中國報告大廳網(wǎng)訊，在2025年的電機(jī)行業(yè)發(fā)展進(jìn)程中，高效節(jié)能、結(jié)構(gòu)緊湊的電機(jī)技術(shù)成為推動各領(lǐng)域設(shè)備升級的關(guān)鍵力量。其中，軸向磁通永磁電機(jī)作為一種利用永磁材料建立磁場的新型永磁驅(qū)動裝置，憑借基于電磁感應(yīng)定律實現(xiàn)的電能與機(jī)械能高效轉(zhuǎn)換特性，在新能源汽車、風(fēng)能發(fā)電、工業(yè)自動化以及民用家電等領(lǐng)域展現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭。與傳統(tǒng)徑向磁通電機(jī)相比，其體積緊湊、重量輕盈、能量轉(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn)，不僅滿足了當(dāng)下對設(shè)備高性能的需求，還在降低能源消耗、減少運(yùn)行噪音與振動方面發(fā)揮著重要作用，成為電機(jī)行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的重要方向之一。以下是2025年電機(jī)行業(yè)技術(shù)分析。
軸向磁通永磁電機(jī)(通常被稱為盤式永磁電機(jī))，其核心優(yōu)勢源于獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計和磁路布置，實現(xiàn)了磁場沿軸向分布，即磁通方向與轉(zhuǎn)軸保持平行，這一特性使其在體積、重量、功率密度等方面具備顯著競爭力，尤其在功率不超過 10 千瓦的小型風(fēng)機(jī)應(yīng)用場景中表現(xiàn)突出。該類電機(jī)的核心部件包括定子、轉(zhuǎn)子以及永磁體，工作時通過電流經(jīng)過定子繞組產(chǎn)生磁場，與轉(zhuǎn)子上嵌入的永磁體相互作用，在交變電流影響下形成旋轉(zhuǎn)磁場，進(jìn)而驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動并輸出轉(zhuǎn)矩。
從分類與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來看，軸向磁通永磁電機(jī)通常依據(jù)定子和轉(zhuǎn)子的數(shù)量搭配分為單定子單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、單定子雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、雙定子單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)以及多級式設(shè)計四種類型。同時，根據(jù)定子和轉(zhuǎn)子的具體結(jié)構(gòu)特性，還可細(xì)分為鐵芯型、非鐵芯型、槽式定子和無槽式定子等多種磁路拓?fù)湫问?。其中，無鐵芯軸向磁通永磁同步電機(jī)相較于傳統(tǒng)有鐵芯類型，因取消了定子中的鐵芯結(jié)構(gòu)，有效避免了鐵芯渦流損耗和磁滯損耗，進(jìn)一步提升了效率和性能，同時避免齒槽效應(yīng)，使啟動更平穩(wěn)、轉(zhuǎn)矩波動顯著降低，但也面臨著氣隙非磁性特征增強(qiáng)導(dǎo)致永磁材料用量增加、定子繞組電感減小使弱磁能力受限、需高精度加工技術(shù)保證氣隙均勻性等設(shè)計挑戰(zhàn)。
無鐵芯軸向磁通電機(jī)一般采用定子居中方式設(shè)計，這種結(jié)構(gòu)雖能顯著提升效率，但由于等效氣隙長度增加，相較于同條件下有鐵芯的電機(jī)，永磁體用量會有所增加，對制造成本和設(shè)計復(fù)雜度產(chǎn)生一定影響。在繞組設(shè)計方面，無鐵芯軸向磁通永磁電機(jī)主要有定子疊繞組和非疊繞組兩種類型，其中非疊繞組設(shè)計優(yōu)勢更為顯著，不僅結(jié)構(gòu)簡化，降低制造復(fù)雜性并提升整體設(shè)計靈活性，還具備優(yōu)越的散熱性能，有助于提高電機(jī)在高負(fù)荷運(yùn)行條件下的穩(wěn)定性，同時在材料使用和生產(chǎn)工藝上更為經(jīng)濟(jì)，降低生產(chǎn)成本，提升市場競爭力。
