轴向磁通电机最新技术介绍

AFT140i 轴向磁通电机重 42 千克，有 48 V 和 96 V 两种规格，功率分别高达 21 千瓦和 45 千瓦，适用于轻型三轮和四轮电动车。(由 Saietta 提供）

轴向磁通电机在电动汽车领域吸引了大量关注和工程努力，这是有充分理由的。不同的电机拓扑结构（如径向和轴向磁通）最适合不同的应用，每种拓扑结构都有其自身的优点、缺点和开发挑战。

轴向磁通电机的主要特点是，产生扭矩的核心磁通沿着与电机旋转轴平行的路径移动。而径向磁通电机的磁通则沿着径向或垂直于旋转轴的路径移动。因此，调频电机的转子在定子旁边（或定子上方或下方，取决于电机的方向）旋转，而不是像射频电机那样在定子中心或外侧旋转。

我们联系了一些领先的电机和组件开发商以及其他专家，以了解工程师在为其应用选择电机结构时所面临的决策类型。可用的封装空间是首先要考虑的因素之一。在轴向（纵向）空间有限的情况下，煎饼状的射频电机更适合，而香肠状的射频电机则更适合可能存在直径限制的空间。

另一个考虑因素是应用是否需要优化扭矩密度或功率密度的电机。通常情况下，调频电机更适合前者，而射频电机则更适合后者，因为它们能够以更高的转速运行。

梅赛德斯 Vision One-Eleven 电动车采用了 YASA 的无横梁和分段式电枢轴向磁通电机，这是向 20 世纪 70 年代的 C111 概念车致敬。

(梅赛德斯-奔驰公司提供）

调频电机的结构对磁铁提出了许多机械要求。其中一个特殊要求是将磁铁固定在转子背铁板上，以承受高转速产生的高径向力。

另一位专家指出，磁体的组成与射频中使用的磁体并无不同，但其形状和使用方式却明显不同，而且在开发过程中，我们非常关注如何应对较大转子与定子一起高速旋转时产生的尖端力。

另一位自动对频电机开发人员解释说，不能在磁体之间的圆周使用铁磁材料，以防止旋转加速度将磁体从转子上剪切下来，因为这样会使磁体短路，减少有用磁通量。

他们的专家说，在无磁铁双转子单定子自动对频电机中，磁铁需要牢固地粘附在背铁上，因为在这种电机中，需要背铁来封闭磁通路径。另外，在双转子、单转子自动对频电机中，磁通直接穿过转子，磁铁往往安装在复杂的复合材料保持架结构中。

"对于大多数其他自动对频电机，尤其是采用集中绕组的无磁钢设计，磁钢所经历的磁通谐波会导致磁钢内部产生非常高的涡流损耗，除非对磁钢进行高度分段，也就是将磁钢切割成小块，然后用电绝缘层将其粘合在一起。"

"我们的目标是大力推动我们的磁性机器，从而使磁铁变得非常热，"这位航空发动机开发人员说。"然后，我们将这些磁铁的热量有效地倾倒和散发出去，这样它们就不会消磁，以免对电机造成永久性损坏。"

自动对频电机的基本形状扁平、纤薄，具有较高的表面积与体积比，有利于冷却，但总体结构的其他方面以及不同的自动对频电机拓扑结构使情况变得复杂。

自动对频拓扑结构能最大限度地将热量从磁体传导到周围结构，并辅以其他创新的直接冷却技术来快速散热。

一位专家说："这是任何磁性机器的关键目标，轴向磁通电机比径向电机能更好地做到这一点，因为磁体没有被包裹在其他材料中，所以它们能快速有效地散热。"在径向磁通电机中，热量是通过多层传导散失的，然后才到达外部冷却夹套，这样做的效率根本无法与径向磁通电机相比。

"自动对频设备还具有其他热管理优势。线圈中产生的热量可以通过在线圈上直接泵油，然后将油输送到电机外部的散热器中，从而有效地带走。"

这位学术专家指出，为定子实施液体冷却在确保定子铁芯周围的良好流动性和泄漏密封性方面面临挑战。

尽管一般结构具有一些固有优势，但仍必须采取创新方法来管理射频电机的热量。例如，无磁极和分段式电枢拓扑结构允许对定子元件进行完全密封的油冷却，这是目前射频电机无法实现的解决方案。

