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計優勢。比如，軸向磁通量電機（Axial flux motors）可改變動力傳動系統的設計方式，將電機從車軸移至車輪內部。

1.?軸向動力（Axis of power）

軸向磁通電機正在獲得越來越多的關注（gain traction）。多年來，這種電機一直用于電梯和農業機械等固定應用（stationary applications），但在過去十年中，許多開發人員一直致力于改進這項技術，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。

傳統的徑向磁通電機（radial flux motors）使用永久磁鐵（permanent magnets）或感應電機（induction motors），目前在優化重量和成本上有長足的進步，但要繼續發展面臨諸多困難。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。對于輪內電機而言，這往往是至關重要的因素（crucial factor）。軸向電機緊湊的結構，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計者的選擇。

2.?軸向磁通技術（Axial flux technology）

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

目前，大多數永磁電機都采用徑向磁通拓撲結構（radial flux topology）。磁通回路從轉子上的永久磁鐵開始（starts at a permanent magnet），經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，到達轉子上的第二個磁鋼。在雙轉子軸向磁通拓撲結構中，磁通環（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）會導致額外的重量（additional weight）、成本、電阻（electrical resistance）和更多的熱耗，設計人員不得不改進繞組設計。

軸向磁通電機的線圈端部（coil overhangs）要少得多，有些設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。線圈繞組的設計是區分供應商水平的

關鍵。

3.?發展（Development）

軸向磁通電機在設計和生產方面面臨著一些嚴峻的挑戰，盡管具有技術優勢，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），制造方法和機械設備也一應俱全（readily available）。

軸向磁通電機的一個主要挑戰是，保持轉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。采用無磁軛拓撲結構（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，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。

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

雙定子單轉子電機沒有環形電機面臨的挑戰，但定子的設計要復雜得多，而且難以實現自動化，相關成本也居高不下。不同于任何傳統的徑向磁通電機，軸向電機制造工藝和機械設備直到最近才出現。

4. 電動汽車應用

可靠性（Reliability）在汽車行業中至關重要，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模生產，一直是一項挑戰。這促使軸流電機供應商（axial motor suppliers）開展了廣泛的驗證計劃（carry out their own extensive validation program），每家供應商都要證明其電機的可靠性與傳統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，通常設計得略微?"過大（over-dimensioned）"。好在軸向通量電機的轉子質量較小（lower-mass rotors），承受的旋轉動力軸負載也較低（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用領域之一。較薄的寬度可將電機和變速箱封裝在車橋中。在混合動力應用中，電機較短的軸向長度反過來又縮短了傳動系統的總長度。

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），系統的復雜性也降低了。

不過，目前似乎還沒有出現標準配置。每個原始設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）電機拓撲結構是雙轉子單定子拓撲結構的一個范例，它降低了制造復雜性，適用于自動化批量生產。這些電機在?2000-9000 rpm?的轉速下，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，包括帶有介質油冷卻（dielectric oil cooling）的熱管理，適用于軸向磁通電機以及感應和徑向磁通電機。

這使得電動汽車原始設備制造商和一級開發商能夠靈活地根據應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，電池數量更多，從而提高續航里程（boost the range）

5.?電動摩托車應用

針對電動摩托車和ATV，有公司開發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計（DC brush-based axial flux designs），而新產品是交流、全密封無刷設計。

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

交流軸向設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），并確保盡可能平穩的正弦信號（a sinusoidal signal）。從動態角度來看，這樣做很好，扭矩可以快速變化，從而實現更平滑的電機控制。

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

該設計的關鍵在于，它可以在最高?60 V?的電壓下工作，不適合更高電壓系統。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電氣系統中，并簡化了維護工作。

歐洲框架法規?2002/24/EC?中的?L7e?四輪摩托車規格規定，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，持續功率為?15?千瓦。

軸向磁通（axial flux）的挑戰在于銅繞組（copper windings）如何散熱，這很困難，因為熱量必須穿過轉子。分布式繞組是解決這一問題的關鍵，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排出。

多磁極是利用正弦波形（sinusoidal waveform）的關鍵，有助于減少諧波（harmonics）。這些諧波表現為磁體和磁芯發熱（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，這就是為什么優化波形和熱路徑（optimise?the waveform and heat path）對電機性能至關重要的原因。

該電機的設計進行了優化，以降低成本，可實現自動化大批量生產。擠壓外殼環（An extruded housing ring）無需復雜的機械加工，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計也可按客戶要求定制。客戶擁有圍繞基礎設計開發的定制版本。然后在試驗生產線上制造，以進行早期產量驗證，該生產線可在其他工廠復制。

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計，也取決于車輛結構、電池組和BMS?的質量。

編輯：黃飛

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