轴向磁通电机成本比传统径向电机高,在于制造门槛和材料要求等方面被大幅拉高了,主要贵在这几个地方:
1、电机材料成本高
1.1 永磁转子成本高
(4)磁钢:为了紧凑体积下达到高功率,需要用烧结钕铁硼,且牌号高、用量大、成本高。
1.2 定子铁芯成本高
径向电机只用普通叠片硅钢,冲压、叠压、焊接全自动化产线成熟便宜;轴向磁通电机是三维磁路,无法用低成本圆柱叠片方案,有两条技术路线:
(3)铜材:集中式绕组端部短,但总用铜量往往比同功率径向电机更多。
2、制造工艺困难、成本高
2.1 异形绕组线圈成本高
(1)非金属复合材料机壳:金属壳体会产生涡流损耗,主流用玻纤/环氧复合材料模压外壳,模具、模压单件成本高于压铸铝机壳。
(2)转子盘在巨大轴向磁拉力下要防止变形,需要用特殊结构甚至碳纤维绑扎,这些都是额外的成本。
3、散热困难、成本高
3.1 轴向磁通电机的散热困境
(1)热源深、散热路径长:绕组位于两个转子间的定子夹层内(单定子双转子结构),绕组线圈被绝缘材料、气隙、磁钢等多层介质包围,热量需逐层穿过这些高热阻界面才能到达可接触冷却介质的外壳表面,也就是说,散热路径越长、界面越多,导热效率就越低。
(2)缺乏自然对流条件:传统径向电机可以通过直接注塑或者铆接离心风扇叶片依靠转子旋转形成穿膛风吹过内部风道,形成贯穿式对流带走定子线圈热量,实现自通风冷却;而轴向磁通电机的盘式结构(乘用车主流的单定子双转子结构)夹层封闭,绕组被完全包裹隔绝,电机发热核心的铜线绕组被两片永磁转子像三明治一样夹住,气隙太薄,空气很难大面积流通,绕组几乎没有任何轴向直通的通风通道,夹层内空气静态滞留,热风困在夹层内散不出去,几乎无空气交换,热量持续堆积;尤其是轮毂电机,安装环境封闭,无法依赖外部气流,自然对流几乎失效。
(3)空间受限、难以集成冷却回路:径向电机铁芯背部、机壳外壁、定子冲片内部都有径向厚度冗余,可以开槽走水路、油路;而轴向磁通电机因为超薄扁平的特色、为追求高功率密度以及外部安装环境空间的限制,设计趋向于极致扁平,分段无轭定子硅钢层厚度极薄,定子绕组和环氧灌封已经占满全部轴向尺寸,加之气隙极薄,发热量最大的定子两侧几乎没有冗余空间布置内嵌水道、油路或散热翅片。
3.2 高效散热结构复杂、成本高
径向电机圆柱结构,冷却水套简单,加工难度低。轴向磁通电机夹层定子散热路径窄,必须集成嵌入式油冷水道、双面水冷盘,定制化冷却结构复杂、成本高。
目前主流冷却方案是流道做在定子外圈结构内,但只能冷却定子外缘,而定子热量集中在盘面中部绕组,中间夹层热量传导路径长、高速持续重载温升高;想要更好的冷却效果,必须采用油冷直接冷却绕组这类复杂方案;想要直接冷却夹层气隙、转子盘面,必须设计动/静贯通油路,但这样的冷却通道需要穿越旋转与静止部件的交界处,直接面临动态密封难题,密封件老化后极易出现冷却油渗漏,污染磁钢、腐蚀绕组绝缘,带来密封、磨损与泄露风险;为了适配密封结构,必须加厚转子盘、加长轴向尺寸,直接破坏了“极致扁平”的设计初衷。
轴向磁通电机几种高效散热方案:
(1)浸没式油冷:性能好,但成本高昂
将整个电机浸泡在绝缘冷却油中,通过循环系统直接带走热量,这种冷却效率高,较为适合持续高负载场景。但也存在一定的局限:系统较为复杂、需额外油泵、油路、密封结构,成本高、维护难,较难以普及至主流乘用车,油冷系统依赖高精度密封压装,
(2)导热灌封--结构简化,牺牲可维护性:使用高导热环氧树脂或硅胶填充电机内部空隙,提升整体热传导能力。这种方式无需外部冷却回路,结构紧凑,适合轮毂有限空间。但灌封完成即不可返修,对装配洁净度与一次成功率较高。灌封工艺要求零缺陷一次成型
(3)内置微流道--精准高效,工艺敏感:在定子或转子基板中直接加工冷却通道,让冷却介质流经发热区域。通常这种热响应快,冷却效率也高,但由于多层组件需精密对位,微小错位即可导致流道堵塞,对装配精度与环境洁净度极为敏感。微流道结构则需多层组件的精密对位,任何装配环节的微小偏差,都可能导致冷却失效、绝缘破损甚至整机报废。
