轴向磁通电机技术全解析：定子/绕组/磁路特征与优势、挑战与解决思路、应用的关键

- 关于2024年全球动力系统研讨会报告解读

- 文字原创，素材来源：James Byatt, Traxial BV

- 本篇为知识星球节选，完整版报告与解读在知识星球发布(全文7300字)

- 600+最新全球汽车动力系统相关的报告与解析已上传知识星球，欢迎学习交流

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导语： 上半年，在梅赛德斯奔驰2023年路演年报中我们提到：奔驰为获得更高效、强劲的动力性能，全资收购电机供应商YASA Motors，自研超高性能的无轭轴向磁通电机：奔驰汽车要放弃电动化？不存在！| Mercedes-Benz年报解读，给我们的启示

今天我们继续聚焦于这一解决方案。Traxial，一家来自比利时的电机制造商，诞生于无轭轴向磁通技术，深耕这一领域，让我们一起来看看Traxial的轴向磁通技术到底有什么与众不同？是什么让他们坚定不移地走在这条道路上？他们又是如何通往大规模生产的"彼岸"？

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目录

1. 轴向磁通与径向磁通(已发布)

• 1.1 分类与对比（相同点/异同点）

• 1.2 有轭轴向磁通电机的特征

• 1.3 无轭轴向磁通电机特征

2. 理论分析：无轭轴向磁通电机的优势在哪里？为什么？

• 2.1 定子上的优势

• 2.2 绕组的优势

• 2.3 磁路上的优势 

3. 实践：无轭轴向磁通电机面临的挑战和解决方案(知识星球发布)

• 3.1 "热"的挑战和解决方案

• 3.2 机械结构上的挑战与解决方案

• 气隙均匀的挑战

• 离心力的挑战

• 解决办法

• 3.3 制造上的挑战和解决方案

• Traxial实现大规模生产和低成本的思路：

4. 无轭轴向磁通 - 为什么是驱动系统的未来?(知识星球发布)

• 1/3轴向长度
  

• 2倍功率密度/3倍扭矩密度

• CO2足迹减少45%

5. 在电动汽车上的关键应用(知识星球发布)

• 5.1 分布式双电机驱动系统

• 5.2 轮毂电机驱动系统

注：以上内容节选，完整内容知识星球中发布

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01

轴向磁通与径向磁通

(知识星球发布)

1.1 分类与对比

1.2 拓扑和优缺点：有轭轴向磁通

1.3 拓扑和优缺点：无轭轴向磁通

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02

无轭轴向磁通电机的优势在哪里？为什么？

2.1 定子上的优势

下图概括了无轭轴向磁通定子的关键特点和优势。具体而言主要有两个方面：

1. 没有定子轭部 -> 减少了定子中的钢材使用量，具体的：

• 减少定子铁损 -> 提高效率

• 质量更低 -> 更高的功率/扭矩密度

• 更低的二氧化碳足迹：由于效率的提高和质量的降低，这种电机在生产和使用过程中产生的二氧化碳排放也会减少，大约减少45%

2. 较短的磁通路径 -> 更高的效率，具体的：

• 径向磁通电机的电磁通量必须在定子和转子中"弯曲"；轴向磁通电机中电磁通量通过定子沿直线传递至转子，路径更短

• 直线型的定子磁通路径可以使GO(Graind-oriented-steel)钢在磁芯中使用，与径向磁通电机唯一可选的非取向类型相比，这种钢的损耗较低

图片来源：Traxial

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2.2 绕组的优势

无轭轴向磁通转子的最大特点是：分数槽集中绕组，即没有线圈"悬垂"部分。这意味着线圈更加紧凑，没有空间浪费。那么，为什么这会带来有事呢?

