轴向磁通电机是什么，它主要被应用在哪些场景中？
在乘用车或商用车领域，轴向磁通电机的前景如何？
轴向磁通电机的功率密度是否具有显著优势？
电机可根据磁场方向分为轴向磁通型和径向磁通型。尽管世界上第一台电动机由迈克尔·法拉第在1821年发明，而那时的法拉第电机属于轴流电机，但受限于当时材料和技术水平，轴流电机的进一步发展受到制约。相较之下，由达文波特在1834年发明的径向磁通电机得到了率先发展，并被称为简单电机。
目前，电机领域正朝着高速、轻量化和高效率的方向发展，这也让轴流电机重新受到了业界的广泛关注。尽管径向磁通电机在历史上占据主导地位，并且使用历史悠久，但轴向磁通电机（亦被称为“盘式电机”）却因其独特的磁通路径而逐渐崭露头角。这种电机的气隙磁场方向与轴线平行，呈现出平面型的特点，与传统的径向磁通电机大相径庭。自2000年以来，轴向磁通电机已成为学术界和工业界的研究热点。
在径向磁通电机中，磁通路径相对较长且曲折，因为它需要从转子极穿越定子的多个齿和硅钢片，才能到达另一个转子磁极。相比之下，轴向磁通电机则拥有更短且直接的磁通路径。磁场能够通过气隙直接从一个极点传递到另一个极点，从而保持了磁场的强度和效率。此外，这种设计还有助于提升机器的功率密度。
在材料选择上，轴向磁通电机也展现出了一定的优势。由于磁通路径是单向的，这使得取向硅钢得以应用。这种钢材具有更高的磁导率，能够降低轴向磁通电机中的铁损耗，并提升整体效率高达2%。同时，在绕组方面，轴向磁通电机也展现出了卓越的性能。其高铜材利用率、低端部绕组浪费以及增加匝数的潜力，都使得电机能够更好地应对由端部效应引发的热量问题。
然而，由于轴向磁通的磁场仅分布于一个端面，因此在电机运转过程中容易产生显著的不平衡磁拉力。为了应对这一问题，轴向磁通电机的设计通常采用双转子单定子或双定子单转子的结构。
轴向磁通电机的核心技术亮点在于其独特的结构设计，其中旋转转子被安置在定子的侧面，而非传统的定子内部。这样的设计使得转子能够拥有更大的直径尺寸，进而在相同的力作用下产生更高的转矩输出。这得益于转矩的计算公式——转矩=力×半径。此外，轴向磁通电机的气隙半径是沿整个面铺开的，这使得其扭矩密度和功率密度天生就优于径向磁通电机的设计。同时，磁性材料的利用率也得到了显著提升。这些优势使得轴向磁通电机的应用前景广阔，特别是在赛车和特定场景的商用车以及非道路车辆领域。
轴向磁通电机还具有结构紧凑、扁平超薄、体积小巧、重量轻盈以及功率密度高等特点，因此逐渐被应用于电动摩托车、机场吊舱、运货卡车、电动赛车，甚至电动飞机等新兴领域。随着海尔贝克表贴永磁体技术的引入，未来轴向磁通电机的性能有望得到进一步提升。
然而，要将轴向磁通电机技术进一步推广至乘用车领域，尚需面临多项挑战，包括热管理、成本、工艺以及噪声振动与噪声（NVH）等问题。其盘状结构带来的转动惯量较大，限制了转速的提升。同时，电磁力在面上的分布特性使得任何轻微的不平衡或装配气隙的不均匀，都可能引发显著的不平衡磁拉力。这不仅放大了工艺散差和不平衡力对NVH问题的影响，还对设计提出了更高的要求。
在设计层面，为确保受力平衡，通常采用夹芯结构，如两转子一定子或两定子一转子的配置。但双转子单定子的设计复杂性较高，自动化难度大。在电机制造过程中，调节气隙的精确度也是一大挑战，这要求对关键部件的制造公差进行严格把控。此外，市场上轴向磁通电机的高极对数和电频率特性，使得IGBT难以充分发挥其优势，而SiC的使用则进一步增加了系统成本，短期内难以看到轴向磁通电机在乘用车驱动系统中的成本优势。
