技术分析｜轴向磁通电机的优势及技术现状

来源：电动千人会

(图片由 YASA 提供）

轴向磁通量电机可改变动力系统的设计方式，将其从车轴移至车轮内部。

与径向磁通电机相比，轴向磁通电机具有许多电动汽车设计优势。

动力轴

一种新型电机--轴向磁通电机--正在电动汽车领域受到越来越多的关注。多年来，轴向磁通电机一直用于电梯和农业机械等固定应用，但在过去十年中，许多开发人员一直致力于改进技术，使其适用于电动摩托车、机场吊舱、运货卡车、电动汽车甚至飞机等应用。传统的径向磁通电机在电场中使用永磁体或感应电机，目前正在进行广泛的开发，以优化其重量和成本。不过，这也只能到此为止，因此，转而采用轴向磁通等完全不同的机器类型可能是一个不错的选择。与径向电机相比，轴向磁通永磁电机的有效磁表面积是电机转子的表面，而不是外径，因此在一定体积内，轴向磁通永磁电机通常能提供更大的扭矩。这使得轴向磁通电机更加紧凑；与径向电机相比，轴向长度更短，而这对于轮内电机等应用来说往往是至关重要的因素。由于结构纤细轻巧，因此与同类径向电机相比，功率密度和扭矩密度更高，而且无需高速运转。轴向磁通电机的效率也很高，通常超过 96%。这得益于较短的一维磁通路径，其效率可媲美或优于市场上最好的二维径向磁通电机。电机更短，通常是原来的 5 到 8 倍，重量也减轻了 2 到 5 倍。这两个因素改变了电动汽车电动平台设计者的选择。

轴向磁通技术

轴向磁通电机有两种主要拓扑结构--双转子单定子（有时称为环形机器）和单转子双定子。目前，大多数永磁电机都采用径向磁通拓扑结构。在这里，磁通回路从转子上的永久磁铁开始，经过定子上的第一个齿，然后沿定子径向流动。然后穿过第二个齿，到达转子上的第二个磁铁。在双转子轴向磁通拓扑结构中，磁通回路从第一块磁铁开始，沿轴向穿过定子齿，然后立即到达第二块磁铁。这意味着磁通路径比径向磁通机器短得多，从而使相同功率下的电机体积更小，功率密度和效率更高。相比之下，在径向电机中，磁通穿过第一个磁齿，然后通过定子返回到下一个磁齿。磁通还必须遵循二维路径。

由于轴向磁通机的磁通路径是一维的，因此可以使用晶粒取向电工钢。这种钢材使磁通更容易通过，从而提高了效率。径向磁通电机传统上使用分布式绕组，多达一半的绕组因悬挂在磁铁上而不工作。由于线圈悬空会导致额外的重量、成本、电阻和更多的热量浪费，因此设计改进了绕组方法。轴向磁通量机器的线圈悬垂要少得多，有些设计还使用了集中或分段绕组，这些绕组完全处于工作状态。由于定子中的磁通路径断裂，分段式径向定子机器会带来额外的损耗，但这对轴向机器来说不是问题。线圈绕组的设计是区分供应商的关键所在。

发展

然而，轴向磁通电机在设计和生产方面面临着一些严峻的挑战，尽管具有技术优势，但其成本却远远高于径向电机。人们对径向电机的了解十分透彻，制造方法和机械设备也一应俱全。轴向电机的一个主要挑战是在转子和定子之间保持均匀的气隙，因为磁力比径向电机大得多。双转子轴流式机器还存在热问题，因为绕组位于定子深处和两个转子盘之间。这使得散热非常困难。轴向磁通电机也很难制造，原因有很多。采用无磁轭拓扑结构的双转子电机（即去掉定子的铁轭，但保留铁齿）克服了一些问题，同时还避免了扩大电机直径和磁体的需要。不过，去掉铁轭会带来新的挑战，例如如何在没有机械轭连接的情况下固定和定位单个铁齿。消除热量也是一个更大的挑战。由于转子盘对转子产生吸引力，因此生产转子并保持所需的气隙公差也很困难。然而，转子盘之间通过轴环直接相连，因此力会相互抵消。这意味着内部轴承不承受这些力，其唯一的作用是将定子保持在两个转子盘之间的中间位置。虽然双定子单转子机器不会面临环形机器的挑战，但定子的设计要复杂得多，而且难以实现自动化。由于它不同于任何传统的径向磁通机器，制造工艺和机械直到最近才出现。在机器制造过程中适应气隙也很困难，因为这需要精确控制关键部件的制造公差。这就导致定子设计复杂得多，难以实现自动化和批量生产，并使电机成本居高不下。

