电气化世界的轴向磁通电机
电机的核心由转子和定子组成，转子围绕定子旋转。传统的定子是铁制的，往往很重，约占传统电机重量的2/3。为了减轻定子重量，有人提议改用印刷电路板（PCB）来制作定子。从一开始，用重量轻、体积薄、易于制造、耐用的印刷电路板代替铁质材料的想法就很有吸引力，但十多年来，它在草坪设备和风力涡轮机等产品中并没有得到广泛采用。不过，如今印刷电路板定子获得新生。你可以期待印刷电路板电机为所有电力驱动产品减轻重量和能耗。其起到的能源节约作用至关重要：软件可能正在吞噬世界，但电力越来越成为推动世界运转的动力。电动机消耗了全球总电力的一半多一点。据市场研究机构Imarc称，目前全球每年售出约8亿台电动机，而且这一数字还在以每年10%的速度增长。电动机广泛应用于汽车、火车、飞机、工业设备，以及暖通、通风、空调系统。交通、建筑和暖通空调的温室气体排放总量共占美国总排放量的60%左右；高效的电机有助于减少这些部门的排放。尽管印刷电路板定子有很多优势，但由于几个误解，人们未能很快地接受它。首先，人们误以为印刷电路板仅适用于精密应用。但在2011年，CORE Outdoor Power推出了吹叶机和除草机，二者均使用了印刷电路板定子，坚固耐用且没有噪声。其次，有些人又觉得印刷电路板定子只能用于低功率机器。但在2012年，Boulder Wind Power将印刷电路板定子放入直径为12米的直驱式发电机中，用于驱动输出功率为3兆瓦、扭矩超过200万牛顿米的风力涡轮机。它是有史以来运行最平稳的大功率发电机之一。然而，两家公司都没能坚持下来。Boulder Wind Power耗尽了资金，未能获得可靠的商业合同，而CORE Outdoor Power不得不在拥挤的市场中与更廉价的竞品搏杀，最终败下阵来。尽管如此，他们的开创性成果仍然展示了印刷电路板定子的可行性。时至今日，我的公司Infinitum Electric（位于美国得克萨斯州奥斯汀）开发了一种具有多用途印刷电路板定子的电机。这款电机产生的动力可媲美传统的交流感应电机，但重量和尺寸减少了一半，噪声很小，而且碳排放至少可以减少25%。该电机现已广泛应用于暖通空调、制造业、重工业以及电动汽车等。接下来说一说它的工作原理。Infinitum Electric的电机是一种轴向磁通电机，其中定子的电磁接线与包含永磁体的盘形转子平行。接通交流电流后，定子驱动转子旋转。电机是空心的，就是说没有铁质部件来调节磁通量，电机的磁性部件之间只有一层稀薄的空气。所有这些零部件组合起来就是一个空心轴向磁通永磁电机。
在过去，要制造这种电机面临着严重的实际困难。定子的制造过程很繁复，铜线绕组体积庞大，线圈的支撑结构复杂，气隙非常宽，只有大型磁体才能产生足够的磁通量。Infinitum Electric放弃使用铜绕组，改用光刻技术来蚀刻薄铜片，铜片间有环氧树脂玻璃层压板相衬隔，实现线圈与相邻线圈间绝缘。与同等的传统铁芯电机相比，弃用铁芯并减少使用铜材可减轻电机50%~65%的重量并减少50%~67%的体积。此外，铜和层压板可随温度升降同样地膨胀和收缩，避免产生应力慢慢导致部件解体。因为没有定子铁芯，我们可以在定子的两侧面对面放置两个的相同转子，每个转子都带有强大的永磁体。这可以产生恒定的磁通量。与其他轴向磁通电机一样，磁通平行于旋转轴，而非径向轴。因为磁性气隙很窄，我们只需要一个小磁体，这就是我们可以在给定的质量和体积中获得更多能量的原因。更重要的是，印刷电路板是通过自动化工艺流程制造的，这意味着其比手动绕线机的一致性和可靠性更高。我们通过简化它们的拓扑结构，使它们更加可靠。拓扑结构与电机的相位有关。相电压是指一路正弦波的交流电压，可相对于另一相电压在时间上发生相位偏移。多个相电压的变化是同步的，因此电流之和始终为零。当一个多相电压系统作用于应用电机时，每相电压都对应单独的绕组，多路电流在空间产生旋转磁场。该旋转磁场和转子磁体产生的磁场相互作用，驱动转子转动。以前的印刷电路板定子在同一层结构中混有不同相位电压的铜线，这可能会产生短路。因此，我们选择每一层结构只对应一相电压，并且最大限度地减少层与层之间电连接的数量。这种布局提供了连续的电流路径并降低了电气故障的风险。新布局的另一个优点是它让设计人员可以自由选择线圈串联或并联。串联线圈适用于三相电工业应用和下一代电动汽车；并联线圈更适合低压应用，例如电动汽车的辅助电机等。