3.3 S-R-S结构散热效果好,但违背设计初衷
重载商用车S-R-S(中间单转子两侧双定子),两侧定子完全外露,定子壳体可大面积布置水冷腔道,两侧定子都是静止部件,冷却流道无需触碰旋转件,无动静密封泄露风险;但此结构整机厚度比R-S-R(单定子双转子)厚30%以上,大幅削弱了扁平轻薄优势,难以适应狭窄空间的布置需求。
4、研发成本分摊高
轴向磁通电机前期大量研发费用需要摊入早期产品成本中:
(1)轴向磁通不能复用传统径向电机的磁路、结构、仿真、产线、控制算法,属于全新技术路线;
(2)磁路仿真、分段定子、Halbach 磁钢排布、夹层油冷、微米级装配工装都要从零开发;头部企业研发投入动辄数亿,专利堆几百上千项;
(3)整车配套还要联合车企做整车匹配、耐久、台架、路试,配套开发费额外千万级。
(4)市场容量严重不足,摊薄周期长:国内轴向磁通电机全年有效出货量仅十万台数量级别,对比径向电机千万级年出货量完全不在一个量级;
(5)研发固定成本要分摊到每一台产品,销量越小,单件分摊的研发摊销越高,同等功率下单台比径向电机贵30%-50%,平价车型无法消化这部分溢价,会导致恶性循环:成本高→车企只敢在高端车型小批量试用→整体市场规模起不来→研发摊销持续居高不下,短期很难靠走量压低摊销。
5、供应链规模小、成本高
轴向磁通电机全产业链都是小众配套,处处溢价,核心材料与专用部件现阶段无大规模量产产能:
(1)SMC软磁粉末:传统径向用普通硅钢,轴向无轭定子必须SMC,早年仅海外厂商供货,价格是硅钢5-8倍;国内产能刚起步,产能小、单价下不来;
(2)高牌号耐高温钕铁硼磁钢:轴向气隙薄、温升高,必须N52/N55等高稳定性磁钢,专用磁钢订单量小、成本高;磁钢占整机成本40%左右,拉高成本;
(3)高导热环氧灌封胶、耐高温扁平电磁线、碳纤维箍带:都是小众特种料,采购批量小,溢价高;
(4)专用加工/装配设备稀缺,零部件加工成本贵:径向电机设备是通用成熟机床,市面随处可加工;轴向磁通需要分段定子自动绕线机、微米级同轴合装机、专用动平衡设备,设备单价高、配套加工厂少,外协加工报价高;
(5)精密配套零部件供给少:高转速超薄密封轴承、平面高精度传感器、适配扁平结构的油冷密封件,依赖少数专用厂商,采购周期长、缺少竞争压价空间,供应链缺乏充分竞争,供应商定价强势,技术溢价也推高了价格;
(6)电控配套隐性加价:轴向磁通电感极低、电流纹波大,需要更高带宽SiC 逆变器、更高算力FOC芯片,整车配套电控成本同步上浮。
供应链不成熟→单件硬件成本高→整车采购成本超标→车企不敢大批量定点投放;整车出货量上不去→上游材料、设备厂商不愿扩产配套→供应链长期小规模、高单价;同时低销量又拉长研发摊销回本周期,企业不敢继续加大降价让利,形成双向负循环。
整车平台兼容性壁垒:现有燃油/新能源底盘全部围绕圆筒径向电机设计,轴向扁平结构安装接口、冷却管路、空间布局完全不通用,车企更换需要改造底盘、产线,新增改造投入,进一步抑制采购需求,反过来加剧市场容量不足的问题。
当然,这一局面正在改变,巨头入局,已经开始在定子制造工艺上寻求突破(比如用更便宜的冲卷工艺),正向高功率密度场景(如高性能车、飞行汽车)渗透,长期成本有望下降。
▲轴向磁通电机内部结构(盘毂动力,双定子夹单转子方案,更适用商用车)

▲高性能磁钢轴向磁通电机下线(盘毂动力)
▲用于新能源车的高性能磁钢轴向磁通电机(盘毂动力)
▲用于公交车的高性能磁钢轴向磁通电机(盘毂动力)
▲重卡电驱桥搭载的高性能磁钢轴向磁通电机(盘毂动力)
▲用于汽车增程器的高性能磁钢轴向磁通电机(盘毂动力)
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