此外，采用双转子的无磁分段电枢设计将每个转子的外表面置于露天环境中，易于散热，而采用双定子和单转子的轴向磁通电机拓扑结构则将转子永久夹在高温环境中，他说。

然而，与直觉相反的是，将定子置于转子两侧的自动变频电机（即内转子拓扑结构）在使用喷油冷却时具有损耗方面的优势，这家电动、液压和机械动力总成供应商如是说。

"在我们的轴向磁通电机中，线圈和电机外部之间只有一个热界面，"这家航空航天电机开发商指出。"我们的拓扑结构能够有效冷却转子中的磁铁和定子中的线圈，这是我们能够获得比径向电机更高的连续功率的主要原因之一。

他补充说，由于热量的限制，设计精良的径向推进电机的连续功率可能只有峰值功率的 65-75%，而他的公司生产的一种无磁钢轴向磁通电机由于改进了高热接触冷却，其连续额定功率要高得多，超过 90%。油冷还能在电气元件之间提供额外的绝缘，从而提供另一层保护。

Saietta 三合一电子驱动器将轴向磁通电机、集成冷却控制器和单速变速器结合在一起。

(由 Saietta 提供）

自动对频电机在形状和扭矩特性上的差异为将其集成到汽车传动系统中带来了机遇和挑战。我们的学者提醒说，这样做的好处包括为电子轴和轮毂驱动等一系列应用提供更大的设计自由度，同时为电池和乘客留出更多空间，但管理众多变体的生产可能具有挑战性。

由于所需的车轮扭矩是在较低的电机转速下提供的，因此需要的减速级较少。这就减轻了传动部件在润滑方面的负担，从而有可能延长使用寿命。

不过，平行轴单速变速器可能会对自动变速电机的直径施加限制，以使车辆的传动轴能够避开电机外壳。一位专家指出，轴向磁通电机通常比径向磁通电机更适合用于近轮或轮内解决方案，例如，用于最后一英里送货车辆的滑板平台，旨在最大限度地增加装载床的宽度。

第二家自动对频电机开发商称，无横梁和分段电枢自动对频电机的轴向长度较短，外径与典型的射频电机相似，因此在包装方面具有真正的优势。使用这种电机的法拉利混合动力车就是一个很好的例子。

一位轴向磁通电机开发商的专家指出："如果不增加整车长度，射频电机根本无法安装在 V8 发动机的后部。"自动对频电机的低速连续扭矩带更宽，改变了对变速箱的要求。射频电机通常在较高转速下运行，而在较低转速下扭矩不足，这可能意味着必须使用双速变速箱。

薄饼形状使轴向磁通电机非常适合飞机。航空专家说："如果有齿轮箱，通常直径相当，这样就可以非常容易地堆叠一个或多个电机，而不会对飞机设计造成太大影响。

"这给你带来了很大的好处，如果我们谈论的是安装电机的 eVTOL 应用，那么在你必须将电机安装在防火墙或结构件之间的地方，这就更加关键了，所以越短越好"。

他还认为，轴向磁通电机的速度限制并不像想象的那样严格。"我们目前使用的轴向磁通机器远远低于其所能达到的机械速度--我们还有很多潜力可以挖掘"。

该动力系统开发商认为，轴向磁通电机和 径向磁通电机机器可以设计成提供非常相似的扭矩特性，并强调该公司可以提供几乎任何合理扭矩和速度特性的电机，在包装方面也有类似的灵活性，其专家说。

"虽然轴向磁通电机和径向磁通电机的形状不同，但通过集成电机、逆变器和传动系统，最终可以实现大致相同的封装，但轴向磁通电机解决方案的单位体积和重量性能更高。"

这位线材弯曲专家从电机开发商的角度观察了应用的演变，他指出，轴向磁通电机为轮毂驱动、电子轴甚至轮内应用提供了很大的设计自由度。不过，由于每个车轮都需要一个电机，系统中增加了变频器等更多组件，从而增加了成本。

Evolito 40 公斤重的 D1500 2×3 AF 电机可在 30 秒内分别输出 1500 nm 和 285 kW 的峰值扭矩和功率。(图片由 Evolito 提供）

有效控制自动对频电机，尤其是在动态驾驶条件下，自然需要考虑其固有的电磁特性。一位开发人员解释说，自动对频电机通常不会表现出明显的突出现象。

专家解释说："这意味着所有扭矩都是通过与永磁磁通的相互作用产生的，没有磁阻扭矩成分。"不过，这也简化了机器的控制，因为扭矩与 q 轴电流成正比，而 d 轴负电流则根据需要用于削弱磁场。因此，有效的每安培最大扭矩控制不需要映射。

他指出，轴向磁通电机通常具有相对较低的绕组电感，这是一个挑战。"这意味着必须采用高开关频率或多电平逆变器拓扑结构，以保持较低的电流纹波。否则，高电流纹波会导致机器的额外损耗，并增加噪音、振动和声振粗糙度（NVH）。"

