轴向磁通电机的技术优势及提高功率密度的方法研讨
轴向磁通电机，又称为盘式电机，是一种电机类型，其磁场沿电机的轴向分布，即磁通方向与电机转轴平行。与传统的径向磁通电机不同，轴向磁通电机的定子和转子呈盘状平行布置，气隙是平面型的。电机驱动器通过改变通过线圈(转子)的电流的方向和大小，从而控制线圈（转子）的的磁场强度和方向，由于定子的磁极固定，当转子的磁场方向和强度发生变化时，磁场相互作用产生洛伦兹力，从而驱动转子旋转。磁通路径方向示意图轴向磁通电机定子的磁极沿着轴线排列，转子通常是一个圆柱形的结构，磁通通过转子的中心轴线，当电流通过定子的绕组时，产生的磁场沿着轴线方向穿过转子，根据洛伦兹力定律，这个磁场会在转子中产生力矩，从而驱动转子旋转。轴向磁通电机的气隙呈平面型，轴向长度短，为薄盘型形状，故又称盘式电机。 轴向磁通与径向磁通电机结构示意图轴向磁通电机的拓扑结构组合灵活，可以根据实际的应用场景进行组合。根据定转子组合结构，轴向磁通电机可分为以下四种结构： 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。功率密度高是其被看重并应用的最大优势，因此，如何提高其功率密度和扭矩密度是各大电机公司主要研究的重点，综合网络上的各种信息，现对可能的技术方向加以总结，期望能使得相关从业者获得启发和借鉴。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。提高轴向磁通电机功率密度是一个综合性的问题，需要结合电机的具体应用需求、技术可行性和成本等因素进行权衡和优化。同时，不断地研究和创新也是推动技术进步的关键。不同的方法在实际应用中可能需要根据具体情况进行选择和调整，以达到最佳的效果。此外，新的研究和技术发展也可能会带来更多提高功率密度的方法和思路，建议关注相关领域的最新技术动态。例如，梅赛德斯-奔驰在2023广州车展科技创新日活动中发布了其旗下子公司 YASA 开发的创新轴向磁通电机技术。该轴向磁通电机厚度和重量仅为传统电动车径向磁通电机的三分之一，但功率密度和扭矩密度却分别提升了三倍和两倍。这款轴向电机采用双转子+单定子结构，并且采用了油冷散热和轮边布置方式。其利用平行方向展开的磁场来产生更强的磁场，在相同体积下可以达到更高的功率密度，能够持续输出更高功率。该技术将首先应用于梅赛德斯-AMG EA 纯电平台的车型上。印度的 Tresamotors 公司推出了永磁同步轴向磁通电机平台 flux350。该电机采用定子和转子盘堆叠式设置，实现紧凑且扁平的设计，有助于实现扭矩重量比和高效的电力传输，可提供高达350kW 的连续功率，成为电动卡车等重型应用的理想选择。与传统径向磁通电机相比，该电机具有更高的功率密度、优化的冷却能力以及提升的整体效率。巴西的 Weg 与巴西矿冶公司两者合作将含铌的纳米晶材料创新性地应用于轴向磁通电机。使用含铌的纳米晶体材料可以显著降低电机在高频率下的磁损耗，大大提高了电机的效率水平并降低了工作温度，从而提高了电机的功率密度。实验证明，含铌的纳米晶材料使电机的总损耗显著降低了53%，与传统电机制造材料硅钢相比，其效率水平显著提高了6.7个百分点。另外，三门峡速达交通节能科技股份有限公司的“24槽10极轴向磁通电机及电动车辆”专利中，电机采用分数槽、集中式绕组，分数槽绕组可以用较少的槽数获得较多的极数，使线圈绕组间相互干扰较少，增强了电机的容错能力，线圈绕组的端部悬垂部分较短，可以减少铜耗和铜线用量，提高铜材的利用率，缩短电机体积尺寸，减轻电机重量，提高电机效率和功率密度，降低 制造成本。国内布局轴向磁通电机产业的部分公司介绍： 浙江盘毂动力科技有限公司：通过近8年的深入研发，突破了轴向磁通电机大规模量产应用的多项难题，在全球范围内率先实现轴向磁通电机大批量产业化应用。其产品功率密度达到8.17kW/kg，远超国内外各项电机中长期规划目标，产品性能世界领先。该公司已申报各类专利达到1190项，在轴向磁通电机领域排名遥遥领先。目前，盘毂动力轴向磁通电机产品已广泛应用于新能源汽车、工程机械、工业制造等领域。杭州中豪电动科技有限公司：这是一家专业从事“新型高功率密度轴向磁通电机技术”产业化的国家级高新技术企业。其依托自主研发的轴向磁场永磁同步电机产品，形成了集高效节能、超薄超轻、高扭矩密度、模块集成等特色优势为一体的特有性能优势，在过去3年实现了在增程器系统、混动系统、上装系统、发电机组等多个领域的成功应用和批量供货。该公司共申请各类知识产权专利超过100项，在国内轴向磁通电机领域排行领先。 上海磁雷革传动系统有限公司：磁雷革传动系统是电机驱动系统提供商，其主要产品包括轴向磁场永磁同步电机、基于 igbt 和 sic mosfet 的电机控制器和高速齿轮箱等。公司致力于开发高功率密度、轻量化的轴向磁通动力系统解决方案，可应用于赛车和商用车等领域，能减轻动力总成重量，提升车辆性能，增加负载和续航里程。磁雷革传动系统在新能源汽车传动领域具有一定的技术实力和市场竞争力，注重技术创新和产品质量，致力于为客户提供高效、可靠的电机驱动系统解决方案。总 结轴向磁通电机作为一种具有独特优势的电机类型，其发展趋势令人充满期待。在未来，市场对高效能、高功率密度驱动的需求持续上扬，行业从业者们只要持续创新、积极应对，轴向磁通电机必将在未来的动力领域占据重要地位，为推动各行业的发展贡献巨大力量。 免责声明：以上观点仅代表作者个人看法，与本平台无关。文档图片版权归各汽车公司所有，分享本文仅供学习参考，切勿用于商业用途，如涉及版权问题，请第一时间告知我们删除，非常感谢。 来源：电动新视界
