轴向磁通电机在电动汽车设计优势有哪些？

与径向磁通电机（radial flux motors）相比，轴向磁通电机（Axial flux motors）具有许多电动汽车设计优势。比如，轴向磁通量电机（Axial flux motors）可改变动力传动系统的设计方式，将电机从车轴移至车轮内部。

1. 轴向动力（Axis of power）

轴向磁通电机正在获得越来越多的关注（gain traction）。多年来，这种电机一直用于电梯和农业机械等固定应用（stationary applications），但在过去十年中，许多开发人员一直致力于改进这项技术，并将其适用到电动摩托车、机场吊舱（airport pods）、运货卡车、电动汽车甚至飞机等。

传统的径向磁通电机（radial flux motors）使用永久磁铁（permanent magnets）或感应电机（induction motors），目前在优化重量和成本上有长足的进步，但要继续发展面临诸多困难。轴向磁通这种完全不同的电机类型可能是一个不错的替代选择。

与径向电机相比，轴向磁通永磁电机的有效磁表面积（active magnetic surface area）是电机转子的表面，而不是外径。因此在一定体积的电机中，轴向磁通永磁电机通常能提供更大的扭矩。

轴向磁通电机更加紧凑（more compact）；与径向电机相比，电机的轴向长度（axial length）要短得多。对于轮内电机而言，这往往是至关重要的因素（crucial factor）。轴向电机紧凑的结构，使其功率密度和扭矩密度高于同类径向电机，因此无需极高的运行转速。

轴向磁通电机的效率也很高，通常超过96%。这得益于较短的一维磁通路径（the shorter, one-dimensional flux path），其效率可与市场上最好的二维径向磁通电机（2D radial flux motors）媲美，甚至更高。

电机的长度更短，通常短5到8倍，重量也减轻了2到5倍。这两个因素改变了电动汽车电动平台设计者的选择。

2. 轴向磁通技术（Axial flux technology）

轴向磁通电机有两种主要拓扑结构（two principal topologies）：双转子单定子（dual-rotor singlestator）（有时称为环形电机torus-style machines）和单转子双定子（single-rotor dual-stator）。

目前，大多数永磁电机都采用径向磁通拓扑结构（radial flux topology）。磁通回路从转子上的永久磁铁开始（starts at a permanent magnet），经过定子上的第一个齿（passes through the first tooth），然后沿定子径向流动（flows radially along the stator）。然后穿过第二个齿，到达转子上的第二个磁钢。在双转子轴向磁通拓扑结构中，磁通环（the flux loop）从第一块磁铁开始，沿轴向穿过定子齿，然后立即到达第二块磁铁。

这意味着磁通路径（flux path）比径向磁通电机短得多，从而使相同功率下的电机体积更小，功率密度和效率更高（higher power density and efficiency）。

径向电机，磁通穿过第一个齿，然后通过定子回到下一个齿，到达磁铁。磁通是按照二维路径（follow a two-dimensional path）。

轴向磁通机的磁通路径是一维的，因此可以使用晶粒取向电工钢（grainoriented electrical steel）。这种钢材使磁通更容易通过（easier for the flux to pass through），从而提高了效率。

径向磁通电机传统上使用分布式绕组(distributed windings)，多达一半的绕组端部不起作用。线圈端部（the coil overhang）会导致额外的重量（additional weight）、成本、电阻（electrical resistance）和更多的热耗，设计人员不得不改进绕组设计。

轴向磁通电机的线圈端部（coil overhangs）要少得多，有些设计使用集中或分段式绕组（segmented windings），这些绕组是完全有效的。对于分段式定子径向通量电机（Segmented stator radial machines），定子中磁通路径的断裂会带来额外的损耗，但对于轴向磁通电机，这不是问题。线圈绕组的设计是区分供应商水平的

关键。

3. 发展（Development）

轴向磁通电机在设计和生产方面面临着一些严峻的挑战，尽管具有技术优势，但其成本却远远高于径向电机。人们对径向电动机的了解十分透彻（well-understood），制造方法和机械设备也一应俱全（readily available）。

轴向磁通电机的一个主要挑战是，保持转子和定子之间气隙均匀（uniform air gap），因磁力比径向电机大得多，保持均匀气息有一定难度。双转子轴向磁通电机还存在散热问题，因为绕组位于定子深处和两个转子盘之间（locate deep within the stator and between the two rotor discs），散热非常困难。

轴向磁通电机也很难制造，原因有很多。采用无磁轭拓扑结构（Dual-rotor machines with a yokeless topology）（即去掉定子的铁轭（iron yoke），但保留铁齿）的双转子机器克服了其中的一些问题，同时不用扩大电机直径和磁体。

然而，去掉铁轭（youke）又带来新的挑战，例如如何在没有机械轭连接的情况下固定和定位单个凸齿（fix and position individual teeth）。散热也是一个更大的挑战。

生产转子和保持气隙（air gap）也很困难，因为转子盘对转子会产生吸引力。好处是，转子盘之间通过轴环（shaft ring）直接相连，因此力会相互抵消（cancel each other out）。这意味着内部轴承（internal bearing）不承受这些力，其唯一的作用是将定子保持在两个转子盘之间的中间位置。

双定子单转子电机没有环形电机面临的挑战，但定子的设计要复杂得多，而且难以实现自动化，相关成本也居高不下。不同于任何传统的径向磁通电机，轴向电机制造工艺和机械设备直到最近才出现。

4. 电动汽车应用

可靠性（Reliability）在汽车行业中至关重要，而如何证明不同轴向磁通电机的可靠性和鲁棒性（robustness），使制造商相信这些电机适合大规模生产，一直是一项挑战。这促使轴流电机供应商（axial motor suppliers）开展了广泛的验证计划（carry out their own extensive validation program），每家供应商都要证明其电机的可靠性与传统的径向磁通电机无异。