与其他永磁电机类似，我们的轴向磁通电机同样需要变频驱动装置（VFD）来实现电机的平稳启动并按要求加速。变频驱动装置还可根据应用需求来控制电机的速度和扭矩。但是，空心设计使电机的阻抗极低（通常仅为传统铁芯电机的5%~7%），因为空气容纳的磁能要比铁少得多，因而只有很少的磁能可用于平滑变频驱动装置给电机带来的电压变化。为了弥补这一缺陷，我们添加了另一个部件：集成变频驱动装置，精准操作低阻抗电机。我们的变频驱动装置使用高效碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），降低损耗并提高整体效率。此外，变频驱动装置还可以监控电机的性能，如果客户愿意，还可以通过云功能上报结果；也可以用这种方式更新电机的软件。这种远程监控提供了多种方法节约能源、管理性能并预测何时需要维护。超薄印刷电路板能提供较高的表面积与体积比，可提高冷却效率，我们能在铜用量一定的情况下，施加2～3倍的电流。可通过电机外部和电子元件之间的散热片来实现空气冷却。去除铁芯可避免铁的周期性磁化和退磁所导致的损耗，同时还避免了金属中的涡流损耗。因此，我们的空心电机可以在额定功率的25%~100%范围内高效运转。去除铁芯同时意味着在转子转动时，转子上的磁铁将面对恒定磁阻和恒定磁场。这种设计消除了磁体和转子的涡流损耗，因此可以采用标准的非层压复合低碳钢板来制造转子。
对于普通电动机而言，其定子和转子均由铁磁材料制成。一旦施加电流并形成旋转磁场，这些磁场就会产生两个作用力：一个是有用的扭力，使转子旋转；另一个是径向力，将转子拉向定子，使放置铜线圈的定子槽位产生跳动。其中的径向力不仅没有用，还会加剧噪声和振动。
接下来说一说这是如何发生的。磁通量产生的作用力一开始都指向转子运动的相同方向，然后随着转子旋转，转子磁极位置相对于定子槽位发生了变化，直到作用力转向相反的方向。这种交变力会产生扭矩波动，导致电机及其驱动的机械发生金属疲劳。而Infinitum Electric的电机则不会产生这种交变磁力。这一优势和其他效能特征是Infinitum电机的噪声平均比传统电机低约5分贝的原因。看起来这可能并没有减少很多，但这部分噪声往往特别刺耳，特别烦人。Infinitum Electric的电机结合了空心电机的轻便性和轴向磁通电机的高转矩密度的优点，非常适用于建筑的通风和暖通空调系统。现在新冠疫情使室内空气净化成为当务之急，电机也变得特别有用。用于供热供冷的热泵是电机的另一项应用，电机不仅可以节省能源、简化安装，还能够降低噪声。据美国总务管理局（GSA）与美国能源部的最新试验，如果美国总务管理局的暖通空调工厂配备Infinitum Electric的电机，每年可节省高达800万美元。电动汽车是这种新型电机的另一个大市场。美国能源信息署预计，到2050年，电动汽车将占全球汽车总量的31%。我们公司正在与一家领先的汽车供应商合作，共同开发一种远程油电混合动力汽车的油冷电机。与传统电机相比，我们的电机设计可以提高油冷工作效率，因为冷却剂可以很容易地施加在电路印刷版的整个表面。利用油冷技术，我们风冷电机的功率密度提高了3倍，达到8~12千瓦/千克。这使油冷电机可适用于另一个有前途的市场——电动航空领域。此外，我们还与专门从事物料装卸的公司合作，例如叉车、传送带系统以及用于食品饮料制造的混合设备等。卡特彼勒风险投资已投资Infinitum Electric，开发新型系列的交流发电机，其尺寸和重量仅为现有产品的1/3，而且更安静、更高效。据估计，交流发电机市场的年成交额高达170亿美元，并且还在不断增长。据我们估计，如果全世界的每台电机都换成Infinitum Electric电机，每年将减少8.6亿吨的碳排放，相当于2亿辆汽车一年的排放量。电机在生活中随处可见，即使是微小的效能改进，也有能力为今天和下个世纪的地球带来巨大的改变。