电动汽车

可靠性在汽车行业中至关重要，而如何证明不同轴向磁通电机的可靠性和坚固性，使制造商相信这些电机适合大规模生产，一直是一项挑战。这促使轴流电机供应商开展了广泛的验证计划，每家供应商都能证明其电机的可靠性与传统的径向磁通类型无异。

径向和轴向电机的比较(由 Magnax 提供）

轴向磁通电机中唯一会磨损的部件是轴承。由于轴向磁通设计的长度相对较短，因此轴承之间的距离更近，而且轴承的尺寸通常也略微 "偏大"。此外，轴向通量电机的转子质量较小，承受的旋转动力轴载荷也较小，因此施加在轴承上的实际力要比径向通量电机小得多。轴向电机的首批应用之一是电子轴。较薄的宽度可将电机和变速箱封装在车轴中。在混合动力应用中，电机较短的轴向长度反过来又缩短了传动系统的总长度。下一步是将轴向电机安装在车轮上。这样，动力就可以直接从电机传递到车轮，提高了电机的效率。由于省去了变速器、差速器和传动轴，系统的复杂性也降低了。不过，目前似乎还没有出现标准配置。每个原始设备制造商都在研究特定的配置，因为轴向电机的不同尺寸和外形尺寸会改变电动汽车的设计。电机的功率密度更高，这意味着与径向电机相比，可以使用更小的轴向电机。这就为车辆平台提供了新的设计选择，例如电池组的放置位置。

通量效率

晶粒导向钢不能用于径向磁通机器，因为这些机器中的磁通路径是非线性的二维路径。在无磁轴向磁通拓扑结构中，钢的晶粒取向与磁通路径方向相同，因此可以使用效率更高的晶粒取向电工钢作为磁芯。晶粒取向材料在滚动（轴向）方向上的低损耗和高磁导率可将定子铁芯损耗降低 85%，并使电磁转矩略有增加。提高轴流式电机功率的一种方法是将多台机器叠加在一个水冷外壳内。这为特定应用的设计提供了很大的灵活性，并使生产技术更加标准化。某些电动汽车应用需要直驱电机概念。无齿轮设计大大降低了复杂性和维护要求。轴向磁通电机在零转速时就能提供额定扭矩，这一点与轴向磁通电机非常吻合。对于轮内设计，效率在较低的转速范围内得到优化，通常轮速在 400 至 2000 rpm 之间。只有活动部件（例如定子和两个转子）可以集成到原始设备制造商的动力总成概念中。在电动车桥系统中，较小体积的电机可为 OEM 市场提供紧凑的动力总成设计。

分段式电枢

YASA（无转子和分段电枢）电机拓扑结构是双转子单定子拓扑结构的一个范例，可降低制造复杂性，实现自动化批量生产。这些电机在 2000-9000 rpm 的转速下，功率密度可达 10 kW/kg。它使用一个专门的控制器，可为电机提供 200 千伏安的电流。控制器的体积为 5 升，重量为 5.8 千克，包括介质油冷却热管理，适用于轴向磁通电机以及感应和径向磁通电机。这使电动汽车原始设备制造商和一级开发商能够灵活地根据应用和可用空间选择合适的电机。较小的尺寸和重量使车辆更轻，电池数量更多，从而提高了续航里程。