轴向磁通电机中唯一会磨损的部件是轴承（bearings）。轴向磁通的长度相对较短，轴承的位置更加靠近，通常设计得略微 "过大（over-dimensioned）"。好在轴向通量电机的转子质量较小（lower-mass rotors），承受的旋转动力轴负载也较低（lower rotor dynamic shaft loads），因此施加在轴承上的实际力要比径向通量电机小得多。

电子车桥（e-axle）是轴向电机的首批应用领域之一。较薄的宽度可将电机和变速箱封装在车桥中。在混合动力应用中，电机较短的轴向长度反过来又缩短了传动系统的总长度。

下一步是将轴向电机安装在车轮上。这样，动力就可以直接从电机传递到车轮，提高电机的效率。由于省去了变速器（transmission）、差速器（differentials）和传动轴（driveshaft），系统的复杂性也降低了。

不过，目前似乎还没有出现标准配置。每个原始设备制造商都在研究特定的配置（specific configurations），因为轴向电机的不同尺寸和外形会改变电动汽车的设计。与径向电机相比，轴向电机的功率密度更高，这意味着可以使用更小的轴向电机。这就为车辆平台提供了新的设计选择，例如电池组的放置位置。

4.1 分段式电枢（Segmented armature）

YASA（无轭和分段电枢）电机拓扑结构是双转子单定子拓扑结构的一个范例，它降低了制造复杂性，适用于自动化批量生产。这些电机在 2000-9000 rpm 的转速下，功率密度可达 10 kW/kg。

采用专用控制器，可为电机提供200千伏安的电流。控制器体积大概 5 升，重 5.8 千克，包括带有介质油冷却（dielectric oil cooling）的热管理，适用于轴向磁通电机以及感应和径向磁通电机。

这使得电动汽车原始设备制造商和一级开发商能够灵活地根据应用和可用空间选择合适的电机。较小的尺寸和重量使车辆更轻，电池数量更多，从而提高续航里程（boost the range）

5. 电动摩托车应用

针对电动摩托车和ATV，有公司开发出交流轴向磁通电机（AC axial flux motor）。该类车型常用的是直流有刷轴向磁通设计（DC brush-based axial flux designs），而新产品是交流、全密封无刷设计。

直流和交流电机的线圈都保持静止（stationary），但双转子采用永久磁钢而非旋转电枢（a spinning armature）。这种方法的优点是无需机械换向。

交流轴向设计还能使用径向电机的标准三相交流电机控制器（three-phase AC motor controllers）。这有助于降低成本，因为控制器是控制扭矩的电流，而不是速度。控制器需要12 kHz以上的频率，是这类设备的主流频率（a mainstream frequency）。

较高的频率源于 20 µH 的较低绕组电感。频率可控制电流，以尽量减少电流纹波（minimise current ripple），并确保尽可能平稳的正弦信号（a sinusoidal signal）。从动态角度来看，这样做很好，扭矩可以快速变化，从而实现更平滑的电机控制。

这种设计采用分布式双层绕组（a distributed doublelayer winding），因此磁通从转子通过定子流向另一个转子，路径非常短，效率更高。

该设计的关键在于，它可以在最高 60 V 的电压下工作，不适合更高电压系统。因此，可用于电动摩托车和雷诺Twizy等L7e级四轮车。

60 V的最高电压（maximum voltage）使电机可以集成到主流的48 V电气系统中，并简化了维护工作。

欧洲框架法规 2002/24/EC 中的 L7e 四轮摩托车规格规定，用于运载货物的车辆重量不超过 600 公斤，不包括电池重量。这些车辆允许载客量不超过 200 千克，载货量不超过1000 千克，发动机功率不超过15 千瓦。分布式绕组方法可提供 75-100 牛米的扭矩，峰值输出功率为 20-25 千瓦，持续功率为 15 千瓦。

轴向磁通（axial flux）的挑战在于铜绕组（copper windings）如何散热，这很困难，因为热量必须穿过转子。分布式绕组是解决这一问题的关键，因为它有大量的极槽（a high number of slots）。这样，铜和外壳之间就有了更大的表面积，热量可以传到外部，由标准的液体冷却系统排出。

多磁极是利用正弦波形（sinusoidal waveform）的关键，有助于减少谐波（harmonics）。这些谐波表现为磁体和磁芯发热（heating of the magnets and core），而铜元件无法将热量带走。当磁铁和铁芯中的热量积聚时，效率就会下降，这就是为什么优化波形和热路径（optimise the waveform and heat path）对电机性能至关重要的原因。

该电机的设计进行了优化，以降低成本，可实现自动化大批量生产。挤压外壳环（An extruded housing ring）无需复杂的机械加工，能降低材料成本。线圈可直接绕制，并在绕制过程中采用粘合工艺（a bonding process），以保持正确的装配形状。

关键的一点是，线圈由标准的市售电线（commercially available wire）制成，而铁芯则使用标准的现成变压器钢材层压（standard laminated off-the-shelf transformer steel），只需将其切割成形即可。其他电机设计需要在铁芯层压中使用软磁材料（soft magnetic materials），成本可能更高。

使用分布式绕组意味着磁钢不需要分段；它们可以是更简单的形状，更容易制造。减小磁钢的尺寸并确保其易于制造，对降低成本有着重要影响。

这种轴向磁通电机的设计也可按客户要求定制。客户拥有围绕基础设计开发的定制版本。然后在试验生产线上制造，以进行早期产量验证，该生产线可在其他工厂复制。

定制（customisation）主要是因为车辆的性能既取决于轴向磁通量电机的设计，也取决于车辆结构、电池组和BMS 的质量。

编辑：黄飞