电动车千人会智库专家解密轴向磁通电机
电动车千人会
根据磁场的方向，电机可分为轴向磁通型和径向磁通型。世界上第一台电动机是由迈克尔·法拉第于1821年发明的。事实上，法拉第电机属于轴流电机，但轴流电机的进一步发展受到当时材料和技术水平的限制。相反，达文波特于1834年发明的径向磁通电机率先发展，并被称为简单电机。
目前电机的发展趋势是高速、轻量化、高效率，轴流电机在这种情况下再次受到重视。径向磁通机更为常见，并且使用时间很长。轴向磁通电机（也称为“盘式电机”），其磁通路径与普通径向电机不同，气隙是平面型的，气隙磁场方向与电机轴线方向平行。轴向磁通电机在2000年后逐渐成为研究热点。
在径向磁通电机中，磁通路径比轴向电机长得多，因为它从一个转子极到定子的第一个齿，然后通过定子硅钢到达第二个齿，直到再次到达另一个转子磁极。与径向磁通机相反，轴向磁通机具有更短且直接的磁通路径。它通过气隙直接从一个极点传到另一个极点。磁场沿着较短的路径保持较强，这有助于提高机器的效率和功率密度。
在径向磁通电机中，磁通量是个二维路径。因此，取向硅钢一般不能用于这些电机。而在轴向磁通中，磁通路径是单向的，这使得取向硅钢有了使用的可能。由于这种钢的磁导率更高，可以降低轴向磁通机中的铁损耗，并且效率可以提高2%。
在绕组方面，轴向磁通机电与径向磁通机相比具有优势。它具有更高绕组铜材利用率和更少的端部绕组浪费，增加匝数潜力大，并可以减少由端部效应引起的热量。
但是由于轴向磁通的磁场分布在一个端面，运转时容易产生较大的不平衡磁拉力，所以一般轴向磁通电机会做成双转子单定子或双定子单转子结构。
轴向磁通电机的核心技术优势在于结构上旋转转子位于定子的侧面（而非定子内部），进而转子具有更大的直径尺寸，而转矩=力×半径，因而能够在相同的力作用下获得更高的转矩输出。这意味着在提供相同永磁材料和铜线材料的前提下，能够获得更高的转矩输出。通常采用新型轴向磁通电机的设计能够比采用传统径向磁通电机的设计提升转矩密度25%以上。
轴向磁通电机的气隙半径沿整个面铺开，它扭矩密度和功率密度比径向磁通的电机天生来的大，磁性材料利用率高，这是优势，目前在赛车和特定场景商用车和非道路车辆应用前景非常不错，轴向磁通电机结构紧凑、扁平超薄、体积小、重量轻、功率密度高，逐渐应用于电动摩托车、机场吊舱、运货卡车、电动赛车、甚至电动飞机等新的应用场景，未来通过海尔贝克表贴永磁体取消转子叠片铁芯发挥它的极致性能。
但是如果要将该技术推向乘用车，需要克服热管理，成本，工艺和NVH这几个问题。
盘状结构转动惯量较大，所以转速不能太高，另外由于电磁力在面上分布，导致稍微有一点不平衡或装配气隙不均匀会带来很大的不平衡磁拉力。工艺散差和不平衡力会放大NVH问题。
对设计而言，要确保受力平衡，一般采用夹芯结构，两转子一定子，或两定子一转子。双转子单定子的设计复杂并且难以自动化。在电机的制造过程中调节气隙也很困难，因为这需要对关键部件的制造公差进行精确控制。这导致了更复杂的定子设计，使自动化和批量生产变得市场上的轴向磁通电机极对数比较高，所以电频率较高，使用IGBT无法发挥这种电机的优势，使用SiC又进一步提高了系统的价格，短时间内看不到轴向磁通电机在乘用车驱动系统中的成本优势。
双转子轴向电机也存在较难解决的热问题，因为绕组位于定子内部深处和两个转子盘之间。这使得散热变得困难。三明治结构两侧的三维磁路对称性和齿槽转矩需要特别计算，同时需要要确保冷却系统对称性，合适刚度的轴承。对于密集的的表贴永磁体和绕组，水冷难以保证每个区域的散热均匀性，如果采用内部油冷，需要仔细分析进油回油位置以及油膜在半径方向的换热系数均匀性。
对工艺而言，由于平衡磁拉力要求，转子动平衡需要特别控制。卷绕铁芯叠片，绕组，磁体的表面质量和尺寸精度要求很高。
同时由于磁体一般表贴，所以在径向和轴向受到的剪切力和离心力也是不均匀的，对于粘胶工艺，胶的厚度和固化时间等要严格控制，加上磁体本身在平行于和垂直与充磁方向方向上热膨涨系数不一致，给高负荷高速下的可靠性提出了很多挑战，对高性能应用也要考虑碳纤维包裹。
新能源汽车的永磁电机基本上全是内嵌式电机，相同用料、相同尺寸、相同成本下，内嵌式电机的功率和转矩是表贴式的80%左右。 内嵌式弱磁能力强，超速能力强，额定3500rpm时可达至到12000~18000rpm的最高转速；表贴式唯一弱点弱磁能力差，传速太高，需要巨大弱磁电流，显著降低效率。 轴向磁通电机全部为表贴式电机。所以针对新能源的高速工况需求，轴向磁通电机并不匹配。
利用粉末金属软磁复合材料（SMC）可以生产出具有突出功能的新型轴向磁通电机。突出的特征之一是能够在所有三维中有效地引导磁通量。同时可以将SMC材料的优点与传统的电工钢板材料相结合。SMC材料具有易成型、热处理工艺简单的特性，适于进行批量生产，同时因其易成型的特性，也可用于3D打印技术，使电机创新设计更加灵活多样，平衡性能和成本。
目前相关的专利已经有非常多，产业链上国内市场有一定市场应用的盘毂推商用和非道路，磁雷革推赛车，其他的大部分都在早期探索阶段。国外的YASA被本次收购后没有太多新消息，其他的也都处于融资宣传期。
可靠性在汽车行业至关重要，轴向磁通电机的可靠性和稳健性目前还难以说服制造商证明其适合大规模制造。这使得轴向电机供应商都在开展自己的定制验证计划，供应商都在试图够证明其电机的可靠性与传统径向磁通类型没有什么不同。
轴向磁通电机中容易出现磨损的部件是轴承。由于轴向磁通的设计其长度相对较短，轴承的位置更接近，而且通常也有选型的偏过设计。然而，轴向电机中转子很轻，轴承承受的转子动力载荷并没有想象的大，因此施加在轴承上的实际力远低于径向磁通电机，轴承磨损部分原因是由于轴向磁通电机部件的制造工差和装配公差带来的。
轴向电机用在赛车电驱动桥上，较薄的宽度允许将电机和变速箱及其紧凑的集成在车桥中。在混合动力应用中，对于转速不需要太高的场合，电机的短轴向长度可使传动系的总长度保持较短。
另一个特定场景应用和外转子径向磁通电机一样，将轴向电机安装在车轮上。这使得动力可以直接从电机传递到车轮，从而提高电机的效率。由于取消了变速器、差速器和传动轴，系统的复杂性也更低。电机的更高功率密度意味着与径向电机相比，可以使用更小的轴向电机。这为汽车平台提供了新的设计选项，例如电池组的放置空间可以更加充裕。目前主要问题和外转子径向电机一样，需要专有的整车底盘平台，例如Saietta的滑板底盘：
【免责声明】文章为作者独立观点，不代表电动车千人会立场。如因作品内容、版权等存在问题，请于本文刊发30日内联系电动车千人会进行删除或洽谈版权使用事宜。