非疊繞組設(shè)計無需考慮齒槽轉(zhuǎn)矩影響，也避免了繞組在齒槽內(nèi)的排布問題，在繞組布局與裝配環(huán)節(jié)擁有更高設(shè)計自由度，可根據(jù)不同應(yīng)用需求衍生出多樣化繞線方案，常見的有三相相鄰分布和三相相組分布兩種典型形式。需要重點(diǎn)關(guān)注的是，無鐵芯電機(jī)繞組中的渦流效應(yīng)問題，當(dāng)永磁體隨轉(zhuǎn)子盤旋轉(zhuǎn)時，在軸向和周向的氣隙磁通作用下，交變氣隙磁場會在導(dǎo)體和并聯(lián)導(dǎo)體之間感應(yīng)出渦流，尤其在高頻交變磁場環(huán)境下，會導(dǎo)致電機(jī)損耗增加、繞組溫度上升，影響整體效率。目前，采用繞組用單根直徑很小的 Litz 線、并聯(lián)截面積較小的導(dǎo)體以及先進(jìn)的絞合導(dǎo)體技術(shù)，是降低渦流損耗效果明顯的方案。
在軸向磁通電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，采用雙側(cè)配置的中間定子或轉(zhuǎn)子方案較為普遍，該方案能有效解決單側(cè)磁力不平衡問題。在永磁體排布上，軸向磁通電機(jī)與徑向永磁電機(jī)有相似之處，通?？蛇x擇直接附著、嵌入或 Halbach 排列等方式。為抑制有槽結(jié)構(gòu)中常見的齒槽轉(zhuǎn)矩效應(yīng)，軸向磁通電機(jī)常通過優(yōu)化永磁體的傾斜角度或偏移位置等手段實現(xiàn)性能提升，相較于傳統(tǒng)定子斜槽方式更為簡便且效果顯著。
在雙轉(zhuǎn)子中間定子的軸向磁通電機(jī)中，永磁體最常見的排列形式為 NS 和 NN 兩種。NS 排列時，左側(cè)磁通沿軸向穿過定子，定子軛部可設(shè)計得很薄，甚至采用無磁軛形式，簡化結(jié)構(gòu)并降低材料成本;NN 排列時，右側(cè)磁通通過定子的周向路徑形成回路，需要一定的軸向長度以防止軛部磁路飽和，設(shè)計時需考慮電機(jī)的緊湊性。此外，軸向磁通電機(jī)的轉(zhuǎn)子還可采用內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)設(shè)計，將永磁體嵌插于轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)部，外部由非導(dǎo)磁盤固定，這種設(shè)計具備短等效氣隙長度，有助于控制定子電感，在弱磁區(qū)域?qū)崿F(xiàn)更大的轉(zhuǎn)矩輸出，同時永磁體埋設(shè)在鐵芯內(nèi)部，提升了電機(jī)在高速運(yùn)行時的穩(wěn)定性。
《2025-2030年中國電機(jī)行業(yè)市場分析及發(fā)展前景預(yù)測報告》指出，在槽式永磁電機(jī)設(shè)計中，永磁體與定子齒槽之間的磁耦合效應(yīng)會引發(fā)齒槽轉(zhuǎn)矩現(xiàn)象，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩波動、振動和噪聲問題，影響電機(jī)性能和運(yùn)行品質(zhì)。從轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，主要有四種有效的抑制方法。一是內(nèi)外斜極設(shè)計，通過將永磁體的磁極沿轉(zhuǎn)子圓周方向傾斜一定角度，減少磁極與定子齒槽之間的磁耦合效應(yīng)，降低齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生;二是極弧優(yōu)化，對磁極的弧長進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使磁極與定子齒槽配合更合理，減少磁力線集中分布，降低齒槽轉(zhuǎn)矩影響;三是磁極偏移設(shè)計，調(diào)整磁極位置，使其與定子齒槽錯開一定角度或距離，避免直接對齊，減少齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生;四是極距調(diào)節(jié)，合理調(diào)節(jié)磁極之間的距離(極距)，使磁極分布更均勻，減少齒槽轉(zhuǎn)矩對電機(jī)運(yùn)行的干擾。對于表貼式結(jié)構(gòu)電機(jī)，因永磁體結(jié)構(gòu)多樣性、尺寸和形狀易于調(diào)整，上述方法得到了廣泛應(yīng)用。
無鐵芯軸向磁通電機(jī)因定子結(jié)構(gòu)無芯，導(dǎo)致繞組電感顯著降低，這一特性可能引發(fā)較大電流變化，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致電流中斷，產(chǎn)生明顯轉(zhuǎn)矩波動。目前，研究者們探索的矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、無傳感器控制和自適應(yīng)控制等傳統(tǒng)控制策略，在提升控制性能方面仍存在一定局限性，需進(jìn)一步改進(jìn)以適應(yīng)小電感特性，當(dāng)前研究主要集中在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化方面。
