與徑向磁通電機（radial flux?motors）相比，軸向磁通電機（Axial flux motors）具有許多電動汽車設(shè)計優(yōu)勢。比如，軸向磁通量電機（Axial flux motors）可改變動力傳動系統(tǒng)的設(shè)計方式，將電機從車軸移至車輪內(nèi)部。

1.?軸向動力（Axis of power）

軸向磁通電機正在獲得越來越多的關(guān)注（gain traction）。多年來，這種電機一直用于電梯和農(nóng)業(yè)機械等固定應(yīng)用（stationary applications），但在過去十年中，許多開發(fā)人員一直致力于改進這項技術(shù)，并將其適用到電動摩托車、機場吊艙（airport pods）、運貨卡車、電動汽車甚至飛機等。

傳統(tǒng)的徑向磁通電機（radial flux motors）使用永久磁鐵（permanent magnets）或感應(yīng)電機（induction motors），目前在優(yōu)化重量和成本上有長足的進步，但要繼續(xù)發(fā)展面臨諸多困難。軸向磁通這種完全不同的電機類型可能是一個不錯的替代選擇。

與徑向電機相比，軸向磁通永磁電機的有效磁表面積（active magnetic surface area）是電機轉(zhuǎn)子的表面，而不是外徑。因此在一定體積的電機中，軸向磁通永磁電機通常能提供更大的扭矩。

軸向磁通電機更加緊湊（more compact）；與徑向電機相比，電機的軸向長度（axial length）要短得多。對于輪內(nèi)電機而言，這往往是至關(guān)重要的因素（crucial factor）。軸向電機緊湊的結(jié)構(gòu)，使其功率密度和扭矩密度高于同類徑向電機，因此無需極高的運行轉(zhuǎn)速。

軸向磁通電機的效率也很高，通常超過96%。這得益于較短的一維磁通路徑（the shorter, one-dimensional flux path），其效率可與市場上最好的二維徑向磁通電機（2D radial flux motors）媲美，甚至更高。

電機的長度更短，通常短5到8倍，重量也減輕了2到5倍。這兩個因素改變了電動汽車電動平臺設(shè)計者的選擇。

2.?軸向磁通技術(shù)（Axial flux technology）

軸向磁通電機有兩種主要拓撲結(jié)構(gòu)（two principal topologies）：雙轉(zhuǎn)子單定子（dual-rotor?singlestator）（有時稱為環(huán)形電機torus-style machines）和單轉(zhuǎn)子雙定子（single-rotor dual-stator）。

目前，大多數(shù)永磁電機都采用徑向磁通拓撲結(jié)構(gòu)（radial flux topology）。磁通回路從轉(zhuǎn)子上的永久磁鐵開始（starts at a permanent magnet），經(jīng)過定子上的第一個齒（passes through the first tooth），然后沿定子徑向流動（flows radially along the stator）。然后穿過第二個齒，到達轉(zhuǎn)子上的第二個磁鋼。在雙轉(zhuǎn)子軸向磁通拓撲結(jié)構(gòu)中，磁通環(huán)（the flux loop）從第一塊磁鐵開始，沿軸向穿過定子齒，然后立即到達第二塊磁鐵。

這意味著磁通路徑（flux path）比徑向磁通電機短得多，從而使相同功率下的電機體積更小，功率密度和效率更高（higher power density and efficiency）。

徑向電機，磁通穿過第一個齒，然后通過定子回到下一個齒，到達磁鐵。磁通是按照二維路徑（follow a two-dimensional path）。

軸向磁通機的磁通路徑是一維的，因此可以使用晶粒取向電工鋼（grainoriented?electrical steel）。這種鋼材使磁通更容易通過（easier for the flux to pass through），從而提高了效率。

徑向磁通電機傳統(tǒng)上使用分布式繞組(distributed windings)，多達一半的繞組端部不起作用。線圈端部（the coil overhang）會導(dǎo)致額外的重量（additional weight）、成本、電阻（electrical resistance）和更多的熱耗，設(shè)計人員不得不改進繞組設(shè)計。

軸向磁通電機的線圈端部（coil overhangs）要少得多，有些設(shè)計使用集中或分段式繞組（segmented windings），這些繞組是完全有效的。對于分段式定子徑向通量電機（Segmented stator radial machines），定子中磁通路徑的斷裂會帶來額外的損耗，但對于軸向磁通電機，這不是問題。線圈繞組的設(shè)計是區(qū)分供應(yīng)商水平的

關(guān)鍵。

3.?發(fā)展（Development）

軸向磁通電機在設(shè)計和生產(chǎn)方面面臨著一些嚴峻的挑戰(zhàn)，盡管具有技術(shù)優(yōu)勢，但其成本卻遠遠高于徑向電機。人們對徑向電動機的了解十分透徹（well-understood），制造方法和機械設(shè)備也一應(yīng)俱全（readily available）。