"积极的一面是，较低的电感意味着机器的扭矩控制非常灵敏，表现出对电流的高带宽控制。"

NVH 是整个车辆设计中的一个重要课题，在自动变频电机的设计和开发中也必须加以考虑。

设计的主要方面包括标称气隙尺寸以及由于转子不完全平行、气隙之间的差异、公差叠加等因素造成的预期气隙变化。转子振动模式及其固有频率也很重要，这受到刚度和质量以及转子平衡的影响。

一位专家说，从电磁角度来看，NVH 性能受齿槽开度、偏斜、槽/极组合以及集中绕组配置与分布绕组配置等因素影响的齿槽转矩的振幅和频率的影响。

在机械方面，大直径转子和高转速会带来振动风险。这位学术专家建议，在转子外径上增加一个气隙轴承可以提供一种解决方案，但他也承认这样做会损失一些效率。

一位自动变频电机开发人员指出了电流谐波注入技术的应用，并解释说它特别适用于解决自动变频电机的 NVH 问题，其最简单的操作方式类似于降噪耳机。

另一位专家指出："NVH 始终是一个与系统相关的问题。电机、逆变器和变速器必须一起调整，才能达到最佳的 NVH 性能。"

与任何相对较新的技术一样，射频电机工程设计的一个重要方面是确保其可靠性和耐用性，尤其是在恶劣的环境中、在高里程数和数千小时的工作时间内。例如，精心设计液体冷却通道的密封和电机内腔以保护其免受外部环境的影响至关重要。

其他关键考虑因素包括轴承载荷、轴承对中和轴向预紧力。对电机进行广泛的热冲击和振动耐久性测试也至关重要。

在航空航天领域，由于动力装置对安全至关重要，因此此类测试的重要性更加突出。这位航空发动机专家强调了特定耐久性测试和高度加速寿命测试的重要性。

"在整个过程中，我们让电机经受振动、温度和性能严重程度不断升级的反复循环。"

深入了解机器是如何设计的以及它们是如何发生故障的也至关重要。"这首先要进行故障树分析，我们查看每个组件，分析它们可能出现故障的原因，然后通过设计消除或防止这些原因。"

我们的几位开发人员说，虽然监管标准和安全要求并不考虑电机结构，但轴向磁通电机结构和相关设计细节确实带来了一些安全优势。电机的所有高压元件都深埋在机器内部，并用绝缘油隔离，从而降低了与底盘短路的风险。

航空航天电机开发人员指出轴向磁通电机机器中线圈之间的隔离，他说："它们不仅通过物理间隙隔离，还通过浸入介电油隔离。任何线圈都不会与另一个线圈有任何重叠连接，这在径向机器上确实很难做到。"这使得它们在发生电气故障时更加坚固耐用。

自动变频电机开发商不断改进其核心产品的功率密度、效率和与传动系统的集成度。其中一家开发商重点介绍了改进的定子封装和更好的制造技术，以及与电机共用外壳和冷却液的电机控制单元的集成，从而消除了相线电缆。该公司还开发了一种定制的单速变速器，具有多种齿轮比选项，可提供 "成本优化 "的电子驱动。

另一家开发商指出，其生产的电机功率密度从十年前的几千瓦/千克倍增到约 15 千瓦/千克。该公司还计划将功率密度提高一倍。

这家航空专家称，在过去的 18 个月中，功率密度提高了三分之一。与此同时，该公司还一直在研究其专家所说的双电动架构，这种架构使他们能够在与单个电机相同大小的封装中并排安装两个轴向磁通电机。"他说："这对任何全电动飞机的安全性能都大有裨益。

这家电动、液压和机械动力总成专家指出，制造工艺和电机设计方面的突破使生产循环率得以提高。该公司还设计了一种油冷自动变频电机，具有非常高的连续功率，主要用于商用车辆。

核心技术的未来改进可能会集中在更高的转速上，从而实现更高的功率密度，这可以通过更轻的转子来实现，转子的平衡性更好，装配时对气隙公差的控制也更精细。

另一个研发目标是通过降低绕组磁动力中的空间谐波（磁场强度分布的变化）以及屏蔽高频磁通谐波，进一步减少磁体中的涡流损耗。第三个方向是提高逆变器开关频率、多电平逆变器和/或更先进的调制方案，以减少电流谐波并提高电压利用率。

最后，提高转子的突出度和磁通量集中度可以减轻对所需磁性材料等级和数量的要求，从而减轻稀土磁体供应的压力。