在逆變器拓?fù)湓O(shè)計上，已提出多電平級聯(lián) H 橋逆變器、前置電流斬波技術(shù)、多電平直流環(huán)節(jié)逆變器以及中性點(diǎn)嵌入型逆變器等優(yōu)化方案，這些方法能在無需大幅增加開關(guān)頻率的情況下有效抑制電流波動，但通常會導(dǎo)致硬件成本上升。通過在電路中加入外部串聯(lián)電感，雖會降低系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能，但在挑戰(zhàn)更低成本且空間要求寬松的應(yīng)用場景中仍具有較高應(yīng)用價值。電流源逆變器作為一種有潛力的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，雖能提供更好的性能表現(xiàn)，但由于電路中反向阻塞二極管的導(dǎo)通損耗以及受限于具備反向阻塞功能的開關(guān)器件的技術(shù)成熟度，廣泛應(yīng)用仍面臨挑戰(zhàn)。綜合來看，擴(kuò)展母線電壓范圍是較為理想的解決方案，不僅支持在線調(diào)節(jié)，無需增加額外硬件空間，還具有成本更低、控制精度更高的特點(diǎn)。
軸向磁通電機(jī)由于獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計，通常需要特定的材料與加工技術(shù)，制造過程較為復(fù)雜，難以實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，導(dǎo)致生產(chǎn)成本普遍高于傳統(tǒng)徑向磁通電機(jī)。其制造工藝主要包含七大關(guān)鍵步驟：一是定子鐵芯卷繞成型，采用硅鋼帶卷繞技術(shù)，并借助專用沖卷設(shè)備完成;二是定子鐵芯激光焊接，對卷繞成型的定子鐵芯進(jìn)行激光焊接處理;三是定子組裝與繞組繞制，將繞組精確繞制于定子鐵芯之上;四是真空灌封工序，該環(huán)節(jié)對提升電機(jī)性能與運(yùn)行穩(wěn)定性至關(guān)重要;五是轉(zhuǎn)子纏繞工藝，使用碳纖維絲將永磁體穩(wěn)固纏繞在轉(zhuǎn)子本體上;六是動平衡測試，確保轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn);七是整體性能檢測，對電機(jī)的最終性能進(jìn)行全面檢測。
在關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)的優(yōu)化與創(chuàng)新方面，取得了多方面進(jìn)展。定子沖卷工藝采用一次沖卷成型技術(shù)，通過伺服系統(tǒng)精確控制沖片模具，簡化生產(chǎn)流程，顯著提升產(chǎn)能，同時提高材料利用率，有效控制制造成本;真空灌封工藝?yán)米詣踊z料混合與注射設(shè)備，精確調(diào)控灌封用量，實現(xiàn)綠色環(huán)保的工藝流程，確保電機(jī)絕緣性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及可靠性達(dá)到更高標(biāo)準(zhǔn);盤式轉(zhuǎn)子工藝引入碳纖維濕法纏繞技術(shù)，增強(qiáng)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，采用整體充磁技術(shù)降低裝配復(fù)雜性，通過去料動平衡技術(shù)進(jìn)一步減少轉(zhuǎn)子運(yùn)行中的失效風(fēng)險;總成裝配工藝實現(xiàn)自動化裝配流程，提高產(chǎn)品合格率，結(jié)合數(shù)字化管理技術(shù)推動智能制造發(fā)展，使產(chǎn)品具備可追蹤性，產(chǎn)能易于擴(kuò)展與復(fù)制。每一道工序環(huán)環(huán)相扣，需嚴(yán)格把控并在關(guān)鍵工藝上進(jìn)行技術(shù)革新和優(yōu)化，才能確保最終產(chǎn)品的高質(zhì)量與高性能，通過這些優(yōu)化與創(chuàng)新，軸向磁通電機(jī)的生產(chǎn)效率、成本控制及性能表現(xiàn)均得到顯著提升。