軸向磁通電機的一個主要挑戰(zhàn)是，保持轉(zhuǎn)子和定子之間氣隙均勻（uniform air gap），因磁力比徑向電機大得多，保持均勻氣息有一定難度。雙轉(zhuǎn)子軸向磁通電機還存在散熱問題，因為繞組位于定子深處和兩個轉(zhuǎn)子盤之間（locate deep within the stator and between the two rotor discs），散熱非常困難。

軸向磁通電機也很難制造，原因有很多。采用無磁軛拓撲結(jié)構(gòu)（Dual-rotor machines with a yokeless topology）（即去掉定子的鐵軛（iron yoke），但保留鐵齒）的雙轉(zhuǎn)子機器克服了其中的一些問題，同時不用擴大電機直徑和磁體。

然而，去掉鐵軛（youke）又帶來新的挑戰(zhàn)，例如如何在沒有機械軛連接的情況下固定和定位單個凸齒（fix and position individual teeth）。散熱也是一個更大的挑戰(zhàn)。

生產(chǎn)轉(zhuǎn)子和保持氣隙（air gap）也很困難，因為轉(zhuǎn)子盤對轉(zhuǎn)子會產(chǎn)生吸引力。好處是，轉(zhuǎn)子盤之間通過軸環(huán)（shaft ring）直接相連，因此力會相互抵消（cancel each other out）。這意味著內(nèi)部軸承（internal bearing）不承受這些力，其唯一的作用是將定子保持在兩個轉(zhuǎn)子盤之間的中間位置。

雙定子單轉(zhuǎn)子電機沒有環(huán)形電機面臨的挑戰(zhàn)，但定子的設(shè)計要復(fù)雜得多，而且難以實現(xiàn)自動化，相關(guān)成本也居高不下。不同于任何傳統(tǒng)的徑向磁通電機，軸向電機制造工藝和機械設(shè)備直到最近才出現(xiàn)。

4. 電動汽車應(yīng)用

可靠性（Reliability）在汽車行業(yè)中至關(guān)重要，而如何證明不同軸向磁通電機的可靠性和魯棒性（robustness），使制造商相信這些電機適合大規(guī)模生產(chǎn)，一直是一項挑戰(zhàn)。這促使軸流電機供應(yīng)商（axial motor suppliers）開展了廣泛的驗證計劃（carry out their own extensive validation program），每家供應(yīng)商都要證明其電機的可靠性與傳統(tǒng)的徑向磁通電機無異。

軸向磁通電機中唯一會磨損的部件是軸承（bearings）。軸向磁通的長度相對較短，軸承的位置更加靠近，通常設(shè)計得略微?"過大（over-dimensioned）"。好在軸向通量電機的轉(zhuǎn)子質(zhì)量較小（lower-mass rotors），承受的旋轉(zhuǎn)動力軸負載也較低（lower rotor dynamic shaft loads），因此施加在軸承上的實際力要比徑向通量電機小得多。

電子車橋（e-axle）是軸向電機的首批應(yīng)用領(lǐng)域之一。較薄的寬度可將電機和變速箱封裝在車橋中。在混合動力應(yīng)用中，電機較短的軸向長度反過來又縮短了傳動系統(tǒng)的總長度。

下一步是將軸向電機安裝在車輪上。這樣，動力就可以直接從電機傳遞到車輪，提高電機的效率。由于省去了變速器（transmission）、差速器（differentials）和傳動軸（driveshaft），系統(tǒng)的復(fù)雜性也降低了。

不過，目前似乎還沒有出現(xiàn)標準配置。每個原始設(shè)備制造商都在研究特定的配置（specific configurations），因為軸向電機的不同尺寸和外形會改變電動汽車的設(shè)計。與徑向電機相比，軸向電機的功率密度更高，這意味著可以使用更小的軸向電機。這就為車輛平臺提供了新的設(shè)計選擇，例如電池組的放置位置。

4.1?分段式電樞（Segmented armature）

YASA（無軛和分段電樞）電機拓撲結(jié)構(gòu)是雙轉(zhuǎn)子單定子拓撲結(jié)構(gòu)的一個范例，它降低了制造復(fù)雜性，適用于自動化批量生產(chǎn)。這些電機在?2000-9000 rpm?的轉(zhuǎn)速下，功率密度可達?10 kW/kg。

采用專用控制器，可為電機提供200千伏安的電流。控制器體積大概?5?升，重?5.8?千克，包括帶有介質(zhì)油冷卻（dielectric oil cooling）的熱管理，適用于軸向磁通電機以及感應(yīng)和徑向磁通電機。