另一方面，双转子轴向电机还面临严峻的热管理问题。其绕组位于定子内部深处和两个转子盘之间，散热难度大。同时，三明治结构两侧的三维磁路对称性和齿槽转矩的计算也需特别关注。此外，还需要确保冷却系统的对称性、合适刚度的轴承以及合理的进油回油位置和油膜换热系数均匀性。
从工艺角度看，转子动平衡的特别控制、卷绕铁芯叠片、绕组以及磁体的高表面质量和尺寸精度要求，都增加了制造的复杂性。
同时，由于磁体通常采用表贴方式，其在径向和轴向会受到不均匀的剪切力和离心力。对于使用粘胶工艺的情况，胶的厚度和固化时间等关键参数必须严格控制。此外，磁体本身在充磁方向上的热膨胀系数不一致，这在高负荷和高速运转的条件下对可靠性提出了严峻挑战。因此，在高性能应用中，考虑采用碳纤维包裹来增强结构的稳固性是必要的。
相比之下，新能源汽车中常用的永磁电机多为内嵌式设计。在相同的用料、尺寸和成本条件下，内嵌式电机的功率和转矩约为表贴式的80%。内嵌式电机具有出色的弱磁能力和超速性能，在额定转速为3500rpm时，最高可达至12000~18000rpm。而表贴式电机的弱点则在于其弱磁能力相对较差，在高速传动时需要较大的弱磁电流，从而显著降低效率。
由于轴向磁通电机全部采用表贴式设计，因此其并不适合新能源汽车的高速工况需求。然而，通过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。这种电机能够在所有三维空间中有效引导磁通量，同时结合SMC材料的易成型和热处理工艺简单的特性，非常适合批量生产。此外，3D打印技术的运用进一步增强了电机设计的灵活性和多样性，从而在平衡性能和成本方面取得了显著优势。
目前，关于轴向磁通电机技术的专利已经相当丰富，且在产业链上已有一定的市场应用。例如，盘毂电机已在商用和非道路领域得到推广，而磁雷革则专注于赛车领域的应用。然而，值得注意的是，该技术目前仍处在不断探索和发展的阶段，许多创新点仍在持续涌现。另一方面，国外知名的YASA品牌在本次收购后并未透露太多新动态，其他相关企业也尚处于融资宣传期。
在汽车行业中，可靠性被视为至关重要的因素。尽管轴向磁通电机在技术和性能上展现出潜力，但其可靠性和稳健性仍需进一步证明，特别是在大规模制造环境下。因此，许多轴向电机供应商都致力于开展定制验证计划，旨在证明其产品的可靠性不亚于传统的径向磁通电机。
轴向磁通电机的一个关键部件是轴承，它容易受到磨损的影响。由于轴向磁通电机设计上的独特性，其长度相对较短，导致轴承位置更为接近，通常还伴有选型上的偏过设计。然而，转子轻量化的特点使得轴承承受的转子动力载荷相对较小。尽管如此，轴承磨损的问题仍然存在，部分原因可归结于轴向磁通电机部件的制造工差和装配公差。
尽管面临这些挑战，轴向电机在赛车电驱动桥等领域找到了应用。其紧凑的尺寸允许将电机和变速箱高度集成在车桥中，提高了系统的整体效率。在混合动力应用中，由于其短轴向长度，传动系的总长度得以保持较短，从而优化了能源利用效率。
此外，轴向电机还可以与车轮直接集成，实现动力从电机到车轮的直接传递。这种设计不仅简化了系统结构，降低了复杂性，还提高了电机的效率。同时，它也为汽车平台的设计带来了新的可能性，例如为电池组提供了更多的放置空间。然而，这种设计需要专有的整车底盘平台来实现，例如Saietta的滑板底盘等技术。