軸向磁通電機(jī)與傳統(tǒng)徑向永磁電機(jī)在設(shè)計結(jié)構(gòu)上存在明顯不同，從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來看，軸向磁通電機(jī)形式更為多樣，在實際應(yīng)用中具有重要研究價值。在功率密度與轉(zhuǎn)動慣量方面，軸向磁通電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，同性能輸出下功率密度較高，且轉(zhuǎn)子質(zhì)量較輕，轉(zhuǎn)動慣量較小;在電磁性能上，當(dāng)電機(jī)體積保持一致、單位面積損耗及氣隙磁密相同時，若極數(shù)超過 10 極且長徑比低于 0.3，軸向磁通電機(jī)在電磁轉(zhuǎn)矩和功率密度方面表現(xiàn)更優(yōu)異;在永磁體用量與成本、散熱性能對比上，軸向磁通電機(jī)因等效氣隙較長，永磁材料用量相對較大，直接增加生產(chǎn)成本，而傳統(tǒng)徑向磁通電機(jī)需要更高效的散熱設(shè)計以滿足運(yùn)行需求;在繞組電感與弱磁能力方面，軸向磁通電機(jī)因省略定子鐵芯，繞組電感較小，導(dǎo)致弱磁能力受到一定限制，對電機(jī)的控制策略提出更高要求。
軸向磁通電機(jī)作為創(chuàng)新電機(jī)類型，優(yōu)勢十分突出。其一，軸向尺寸較小，整體結(jié)構(gòu)緊湊，體積小巧，便于在空間受限的場合使用;其二，功率密度較高，部分拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化后可實現(xiàn)輕量化和材料利用率提升;其三，散熱性能突出，能適應(yīng)較高功率密度的工作需求;其四，多樣化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計為特定應(yīng)用場景下的電機(jī)結(jié)構(gòu)選擇提供更廣泛可能性。
但在實際應(yīng)用中，軸向磁通電機(jī)也存在局限性。當(dāng)功率等級提升時，轉(zhuǎn)軸的機(jī)械強(qiáng)度和空間布局面臨較大挑戰(zhàn)，高速旋轉(zhuǎn)條件下對轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝要求更高;較大的軸向力可能導(dǎo)致氣隙定位困難，容易引發(fā)偏芯問題，且較小的氣隙長度難以實現(xiàn);目前定子部分的自動化加工技術(shù)尚未完全成熟，制造工藝的復(fù)雜性使整體技術(shù)成熟度有待提高，這些因素均對電機(jī)的廣泛應(yīng)用形成一定限制。不過，通過采用多盤式結(jié)構(gòu)等優(yōu)化設(shè)計，部分問題可得到改善，未來該類電機(jī)在特定領(lǐng)域的應(yīng)用前景仍值得期待。
軸向磁通永磁電機(jī)作為電機(jī)行業(yè)中一種創(chuàng)新的高效節(jié)能型電機(jī)，憑借優(yōu)異的效率特性、高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密度、高集成度以及結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢，加之扁平化設(shè)計和多樣化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在新能源汽車、風(fēng)能發(fā)電、工業(yè)自動化及民用家電等多個領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用潛力，為各領(lǐng)域設(shè)備性能提升和能源節(jié)約提供了有力支撐。
然而，在實際應(yīng)用過程中，該類電機(jī)仍面臨諸多技術(shù)難題，如高速運(yùn)行的技術(shù)瓶頸、性能優(yōu)化的設(shè)計難度、散熱與冷卻方案的復(fù)雜性、加工制造的工藝要求高等，同時設(shè)備的定制化需求和供應(yīng)鏈體系的不完善也制約著其廣泛應(yīng)用。隨著電機(jī)行業(yè)技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新與迭代發(fā)展，軸向磁通永磁電機(jī)在高效化、節(jié)能化、智能化、自動化以及新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計等方面展現(xiàn)出巨大發(fā)展?jié)摿ΑＮ磥?，通過不斷攻克技術(shù)難題、優(yōu)化制造工藝、完善供應(yīng)鏈體系，軸向磁通永磁電機(jī)有望在更廣泛的領(lǐng)域得到應(yīng)用，為現(xiàn)代工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和能效提升做出重要貢獻(xiàn)，推動電機(jī)行業(yè)朝著更高質(zhì)量、更高效能的方向發(fā)展。
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