軸向磁通電機的原理和優(yōu)勢

01什么是軸向磁通電機？

按照磁通路徑方向，電機可分為軸向磁通電機與徑向磁通電機，雖然磁通方向不同，但是工作原理都遵從電磁學的基本定律。

即電機驅(qū)動器通過改變通過線圈(轉(zhuǎn)子)的電流的方向和大小，從而控制線圈（轉(zhuǎn)子）的的磁場強度和方向，由于定子的磁極固定，當轉(zhuǎn)子的磁場方向和強度發(fā)生變化時，磁場相互作用產(chǎn)生洛倫茲力，從而驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

磁通路徑方向示意圖

軸向磁通電機定子的磁極沿著軸線排列，轉(zhuǎn)子通常是一個圓柱形的結(jié)構(gòu)，磁通通過轉(zhuǎn)子的中心軸線，當電流通過定子的繞組時，產(chǎn)生的磁場沿著軸線方向穿過轉(zhuǎn)子，根據(jù)洛倫茲力定律，這個磁場會在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生力矩，從而驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

軸向磁通電機的氣隙呈平面型，軸向長度短，為薄盤型形狀，故又稱盤式電機。

軸向磁通與徑向磁通電機結(jié)構(gòu)示意圖

軸向磁通電機的拓撲結(jié)構(gòu)組合靈活，可以根據(jù)實際的應(yīng)用場景進行組合。根據(jù)定轉(zhuǎn)子組合結(jié)構(gòu)，軸向磁通電機可分為以下四種結(jié)構(gòu)：

單定子/單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)：1個轉(zhuǎn)子+1個定子，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，但單邊磁拉力大，軸承負荷大，振動噪音大，存在定轉(zhuǎn)子摩擦風險，降低電機壽命；

單定子/雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)：2個外定子+1個內(nèi)轉(zhuǎn)子，功率密度高，比較適合牽引系統(tǒng)、航空航天等領(lǐng)域；

雙定子/單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)：2個外轉(zhuǎn)子+1個內(nèi)定子，具有良好的對稱性，單邊磁拉力相對較小，較適合于風力發(fā)電系統(tǒng)；

多定子/多轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)：多個定子+多個轉(zhuǎn)子，適合大轉(zhuǎn)矩場景，如船舶推進系統(tǒng)、大型風力發(fā)電及水利發(fā)電機組等。

軸向磁通電機組合結(jié)構(gòu)

02軸向磁通電機的優(yōu)勢與局限

軸向磁通電機的優(yōu)勢

體積小、重量輕：軸向磁通電機體積、質(zhì)量分別為 5L和24kg，而普通車用徑向磁通電機體積、質(zhì)量分別為10L和50kg，軸向磁通電機符合汽車輕量化趨勢，同時結(jié)構(gòu)緊湊、徑向長度更短，安裝自由度高。

高扭矩密度&功率密度：軸向磁通永磁電機的有效磁表面積位于電機轉(zhuǎn)子的表面，而不是外徑，因此在一定體積內(nèi)通常能提供更大的扭矩，進而提升扭矩密度和功率密度。

高效率：得益于較短的一維磁通路徑，軸向磁通電機的效率很高，通常超過 96%，可媲美或優(yōu)于市場上最好的二維徑向磁通電機。軸向磁通電機在各個功率級別下均比普通徑向電機節(jié)能15%-25%左右，并能維持更長時間的峰值功率輸出。

軸向磁通電機結(jié)構(gòu)

低噪音和振動：由于磁場分布均勻，軸向磁通電機在運行時產(chǎn)生的噪音和振動較低，尤其適合對噪聲和震動要求嚴格的應(yīng)用場景。

節(jié)能降碳：軸向磁通電機的體積、重量優(yōu)勢能讓生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)銅、鐵、永磁等材料消耗與徑向永磁電機相比減少50%左右，如考慮無鐵心PCB定子技術(shù)，軸向電機的生產(chǎn)耗銅量能降至徑向電機的34%

同時其自重更小、效率更高，在應(yīng)用中電機消耗電能更低、驅(qū)動能力更強，有利于實現(xiàn)節(jié)能降碳。

軸向磁通電機的局限

成本問題：軸向磁通電機需要特殊的材料和制造工藝，因而制造成本通常高于傳統(tǒng)的徑向磁通電機。例如，使用無磁軛拓撲結(jié)構(gòu)和特殊的定子轉(zhuǎn)子設(shè)計，會導(dǎo)致成本增加。

設(shè)計和生產(chǎn)的復(fù)雜性：軸向磁通電機的設(shè)計和生產(chǎn)通常會比較復(fù)雜，比如需要保持轉(zhuǎn)子和定子之間氣隙均勻，運行時的軸向力可能會對電機軸造成嚴重拉力，制造工藝和機械設(shè)備不如徑向電機成熟，這些都限制了規(guī)模化生產(chǎn)的能力。

軸向磁通電機的剖面圖

散熱難題：由于軸向磁通電機的繞組位于定子深處和兩個轉(zhuǎn)子盤之間，散熱非常困難。電機在高負載下運行時會出現(xiàn)過熱問題，影響電機的性能和壽命。