車輛中心 產業發展處 鄭冠淳

電動車的動力系統，在10年前發展初期曾有過「感應與永磁馬達之爭」，在領導車廠─Tesla最終也改為永磁馬達後，目前市售超過90%的電動車用馬達都是永磁馬達，業界普遍認為馬達已發展到極致，只剩下繞組與層數的細部改善，未曾料到，2023年6月Benz與子公司YASA發表的最新技術─軸向馬達，顛覆所有人的認知、引起產業界的震驚。

圖1、2023年6月Benz發表軸向馬達技術

資料來源：Benz、YASA，車輛中心整理

軸向馬達：200年前科學家─法拉第未能實現的夢想

目前市面上所有馬達，包含車用、工業及各式用途，均是屬於徑向馬達（Radial flux motor），由Thomas Davenport於1837年所發明，但其實在1821年著名科學家Michael Faraday（法拉第），更早提出另一種構想─軸向馬達（Axial flux motor），其在理論上是更完美、更理想的形式，但當年製造工藝無法完成這種技術，包含轉子盤和定子盤間的間隙公差要求、緊湊體積的散熱問題、轉子盤受力後的偏轉問題以及永久磁鐵的需求。因此馬達技術在起點的分叉路口上，退而求其次選擇了體積較大的徑向馬達，在60年後另一位著名科學家Nikola Tesla也嘗試過軸向馬達，仍沒有成功。自此之後，馬達領域全力發展各類型徑向馬達（如感應、永磁及磁阻等），接著內燃機技術出現被汽車產業採用，軸向馬達再無人提起。

YASA軸向馬達：更小的尺寸、更大的扭力

YASA此次發表的軸向馬達，相較傳統徑向馬達，由於運作原理的不同，使其在相同輸出功率下，只需要1/3的體積；並且由於其轉子只需要一層永磁不需要堆疊多層永磁，使永磁和矽鋼片用量大幅減少，重量也只有原本的1/3；最後在扭力層面，傳統徑向馬達由於外層是定子，內層是轉子，導致實際轉子的半徑有限，而軸向馬達則可以使用近乎於外殼全部半徑的轉子，依扭力等於力乘以半徑的公式，使其在相同外殼半徑尺寸下，擁有2倍的扭力。

圖2、YASA軸向馬達與傳統徑向馬達的比較

資料來源：YASA，車輛中心整理

YASA僅為軸向馬達的開端，技術面仍有許多發展潛力

為何軸向馬達會有如此優異的表現？這要從運作原理說起，如圖3所示，傳統徑向馬達是由外部的定子包覆內部的轉子，因此其法拉第定律的磁通（Flux）運作方向是垂直於旋轉軸（內外），故名為徑向（Radial）；相反地，軸向馬達是一種類似三明治的結構，由轉子前後包夾著定子，其磁通方向是平行於旋轉軸（前後），故名為軸向（Axial），所以兩種馬達其實是完全相反的設計，而如果摒棄過去對馬達的既有認知，會發覺軸向馬達存在巨大的設計優勢，首先軸向馬達明顯的可以做的更薄；而且由於前面提到的轉子半徑差異，可以擁有更大的扭力；並且由於其磁通路徑是一維的單向直線，使其在矽鋼片上能使用理論上更理想的GOES（Grain-oriented electrical steel）鋼材，這種材料在製程時晶體有特別排列，使其在特定方向的磁通量密度能比普通鋼材高。

圖3、軸向馬達運作原理與類型

資料來源：Kahourzade & Uddin（2014），車輛中心整理

軸向馬達依其組成方式可以分成四種，依其複雜程度由左至右，此次YASA所發表的軸向馬達屬於第三種SSDR（Single-stator Double-rotor）類型，為單定子與雙轉子的組合，學術中又稱為Torus（環形）結構，YASA的創新之處在於融合兩種子類別（NS-Torus與NN-Torus），並採用無Yoke（定子最外圍的殼體）設計，專利名稱為YASA（Yokeless And Segmented Armature），即為公司名稱由來。因此也可發現，理論上還存在更複雜的第四種結構，軸向馬達仍有優化空間，YASA的發表僅僅是個開端，汽車產業的軸向馬達最終會是哪種型態仍未可知。

小結

YASA公司來自於英國牛津大學，在2007年發表YASA技術（Woolmer，2007）後，於2009年成立同名公司，歷經10年少量搭載在各品牌跑車上的嘗試（Jaguar、Ferrari及Lola），2021年Benz宣布全資收購YASA，興建年產能10萬台的工廠，2023年6月Benz發表Vison One-11電動概念車以及搭載的YASA軸向馬達技術，正式向全世界宣告，軸向馬達於汽車產業應用的可行性，並預計搭載在未來AMG車系。對於產業的影響，主要在於其體積可以大幅縮小且扁平化，不僅相較於現有技術有顯著的提升，並有利於發展電動車的終極目標─輪鼓馬達，在其他電動運具上也被看好，例如電動航空器（飛機與無人機）及體積更小的二輪運具（機車與自行車），若後續發展順利，此次的技術發表可能會是電動運具歷史上一個劃時代的里程碑。