按照磁通路徑方向，電機(jī)可分為軸向磁通電機(jī)與徑向磁通電機(jī)，雖然磁通方向不同，但是工作原理都遵從電磁學(xué)的基本定律。
即電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通過改變通過線圈(轉(zhuǎn)子)的電流的方向和大小，從而控制線圈（轉(zhuǎn)子）的的磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向，由于定子的磁極固定，當(dāng)轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)方向和強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生洛倫茲力，從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
磁通路徑方向示意圖
軸向磁通電機(jī)定子的磁極沿著軸線排列，轉(zhuǎn)子通常是一個(gè)圓柱形的結(jié)構(gòu)，磁通通過轉(zhuǎn)子的中心軸線，當(dāng)電流通過定子的繞組時(shí)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)沿著軸線方向穿過轉(zhuǎn)子，根據(jù)洛倫茲力定律，這個(gè)磁場(chǎng)會(huì)在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生力矩，從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
軸向磁通電機(jī)的氣隙呈平面型，軸向長度短，為薄盤型形狀，故又稱盤式電機(jī)。
軸向磁通與徑向磁通電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
軸向磁通電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組合靈活，可以根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行組合。根據(jù)定轉(zhuǎn)子組合結(jié)構(gòu)，軸向磁通電機(jī)可分為以下四種結(jié)構(gòu)：
單定子/單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)：1個(gè)轉(zhuǎn)子+1個(gè)定子，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，但單邊磁拉力大，軸承負(fù)荷大，振動(dòng)噪音大，存在定轉(zhuǎn)子摩擦風(fēng)險(xiǎn)，降低電機(jī)壽命；
單定子/雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)：2個(gè)外定子+1個(gè)內(nèi)轉(zhuǎn)子，功率密度高，比較適合牽引系統(tǒng)、航空航天等領(lǐng)域；
雙定子/單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)：2個(gè)外轉(zhuǎn)子+1個(gè)內(nèi)定子，具有良好的對(duì)稱性，單邊磁拉力相對(duì)較小，較適合于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；
多定子/多轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)：多個(gè)定子+多個(gè)轉(zhuǎn)子，適合大轉(zhuǎn)矩場(chǎng)景，如船舶推進(jìn)系統(tǒng)、大型風(fēng)力發(fā)電及水利發(fā)電機(jī)組等。
軸向磁通電機(jī)組合結(jié)構(gòu)
體積小、重量輕：YASA 公司為軸向磁通電機(jī)先驅(qū)，據(jù) YASA 官網(wǎng)數(shù)據(jù)，其軸向磁通電機(jī)體積、質(zhì)量分別為 5L和24kg，而普通車用徑向磁通電機(jī)體積、質(zhì)量分別為10L和50kg，軸向磁通電機(jī)符合汽車輕量化趨勢(shì)，同時(shí)結(jié)構(gòu)緊湊、徑向長度更短，安裝自由度高。
高扭矩密度&功率密度：軸向磁通永磁電機(jī)的有效磁表面積位于電機(jī)轉(zhuǎn)子的表面，而不是外徑，因此在一定體積內(nèi)通常能提供更大的扭矩，進(jìn)而提升扭矩密度和功率密度。據(jù)YASA官網(wǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算，其軸向磁通電機(jī)扭矩密度和功率密度分別達(dá)160Nm/L和14.9kW/kg，4 倍于傳統(tǒng)車用徑向磁通電機(jī)。
高效率：得益于較短的一維磁通路徑，軸向磁通電機(jī)的效率很高，通常超過 96%，可媲美或優(yōu)于市場(chǎng)上最好的二維徑向磁通電機(jī)。軸向磁通電機(jī)在各個(gè)功率級(jí)別下均比普通徑向電機(jī)節(jié)能15%-25%左右，并能維持更長時(shí)間的峰值功率輸出。
YASA的軸向磁通電機(jī)結(jié)構(gòu)
低噪音和振動(dòng)：由于磁場(chǎng)分布均勻，軸向磁通電機(jī)在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪音和振動(dòng)較低，尤其適合對(duì)噪聲和震動(dòng)要求嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)景。
節(jié)能降碳：軸向磁通電機(jī)的體積、重量優(yōu)勢(shì)能讓生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)銅、鐵、永磁等材料消耗與徑向永磁電機(jī)相比減少50%左右，如考慮無鐵心PCB定子技術(shù)，軸向電機(jī)的生產(chǎn)耗銅量能降至徑向電機(jī)的34%
同時(shí)其自重更小、效率更高，在應(yīng)用中電機(jī)消耗電能更低、驅(qū)動(dòng)能力更強(qiáng)，有利于實(shí)現(xiàn)節(jié)能降碳。