无轴向通量发动机(由 YAGA 提供）

电动自行车

针对电动摩托车和四轮摩托车，我们开发了一种不同设计的交流轴向磁通电机。它从以前的直流有刷轴向磁通设计发展到交流和全密封无刷设计，并从头开始设计，用于批量生产。从直流到交流，该设计的线圈保持静止，双转子采用永久磁铁，而不是旋转电枢。这种方法的好处是无需机械换向。交流设计还允许将径向电机的标准三相交流电机控制器用于轴向电机。这有助于降低成本，因为控制器提供的是控制扭矩的电流，而不是速度。控制器需要 12 kHz 以上的频率，但这已成为这些设备的主流频率。

较高的频率源于 20 µH 的较低绕组电感。频率可控制电流，以尽量减少电流纹波，并确保尽可能平稳的正弦信号。从动态的角度来看，这样做很好，因为它能使扭矩快速变化，从而使电机的控制更加平稳。这种设计采用分布式双层绕组，因此磁通从转子通过定子流向另一个转子，路径非常短，效率更高。这种轴向磁通电机设计的关键在于，它可以在最高 60 V 的电压下工作，而不是在更高电压系统下工作。因此，它适用于电动摩托车和雷诺 Twizy 等 L7e 级重型四轮车。60 V 的最高电压使电机可以集成到主流的 48 V 电气系统中，并使维护工作更加简单。

专为电动自行车和四轮摩托车设计的轴向磁通量电机(由 Saietta 提供）

欧洲框架指令 2002/24/EC 中的 L7e 四轮摩托车规格规定，用于运载货物的车辆重量不超过 600 千克，不包括电池重量。这些车辆的载客量可达 200 千克，载货量可达 1000 千克，发动机功率为 15 千瓦。分布式绕组可提供 75-100 牛米的扭矩，峰值输出功率为 20-25 千瓦，持续功率为 15 千瓦。轴向磁通的挑战在于如何将热量从铜绕组中排出，这很困难，因为热量必须穿过转子。分布式绕组是解决这一问题的关键，因为它有大量的极槽。这样，铜和外壳之间就有了更大的表面积，热量可以传到外部，由标准的液体冷却系统排出。多磁极是利用正弦波形的关键，有助于减少波形不是完全正弦时产生的谐波。这些谐波表现为磁体和磁芯发热，而铜元件无法将热量带走。当磁铁和铁芯中的热量积聚时，效率就会下降，这就是为什么优化波形和热路径对电机性能至关重要。电机的设计也在不断优化，以实现低成本、自动化的大批量生产。挤压外壳环无需复杂的机械加工，从而降低了材料成本。线圈可直接绕制，并在绕制过程中采用粘合工艺，以保持正确的装配形状。关键的一点是，线圈由标准的市售电线制成，而铁芯则使用标准的现成变压器钢材层压而成，只需将其切割成形即可。其他电机设计需要在铁芯层压中使用软磁材料，成本可能更高。使用分布式绕组意味着磁铁不需要分段；它们可以是更简单的形状，更容易制造。减小磁铁的尺寸并确保其易于制造，对降低成本有重大影响。这种轴向磁通量电机的设计也是按客户要求定制的。客户拥有围绕基础设计开发的定制版本。然后在试验生产线上制造，以证明早期产量，该生产线可在其他工厂复制。之所以注重定制，是因为车辆的性能既取决于轴向磁通量电机的设计，也取决于车辆结构、电池组和 BMS 的质量。

