轴向磁通电机最新研究进展：高功率密度背后的突破与挑战

电传动技术是车辆实现全电化的重要基础，电驱动系统是电动车辆的动力核心，而轮毂电驱系统是电驱动系统的终极驱动形式，轮毂电机的性能在轮毂电驱系统中具有决定性作用。

对于轮毂驱动系统，其内部空间有限，使得轮毂电机需要同时具有高功率密度、结构紧凑、轴向尺寸短的特点。相比于径向电机，轴向电机以其结构扁平超薄、更高的转矩密度、较好的散热能力等特点，近几年成为许多企业和大学团队研究的热点，表1为现阶段国内外轴向电机产品关键指标比较。

根据定转子数量，轴向电机可分为单定子单转子结构、双定子单转子结构、单定子双转子结构和多盘式结构。目前，电驱动行业集中采用双定子单转子和单定子双转子两种结构拓扑。根据轮毂电机的特点，轴向磁通电机的研究应该主要围绕高功率密度、高效率、宽调速范围和可靠性方面开展。

1 高效率高功率密度

提高轴向磁通电机的功率密度和效率，主要基于降低电机损耗和质量、增加电机极对数、提高电机转速和提高电机散热效率。

双定子单转子盘式电机（AFIR）结构如图1所示，磁场经过永磁体和两个定子铁心实现闭合。双定子有效提高了电机的电负荷，提升了电机的功率密度。

单定子双转子结构盘式电机（TORUS结构），其定子在中间，转子在两侧，定子绕组分别与两侧永磁体作用产生转矩。根据两个转子N和S级相对位置，TORUS常见的排列方式是NS和NN型式。NS结构盘式电机，由于其磁场特性，可以采用无轭结构。

无轭盘式电机（YASA）取消了定子轭，提高了绕组槽满率，并且降低了电机铁耗、定子铁心质量、绕组端部尺寸，增加了电机的转矩密度的同时提高了电机的运行效率，结构如图2所示。天津大学的王晓远团队提出了一种新型并联磁路轴向磁通永磁电机，该电机定子与YASA结构相同，其转子结构如图3所示。内置式结构为电机增加了磁阻转矩，聚磁和Halbach并联结构提高了电机气隙磁密正弦度，相比于同等条件下的YASA电机，该电机转矩密度增加了9%，永磁体用量降低了38%，转子损耗降低。

为了提高电机的运行效率，将应用于聚焦粒子加速器的Halbach磁化概念引入电机设计中。轴向磁通电机中引入Halbach阵列永磁体结构后，电机可以取消转子铁心结构，降低了电机的铁心损耗和转子的转动惯量。

轴向磁通永磁游标轮毂电机，轴向磁通电机结合了游标电机等效极数高的特点，电机转矩密度得到进一步提高。

定子永磁型电机无论是径向电机还是轴向电机，其在功率/转矩密度的可靠性方面具有一定的优势。但是该种电机在带来高功率密度的同时引入了较大的转矩脉动。东南大学Hao Li等提出一种双转子轴向磁通切换电机，电机原理如图4所示，分析了电机的磁极宽度和定子槽口高对电机反电动势正弦度和齿槽转矩大小的影响因素，经过优化后，转矩脉动降低了80%。

2 宽调速范围

AFPM与径向电机都是通过永磁体励磁，电机的磁场不宜调节，为改善电机弱磁扩速能力，提高电机转速范围，国内外许多学者除了在控制上采用弱磁技术提高电机转速范围，在电机本体结构方面主要针对两种轴向磁通电机展开研究，分别为轴向磁通永磁记忆电机和混合励磁轴向磁通切换电机。

国立台湾大学Y. P. Yang等研制了一款双定子单转子结构的盘式轮毂永磁电机，该电机的母线电压为300 V，最高转速可达1 184 r/min，峰值转矩为274 N·m。电机采用分数槽集中绕组，有效提高了电机转矩密度，降低了电机转矩脉动。在绕组控制上采用串并联切换的方式，当电机需要低速大转矩驱动时，电机每相绕组的各个支路采用串联的方式，提高电机反电动势，在电流不变的条件下提高电机的电磁转矩，当电机高速运行时，将绕组支路进行并联，降低绕组反电动势，提高电机弱磁扩速能力。

3 高可靠性

轮毂电机作为电动汽车的动力核心，其可靠性直接影响电动汽车的驾驶安全。有文献提出了新型双定子结构六相轴向磁通永磁电机，电机绕组分成两组三相绕组，分别安装在两个单独的定子中，并且空间相差30°，绕组采用分数槽集中绕组，两个三相绕组之间互感较低，每个三相绕组实现物理隔离，相比于传统的六相电机提高了电机可靠性，并且在正常和容错运行的条件下输出相同转矩时，电机的涡流损耗分别降低了25%和70%。

有文献提出了一种新型的双转子轴向开关磁通永磁电机，该电机定子绕组结构为每相的绕组集中放置，永磁体采用具有聚磁功能的spoke结构，如图5所示，转子采用两个转子未对准的结构形式。改善了轴向电机的容错能力，且降低了电机的转矩脉动。

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