘毂动力在上海成立，并率先实现全球产业化验证，成为国内第一家完全独立自主、全栈自研，开展轴向磁通电机技术研发、生产制造和推广应用的科技创新型企业。如今，盘毂动力已建成多条轴向磁通电机量产线，真正实现了轴向磁通电机的规模化生产。
使高温磁性能更稳定
制造高性能轴向磁通电机，有一道绕不过去的坎儿——永磁材料。
电机工作时，温度会不断上升，而用于制造轴向磁通电机的钕铁硼永磁体（又称钕铁硼磁钢）对温度极其敏感。温度一升，它的磁性能就往下掉，电机也跟着“没劲”，输出动力明显减弱。
过去，工程上常见的办法是加大电流“补劲儿”，相当于靠“多给电”硬撑，治标不治本。盘毂动力与宁波材料所合作，换了个思路——从材料本身入手，提升钕铁硼永磁体本身高温磁性能的稳定性。
合作的目标也很明确：在130℃—150℃这一区间，让钕铁硼永磁体对温度变化的敏感度降下来。宁波材料所的科研人员从元素成分入手，发现有些元素能帮该永磁体“稳住阵脚”。加入这些元素后，在永磁体晶体边界形成的过程中会有中间相析出，就像给晶体结构加了“筋骨”，能让它更稳定。但问题也接踵而来，元素添加比例是多少、晶体会长成什么形状……这些都没有现成答案，只能一轮一轮试验。
试验过程并非一帆风顺。温度稳定性提升了，磁能积或矫顽力可能又下降了；添加改进元素，硬度等物理特性又发生了变化。此消彼长中，研发团队必须找到一个平衡点。他们采用DOE（试验设计）方法交叉比对，用了近两年时间才将永磁体材料配方逐步收敛到可行阶段。
在实验室里做出配方只是第一步。宁波材料所还要进行中试、调整工艺，盘毂动力则要提指标、做验证，确认新材料的磁性能和机械性能，再把原材料变成元器件。“工程化阶段往往是两三个配方上机试、跑路况，最终筛选出最优解。”盘毂动力联合创始人于河波说。
经过近5年科研攻关，研发团队从磁性材料配方优化、微观结构调控、高温稳定性改良等维度持续迭代，研制出PGH高性能专用磁钢。它有效破解了通用磁钢在高速、高温、高负荷工况下容易退磁、性能衰减快的行业痛点，其磁能积和抗交变退磁能力也大幅提升。
尤其是基于PGH高性能专用磁钢开发的轴向磁通电机，有效功率密度达到25.73千瓦/千克，意味着电机的每一千克有效材料都可输出25.73千瓦的强劲动力，且其最高转速突破1.8万转，实现了轴向磁通电机转速的历史性突破。
在盘毂动力，像这种自研或联合开发的轴向磁通电机专用材料还有许多种。
让新型电机应用范围更广
在我国，盘毂动力是当前唯一一家实现轴向磁通电机大规模量产的企业，也就是说，其在浙江省金华市兰溪市建成的年产10万台套生产线，不仅拥有自主知识产权，而且生产线使用的多为非标准化装备。
于河波告诉记者，由于长期缺乏成熟的供应链，制造轴向磁通电机装备的许多关键部件买不到，或者买来的不好用。盘毂动力只能组建团队，自己研发、制造设备，再服务产线生产。
“我们在生产工艺与专用装备领域，自主研发93类生产设备，完成151道工序的工艺规划与设备布局，产线支持多品类柔性共线生产与一体化成型。”于河波说。
轴向磁通电机要走向大规模量产，最难的是说服客户采用这条技术路线。行业内曾流行一句话：“别人都做不出来，凭什么你们能做？”面对这样的质疑，盘毂动力的办法笨拙但有成效。
于河波直言：“我们把实物做出来，装到车上，测出数据。用客观事实告诉客户，‘你看这就是收益’。”
2020年，盘毂动力轴向磁通电机开始批量应用于公交车的轮边驱动系统；2024年，在重型卡车集成式电驱桥中逐步上量；如今，在人形机器人、低空飞行器等工业领域也开始拓展应用。客户从最初的不相信，到慢慢支持、逐步采用。于河波预测，未来3—5年，将是轴向磁通电机技术成熟、成本下探、全面产业化的关键期，它将成为新能源与高端装备的核心驱动力。
轴向磁通电机的量产之路证明，新成果的产业化，往往不是单点突破，而是整条链条的协同打通。
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