图片来源：Traxial

从以下5个方面展开说明下：

1. 节省铜材：使用这种绕组方式，可以节省高达50%的铜材。进一步带来优势：

• 降低铜损：由于铜的使用量减少，因此铜的损耗也会降低。
• 提高电流密度：紧凑的绕组设计允许更高的电流密度，从而提高电机的性能。
• 提高扭矩密度：这意味着电机在相同体积下可以产生更大的扭矩。
• 减轻质量：由于铜材的减少，电机的整体质量也会降低。
• 提高功率/扭矩密度：在相同体积下，电机能够产生更高的功率和扭矩。
• 降低二氧化碳排放：由于效率的提高和质量的降低，这种电机在生产和使用过程中产生的二氧化碳排放也会减少。

2. 易于自动化：这种绕组方式使得线圈的绕制或弯曲更容易实现自动化。

3. 适合批量生产：这种设计适合离线生产，可以并行化生产过程，使得制造更容易扩展。

4. 增加了D轴电感：使电机具有更高的电气性能 -> 更高的CPSR等级

5. 单层线圈的使用：使用平直的导线制成单层线圈，因为内部热阻比较低，适合与直接油冷却结合。

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2.3 磁路上的优势

下图解释了为什么轴向磁通电机会获得更高的扭矩。

图片来源：Traxial

从两个方面说明下图片内容：

1. 电机直径和扭矩

我们直到，磁通量的大小决定了电机驱动力的强弱，机械扭矩是通过气隙中的磁通相互作用产生的。对于某一尺寸的电动机，气隙的表面积越大，且该区域距离旋转轴越远，则产生的扭矩越大。

上图是电机中的气隙表面积和力臂的示意图。可以看出，径向磁通电机中，扭矩与电机直径的平方成正比；然而，在轴向通电机中，扭矩与直径的三次方成正比。

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2.径向上无定子——更大的有效空间

第二个导致扭矩更高的因素是：轴向磁通电机的电机外径和气隙表面外径之间不需要为定子留出空间。换句话说，转子在定子旁边旋转，而不是在定子内部。这就意味着，有效气隙距离旋转中心轴更远 -> 拥有更长的力臂 -> 与径向磁通电机相比，在相同磁体材料下，可以产生更高的扭矩。下图横向对比了各类电机的功率密度，可以看出Axial Flux拥有绝对的优势。

图片来源：Traxial

综上，轴向磁通电机在同等物理条件下，可以获得更高的转矩/功率密度。我们知道，在效率相同的情况下，任何体积功率密度的增加，都意味着必须从更小的体积中获取相同数量的热量，如果要发挥出电机性能潜力，则需要非常高效的冷却系统，这是首先要解决的问题。因此，想要真正发挥出轴向磁通电机的优势，一个强大的冷却系统必不可少。

下面我们从热、结构、制造三方面，看看轴向磁通电机究竟面临着什么样的关键挑战？针对这些挑战，又有什么样的解决办法？

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03

无轭轴向磁通电机面临的挑战和解决方案

(知识星球发布)

3.1 "热"的挑战和解决方案

在热工程中，用于疏散高热流密度的最有效的冷却策略是：直接液体冷却。

下图左侧展示了线圈导线之间的冷却液流动路径示意图...

下图右侧展示了定子中冷却液并行流动路径示意图...

进一步说明：上面的这种直接液体冷却方式，可以使电机获取非常好的持续性能。但是，这种方法并不适用于径向磁通电机，因为...

3.2 结构上的挑战与解决方案

->气隙均匀性挑战...

->离心力的挑战...

-> 解决方案...

3.3 制造上的挑战和解决方案

Traxial实现大规模生产和低成本的思路...

04

无轭轴向磁通 - 为什么是驱动系统的未来?

(知识星球发布)

1. 扭矩密度高达3倍...

2. 功率密度高达2倍...

3. 轴向长度通常只有1/3...

4. CO2降低约45%...

05

在电动汽车上的关键应用

(知识星球发布)

5.1 分布式双电机驱动系统

下图展示的是600kW双电机驱动概念图：轴向磁通电机+同轴行星齿轮+6相逆变器。其特征和优势...

5.2 轮毂电机驱动系统

下图为一个紧凑的100kW、1500Nm轮毂电机概念图， 该装置的直径为280mm，质量为25kg，基本结构如下：...

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以上是关于TRAXIAL轴向磁通电机技术方案的的学习和解读(节选)，完整版报告与解读在知识星球 [SysPro|国际峰会报告解读] 专栏发布 (全文7300字)，欢迎阅读学习。

更多轴向磁通电机的拓展阅读(如下图)、电磁学培训视频、电机设计实践视频已在星球「SysPro|视频培训|控制器」专栏发布。相关内容可以结合知识星球中<电磁学理论篇>和<电机设计实践30讲>的培训视频一同学习，专栏介绍：电动汽车动力总成工程师的武器装备库。

【参考文献】

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2024年9月23日 晚

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