成本問題：軸向磁通電機(jī)需要特殊的材料和制造工藝，因而制造成本通常高于傳統(tǒng)的徑向磁通電機(jī)。例如，使用無磁軛拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和特殊的定子轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)，會(huì)導(dǎo)致成本增加。
設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的復(fù)雜性：軸向磁通電機(jī)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)通常會(huì)比較復(fù)雜，比如需要保持轉(zhuǎn)子和定子之間氣隙均勻，運(yùn)行時(shí)的軸向力可能會(huì)對(duì)電機(jī)軸造成嚴(yán)重拉力，制造工藝和機(jī)械設(shè)備不如徑向電機(jī)成熟，這些都限制了規(guī)?；a(chǎn)的能力。
軸向磁通電機(jī)的剖面圖
設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的復(fù)雜度高
散熱難題：由于軸向磁通電機(jī)的繞組位于定子深處和兩個(gè)轉(zhuǎn)子盤之間，散熱非常困難。電機(jī)在高負(fù)載下運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)過熱問題，影響電機(jī)的性能和壽命。
當(dāng)前軸向電機(jī)廣泛應(yīng)用于新能源汽車、航空航天、船舶推進(jìn)、機(jī)器人以及風(fēng)力發(fā)電等要求高轉(zhuǎn)矩密度和空間緊湊的場(chǎng)合中。
軸向磁通電機(jī)的小體積和低理論成本的特性，有望解決輪邊電機(jī)的成本和體積難題，推動(dòng)輪邊電機(jī)的大規(guī)模應(yīng)用。軸向磁通電機(jī)的功率密度優(yōu)勢(shì)，能夠在保持輕量化，減少簧下質(zhì)量的同時(shí)能夠輸出足夠的扭矩，推動(dòng)輪轂電機(jī)的批量應(yīng)用。
盤轂動(dòng)力的輪轂電機(jī)參數(shù)
軸向磁通電機(jī)已在商用車的性能與設(shè)計(jì)優(yōu)化中發(fā)揮重要作用，商用車電氣化是軸向磁通電機(jī)的新藍(lán)海。據(jù)global information預(yù)估，截至2027年，全球汽車軸向電機(jī)市場(chǎng)將從2022年1.35億美元上漲到4.97億美元，CAGR高達(dá)29.8%。
2021年，ACCEL 項(xiàng)目中的“Spirit of Innovation”橫空出世，創(chuàng)下了345.4英里/小時(shí)的純電動(dòng)飛機(jī)空速記錄。這款固定翼飛機(jī)所搭載的軸向電機(jī)，擁有400KW的推進(jìn)功率。
Spirit of Innovation的軸向電機(jī)動(dòng)力方案
據(jù)Industry energy預(yù)估，到2035 年，僅城市空中交通市場(chǎng)就將增長到1000億美元以上。據(jù)M&M預(yù)估，飛機(jī)用電機(jī)市場(chǎng)規(guī)模將從2022年的82億美元增長到 2027 年的129億美元，年復(fù)合增長率為9.4%。其中，5-10kW/kg功率密度的軸向電機(jī)將在預(yù)測(cè)期內(nèi)占據(jù)最大的市場(chǎng)份額。
軸向電機(jī)在船舶提效、減排、結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面優(yōu)勢(shì)顯著。天然的高扭矩密度意味著比傳統(tǒng)電機(jī)更高的電能轉(zhuǎn)換效率以及更加緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這對(duì)于優(yōu)化船舶推進(jìn)體系，節(jié)能降耗至關(guān)重要。Saietta的首款舷外發(fā)動(dòng)機(jī)Propel S1利用AFT 140軸向磁通電機(jī)，整體效率能夠達(dá)到62%。
Propel S1 AFT140軸向磁通電機(jī)
據(jù)Mordor Intelligence預(yù)估，電動(dòng)船舶市場(chǎng)規(guī)模將在 2028 年達(dá)到 114.3億美元，在23-28年之間以12.65%的年復(fù)合增長率增長。
高精端機(jī)器人對(duì)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)有如下要求：快速性。電動(dòng)機(jī)從獲得指令信號(hào)到完成指令所要求的工作狀態(tài)的時(shí)間應(yīng)短；起動(dòng)轉(zhuǎn)矩慣量比大。在驅(qū)動(dòng)負(fù)載的情況下，要求機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小；體積小、質(zhì)量小、軸向尺寸短；能經(jīng)受得起苛刻的運(yùn)行條件，可進(jìn)行十分頻繁的正反向和加減速運(yùn)行，并能在短時(shí)間內(nèi)承受過載。
在毫米級(jí)別厚度的前提下提供較高的峰值扭矩和高響應(yīng)速度的大功率推力，徑向電機(jī)難以實(shí)現(xiàn)的性能要求精準(zhǔn)命中了軸向電機(jī)的優(yōu)勢(shì)區(qū)間。Genesis Robotics 運(yùn)用LiveDrive軸向電機(jī)方案的厚度緊湊性（2cm 厚度）來減緩機(jī)器人腳與地面接觸時(shí)關(guān)節(jié)收到的地面沖擊力，取得良好效果。
LiveDrive軸向磁通機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)
據(jù)Interact Analysis統(tǒng)計(jì)，移動(dòng)機(jī)器人零部件市值預(yù)計(jì)將在自2022年開始以44.8%的CAGR高速增長，在2027年達(dá)到74億美元。根據(jù)Stratistics Market Research Consulting的數(shù)據(jù)，全球人形機(jī)器人市場(chǎng)市值將從2021年的15.11億美元急劇擴(kuò)張到2028年的 264.29億美元，CAGR達(dá)到50.5%。
官方微信