這使得電動汽車原始設(shè)備制造商和一級開發(fā)商能夠靈活地根據(jù)應(yīng)用和可用空間選擇合適的電機。較小的尺寸和重量使車輛更輕，電池數(shù)量更多，從而提高續(xù)航里程（boost the range）

5.?電動摩托車應(yīng)用

針對電動摩托車和ATV，有公司開發(fā)出交流軸向磁通電機（AC axial flux motor）。該類車型常用的是直流有刷軸向磁通設(shè)計（DC brush-based axial flux designs），而新產(chǎn)品是交流、全密封無刷設(shè)計。

直流和交流電機的線圈都保持靜止（stationary），但雙轉(zhuǎn)子采用永久磁鋼而非旋轉(zhuǎn)電樞（a spinning armature）。這種方法的優(yōu)點是無需機械換向。

交流軸向設(shè)計還能使用徑向電機的標準三相交流電機控制器（three-phase AC motor controllers）。這有助于降低成本，因為控制器是控制扭矩的電流，而不是速度。控制器需要12 kHz以上的頻率，是這類設(shè)備的主流頻率（a mainstream frequency）。

較高的頻率源于?20 μH?的較低繞組電感。頻率可控制電流，以盡量減少電流紋波（minimise?current ripple），并確保盡可能平穩(wěn)的正弦信號（a sinusoidal signal）。從動態(tài)角度來看，這樣做很好，扭矩可以快速變化，從而實現(xiàn)更平滑的電機控制。

這種設(shè)計采用分布式雙層繞組（a distributed?doublelayer?winding），因此磁通從轉(zhuǎn)子通過定子流向另一個轉(zhuǎn)子，路徑非常短，效率更高。

該設(shè)計的關(guān)鍵在于，它可以在最高?60 V?的電壓下工作，不適合更高電壓系統(tǒng)。因此，可用于電動摩托車和雷諾Twizy等L7e級四輪車。

60 V的最高電壓（maximum voltage）使電機可以集成到主流的48 V電氣系統(tǒng)中，并簡化了維護工作。

歐洲框架法規(guī)?2002/24/EC?中的?L7e?四輪摩托車規(guī)格規(guī)定，用于運載貨物的車輛重量不超過?600?公斤，不包括電池重量。這些車輛允許載客量不超過?200?千克，載貨量不超過1000?千克，發(fā)動機功率不超過15?千瓦。分布式繞組方法可提供?75-100?牛米的扭矩，峰值輸出功率為?20-25?千瓦，持續(xù)功率為?15?千瓦。

軸向磁通（axial flux）的挑戰(zhàn)在于銅繞組（copper windings）如何散熱，這很困難，因為熱量必須穿過轉(zhuǎn)子。分布式繞組是解決這一問題的關(guān)鍵，因為它有大量的極槽（a high number of slots）。這樣，銅和外殼之間就有了更大的表面積，熱量可以傳到外部，由標準的液體冷卻系統(tǒng)排出。

多磁極是利用正弦波形（sinusoidal waveform）的關(guān)鍵，有助于減少諧波（harmonics）。這些諧波表現(xiàn)為磁體和磁芯發(fā)熱（heating of the magnets and core），而銅元件無法將熱量帶走。當磁鐵和鐵芯中的熱量積聚時，效率就會下降，這就是為什么優(yōu)化波形和熱路徑（optimise?the waveform and heat path）對電機性能至關(guān)重要的原因。

該電機的設(shè)計進行了優(yōu)化，以降低成本，可實現(xiàn)自動化大批量生產(chǎn)。擠壓外殼環(huán)（An extruded housing ring）無需復(fù)雜的機械加工，能降低材料成本。線圈可直接繞制，并在繞制過程中采用粘合工藝（a bonding process），以保持正確的裝配形狀。

關(guān)鍵的一點是，線圈由標準的市售電線（commercially available wire）制成，而鐵芯則使用標準的現(xiàn)成變壓器鋼材層壓（standard laminated off-the-shelf transformer steel），只需將其切割成形即可。其他電機設(shè)計需要在鐵芯層壓中使用軟磁材料（soft magnetic materials），成本可能更高。

使用分布式繞組意味著磁鋼不需要分段；它們可以是更簡單的形狀，更容易制造。減小磁鋼的尺寸并確保其易于制造，對降低成本有著重要影響。

這種軸向磁通電機的設(shè)計也可按客戶要求定制。客戶擁有圍繞基礎(chǔ)設(shè)計開發(fā)的定制版本。然后在試驗生產(chǎn)線上制造，以進行早期產(chǎn)量驗證，該生產(chǎn)線可在其他工廠復(fù)制。

定制（customisation）主要是因為車輛的性能既取決于軸向磁通量電機的設(shè)計，也取決于車輛結(jié)構(gòu)、電池組和BMS?的質(zhì)量。

編輯：黃飛

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