设计在电动自行车摆臂上的轴向磁通量电机(由 Saietta 提供）

这种设计可以在单个冷却外壳中安装多个转子，但其限制在于可使用的电流。这意味着控制器和 BMS 是瓶颈所在。为了降低功率，该电机的底端功率范围为 4-6 千瓦。该电机还可用于船舶应用，因为它是全密封的。为了节省空间和重量，游艇上的船载电机已经对这种电机产生了兴趣，舷外电机制造商也对这种电机产生了兴趣。然而，对于电动摩托车市场来说，一个主要的缺点是难以快速方便地为摩托车充电。轴向磁通量电机在这方面有所帮助，因为它可以与电池一起集成到摆臂上，这样就可以用螺栓将其固定在自行车的车架上，从而使维护和更换变得更加简单。一些电动摩托车制造商也在研究模块化盒式电池，特别是在中国和泰国，用完的电池可以换成充好电的电池。在这种情况下，易于更换是关键所在，而且电机的薄饼形状可以使其自然地安装在电动摩托车的车架上，从而为电池组留出更多空间。

巴士和卡车

我们正在对现有的轴流式电机设计进行优化，以便用于大型电动卡车。现有设计采用双定子单转子、分布式绕组和带有螺旋绕组层压钢定子铁芯的轭，成本降低后可提供 440 千瓦的功率，足以满足 38 吨卡车的需求。新版电机将对定子进行逐步改进，特别是使用薄钢板作为层压板。新版电机将不再使用劳动密集型的外部成型槽插入式绕组，而是采用自动化设计。对于径向磁通量电机，磁铁、钢材和铜的成本以及转换成本--大批量生产的工艺--是公认的。但轴向磁通量电机的问题在于，人们对其规模化生产工艺还不甚了解。投入成本可以降低，但转换成本并不确定，因此变化很大。原则上，在给定功率重量比的情况下，轴向磁通电机可以通过降低材料成本与径向电机竞争，但转换成本是主要因素。

电子轴

轴向磁通量电机的薄饼形状适合集成到车轮中，形成轮内电机，目前有几个项目正在研究如何在恶劣环境中实现这一功能。另一种方法是在电子轴中使用轴向磁通电机。这种设计与轮内设计有类似的问题，但实施起来更简单，尤其是在已经有一个活后轴的电动卡车中。不过，将电机安装在车轴上会增加重量和复杂性，因此电机必须坚固可靠。在中小型送货卡车和小型本地公交车的电动车桥设计中，尽可能轻的电机将带来好处。

为大型卡车开发的轴向磁通量电机(由 Avid 提供）

电动飞机

无轴电机也是小型电动飞机开发的核心。例如，ACCEL 零排放飞机的目标时速为 300 多英里（480 多公里）。三个轴向电机产生 500 马力，以 2400 rpm 的转速驱动三个螺旋桨。6000 多个电池单元通过为电动方程式赛车开发的 750 V 逆变器为电机提供 750 千瓦的动力。另一种用于飞机轴向电机的方法是使用碳纤维复合材料转子，这样就不必使用铁或含铁材料，嵌入的磁铁由碳纤维带固定。转子两侧有两个定子，而不是传统的只有一个定子。定子的冷却系统设计成完全密封的装置。该系统还避免了使用任何外部活动部件，并降低了布线的复杂性，因为控制电子元件可以内置在电机中。目前，440 千瓦电机的重量为 82 千克，100 千瓦电机的重量为 22 千克；重量小于 750 克的 5 千瓦电机也在开发之中。

ACCEL 电动飞机将使用轴向磁通量电机(劳斯莱斯公司提供）

展望未来

轴向磁通量电机具有广泛的潜在应用，目前正在针对不同的功率水平、功率密度和成本点进行优化。最高功率重量比的机会总是存在的，尤其是在电动飞机领域，但在电动摩托车领域，低功率的机会也越来越多。下一阶段的电动客运和货运车辆设计将更加注重降低重量，如果能够降低成本，这将是一个关键机会。面临的挑战是，现有的永久径向磁通电机和感应电机也在进行成本优化，因此目标总是在不断变化。轴向磁通电机使用的材料较少，因此，如果能够解决热传导和批量制造方面的难题，其成本必然较低。轴向磁通电机的功率密度为 10 kW/kg，是电动汽车径向磁通电机功率密度的四倍。这意味着需要更少的铜和钢以及更小的磁铁，从而降低了成本。更轻的重量也节省了车辆内的系统成本。