轴向磁通电机的技术优势及提高功率密度的方法研讨
磁通路径方向示意图
轴向磁通与径向磁通电机结构示意图
单定子/单转子结构：1个转子+1个定子，结构简单紧凑，但单边磁拉力大，轴承负荷大，振动噪音大，存在定转子摩擦风险，降低电机寿命；
单定子/双转子结构：2个外定子+1个内转子，功率密度高，比较适合牵引系统、航空航天等领域；
双定子/单转子结构：2个外转子+1个内定子，具有良好的对称性，单边磁拉力相对较小，较适合于风力发电系统；
多定子/多转子结构：多个定子+多个转子，适合大转矩场景，如船舶推进系统、大型风力发电及水利发电机组等。
轴向磁通电机组合结构
轴向磁通电机的优势
体积小、重量轻：YASA 公司为轴向磁通电机先驱，据 YASA 官网数据，其轴向磁通电机体积、质量分别为 5L和24kg，而普通车用径向磁通电机体积、质量分别为10L和50kg，轴向磁通电机符合汽车轻量化趋势，同时结构紧凑、径向长度更短，安装自由度高。
高扭矩密度&功率密度：轴向磁通永磁电机的有效磁表面积位于电机转子的表面，而不是外径，因此在一定体积内通常能提供更大的扭矩，进而提升扭矩密度和功率密度。据YASA官网数据计算，其轴向磁通电机扭矩密度和功率密度分别达160Nm/L和14.9kW/kg，4 倍于传统车用径向磁通电机。
高效率：得益于较短的一维磁通路径，轴向磁通电机的效率很高，通常超过 96%，可媲美或优于市场上最好的二维径向磁通电机。轴向磁通电机在各个功率级别下均比普通径向电机节能15%-25%左右，并能维持更长时间的峰值功率输出。
YASA的轴向磁通电机结构
低噪音和振动：由于磁场分布均匀，轴向磁通电机在运行时产生的噪音和振动较低，尤其适合对噪声和震动要求严格的应用场景。
节能降碳：轴向磁通电机的体积、重量优势能让生产制造环节铜、铁、永磁等材料消耗与径向永磁电机相比减少50%左右，如考虑无铁心PCB定子技术，轴向电机的生产耗铜量能降至径向电机的34%。同时其自重更小、效率更高，在应用中电机消耗电能更低、驱动能力更强，有利于实现节能降碳。
以下是一些可以提高轴向磁通电机功率密度的方法：
优化电机结构：采用如中间单转子双定子结构，这种结构可获得最小转动惯量和较优的散热条件，中间转子受到的两个相互抵消的磁拉力，可提高轴承使用寿命并减少机械损耗，有利于电机的稳定性，适用于电动汽车等频繁启动的场所，且双定子都可形成旋转磁场，能提高电机的电负荷。
采用软磁复合材料：使用软磁复合材料（SMC）制作定子铁芯，可以进一步减小电机的体积和重量。SMC 具有较高的饱和磁通密度和较低的铁芯损耗，能够提高电机的功率密度。例如，江苏大学开发的轴向磁通软磁复合材料电机，同等功率下电机的体积和重量可减小为传统电机的一半。
合理选择永磁材料：常见永磁电机永磁材料可选择钕铁硼等磁性能较好的材料。考虑到定子水冷结构对温度的控制，可使用磁性能更好的钕铁硼永磁材料。除了之前提到的软磁复合材料（SMC），还可以探索使用其他具有高磁导率、低损耗特性的新型磁性材料，以进一步提高磁场能量的利用效率。
精心设计永磁体结构：永磁体的形状会影响电机的输出转矩、齿槽转矩等性能参数。例如采用扇形双向斜极的永磁电机结构，便于电机结构参数优化，以提高输出性能，同时要注意减小漏磁产生的损耗以及尽量降低齿槽转矩和转矩波动。
确定合适的永磁体厚度：依据电机磁动势平衡关系预估永磁体磁化方向长度的初值，然后通过具体电磁计算校验，使电机空载工作点满足一定要求，同时需考虑电机最大过电流时的去磁能力，以确定永磁体最终磁化长度。
研发新的磁钢设计技术：如意大利 csiro 研究所采用的 halbach 矩阵电机磁钢设计技术，可以提高转矩脉动、降低噪音等性能。
优化磁极形状和排列：深入研究不同磁极形状和排列方式对电机性能的影响，找到更优的设计方案。例如，采用特殊形状的磁极或非均匀磁极间距等。
改善磁路设计：通过精确的磁路分析和设计，减少漏磁和磁阻，使磁场更加集中和高效地传递，从而提高转矩输出。
优化定子冲片设计：定子冲片可采用合适厚度的硅钢带，选择合适的槽数、槽形，需满足定子绕组线圈电流密度和热负荷限制，保证有充足的截面积，同时协调考虑线下工艺要求以及机械强度和工艺限制，选择合理轭高和齿宽。
采用先进的绕组方式：例如分数槽、集中式绕组，其可以减少线圈绕组间相互干扰，增强电机的容错能力，缩短绕组端部悬垂部分，减少铜耗和铜线用量，提高铜材利用率，进而缩短电机体积尺寸，提高电机效率和功率密度。
提高制造和装配精度：轴向磁通电机的气隙面积较大，对表面平整程度和间隙均匀程度要求高，高精度的制造和装配有助于减少磁路损耗，提高电机性能。
应用先进的制造工艺：例如 3D 打印技术，能够制造出更复杂、更精确的电机部件，有助于优化电机结构，提高功率密度。
创新绕组方式：研究新的绕组拓扑结构，如同向环形绕组等，突破传统电机绕组理论的局限，可能获得更高的转矩密度和效率。
集成化设计：将电机与其他相关部件（如逆变器、控制器等）进行更紧密的集成，减少系统的体积和连接损耗，提高整体效率和功率密度。
优化冷却系统：良好的冷却设计可以有效地带走电机运行时产生的热量，降低绕组和铁芯的温度，从而提高电机的过载能力和功率密度。例如采用油冷散热等更高效的冷却方式。
减轻电机重量：在不影响电机结构强度和性能的前提下，采用轻量化的设计和材料，降低电机的自身重量，间接提高功率密度。
应用智能控制策略：利用先进的控制算法，如模型预测控制、自适应控制等，实时优化电机的运行状态，以提高功率密度和整体性能。
进行多目标优化：综合考虑电机的转矩密度、效率、成本等多个目标，通过优化算法找到最优的设计参数组合。
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总 结
