轴向磁通电机的原理和优势

01什么是轴向磁通电机？

按照磁通路径方向，电机可分为轴向磁通电机与径向磁通电机，虽然磁通方向不同，但是工作原理都遵从电磁学的基本定律。

即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

02轴向磁通电机的优势与局限

轴向磁通电机的优势

体积小、重量轻：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。

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。

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。

轴向磁通电机的局限

成本问题：轴向磁通电机需要特殊的材料和制造工艺，因而制造成本通常高于传统的径向磁通电机。例如，使用无磁轭拓扑结构和特殊的定子转子设计，会导致成本增加。

设计和生产的复杂性：轴向磁通电机的设计和生产通常会比较复杂，比如需要保持转子和定子之间气隙均匀，运行时的轴向力可能会对电机轴造成严重拉力，制造工艺和机械设备不如径向电机成熟，这些都限制了规模化生产的能力。

轴向磁通电机的剖面图

散热难题：由于轴向磁通电机的绕组位于定子深处和两个转子盘之间，散热非常困难。电机在高负载下运行时会出现过热问题，影响电机的性能和寿命。