磁
磁场手帖 AXIAL FLUX NOTES
本期主打 · 盘式拓扑专稿

轴向磁通电机:薄盘里的磁路重排

把磁通方向从径向翻转为轴向之后,同样体积的电机可以换来更高的转矩密度。本文用一张参数表、四份设计手稿与五次访谈,记录轴向磁通电机从实验室样机走到量产台架的完整路径。

  • # 盘式定子
  • # 无轭部磁路
  • # 轮毂直驱
  • # 功率密度
  • # 手稿复盘
轴向磁通电机盘式定子与转子在报刊亭式展架上的陈列实拍
2025
第0533期
4.6 kW/kg实测功率密度峰值
18 mm单侧气隙叠片总厚
96.2%额定工况效率
41 次页面累计修订
01

我们为什么盯着一台扁电机

栏目:图鉴前言 · 阅读约 4 分钟

从一张测功机报表说起

2019年秋天,编辑部第一次把一台轴向磁通电机样机搬上测功机台架,报表上的转矩曲线在低速段明显比同直径的径向电机更饱满,但温升也更快。这个矛盾成了后来六年跟踪记录的起点。我们不是厂商,也不做整机销售,我们只做一件事:把公开的样机数据、工程师手稿与拆机照片整理成可比较的档案。

与常见的异步电机相比,盘式电机把定子与转子做成两个平行圆盘,磁力线沿轴向穿过气隙,磁路长度因此被压缩,铁耗与铜耗的分配也随之改变。这种结构在轮毂直驱、风电变桨与飞行器推进器上反复出现,原因并不神秘:空间越扁,盘式结构越占便宜。

这份档案里所有的影片式记录都标注了上映年份、评分与片种,方便读者判断样本年代;所有引用数据均在来源区块标出检索渠道。若你想直接看结论,可以跳到核心优势;若你更关心设计细节,创作幕后区的四份手稿更值得一读。

运营时间线与修订节奏

  1. 站点上线

    首个版本仅收录 3 台样机的基础参数,页面结构为纯文本表格。

  2. 引入手稿专栏

    开始接收工程师授权的草图扫描件,累计归档 26 份。

  3. 参数表改版

    把功率、冷却、场景三组字段拆成可筛选结构,检索耗时下降约六成。

  4. 第 41 次修订

    补充 2024 年度台架复核数据,并重排移动端首屏层级。

02

磁通方向翻转之后发生了什么

栏目:原理拆解 · 阅读约 5 分钟

用一步就是去掉减速齿轮箱,让盘面直接驱动负载。方向一变,磁路长度、散热面积与装配公差的要求全部跟着改写。下面三条是最容易被忽略的连锁反应。

磁路变短,铁耗结构改变

磁力线只需穿过盘厚而非绕行整个定子外圆,硅钢用量随之下降。空载铁耗在低速段显著降低,但高频段涡流损耗占比上升,叠片厚度通常要压到 0.2 毫米级别才稳妥。

端面散热,热路径更短

盘面本身就是散热面,热量到外壳的距离被缩短。代价是绕组端部暴露在盘侧,一旦冷却风道设计不当,局部热点会集中在齿顶,温升曲线容易出现拐点。

轴向力,装配的第一道坎

两侧转子对定子的磁吸力沿轴向叠加,必须由轴承或结构件承接。小功率样机尚可忽略,功率上到百千瓦级后,轴向力平衡往往比电磁设计更先决定方案成败。

数据来源与核对方式

本页出现的效率、功率密度与温升数值均取自可公开检索的渠道,正文保留两位小数以便比对。凡标注为「样机实测」的条目,说明数据出自第三方台架测试记录;凡标注为「设计值」的条目,说明来自厂商公开的技术说明文档。两类数值不混用,避免把仿真结果当成实测成绩。

本次修订核对来源
  1. 中国电器工业协会公开的电机能效分级说明文件
  2. 高校电机实验室公开的轴向磁通拓扑综述论文
  3. 整机厂公开的轮毂直驱技术说明手册
  4. 编辑部历年台架测试原始记录(留存纸质件编号 A19-A41)
03

一台盘式电机拆开是六层

栏目:结构图鉴 · 六件核心部件

04

六款样机参数横评

栏目:数据对照 · 点击按钮筛选

轴向磁通电机样机参数对照表 · 数据整理截至 2025年03月
编号场景峰值功率功率密度冷却方式温升记录
A-01轮毂直驱62 kW3.8 kW/kg盘面水冷绕组 78 K
A-04轮毂直驱88 kW4.6 kW/kg油冷喷淋绕组 92 K
B-02风电变桨15 kW2.4 kW/kg自然对流绕组 64 K
B-07风电变桨22 kW2.9 kW/kg强制风冷绕组 71 K
C-03飞行推进110 kW5.2 kW/kg油冷加风道绕组 105 K
D-05工业泵组45 kW3.1 kW/kg机壳水套绕组 69 K

说明:温升记录为额定工况连续运行两小时后的绕组平均温升,测试环境温度 25 摄氏度。同一场景内不同编号的差异主要来自气隙公差与冷却流道形式,而非磁钢牌号。

05

创作幕后:四份手稿与访谈

栏目:幕后档案 · 点击卡片展开

更新 轴向磁通电机双转子样机装配手稿封面影像

双转子样机的第一次并轴

  • 2021年
  • 评分 8.6
  • 纪录片

记录工程师如何在 14 天内完成两台盘式样机的轴向对中,并保留了三版失败的垫片厚度记录。

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更新 轴向磁通电机绕组改绕试验访谈场景照片

绕组改绕的七次返工

  • 2022年
  • 评分 8.1
  • 访谈

无轭部绕线对张力极其敏感,本片收录了从 0.9 毫米到 1.12 毫米线径的四轮取舍讨论。

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更新 轴向磁通电机台架温升测试过程实拍画面

台架上的九小时温升

  • 2023年
  • 评分 7.9
  • 实验记录

连续加载至热平衡,曲线在第 214 分钟出现拐点,成为后来调整冷道宽度的直接依据。

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更新 轴向磁通电机轮毂直驱整车搭载示意手稿

装进轮毂的十八毫米

  • 2024年
  • 评分 8.8
  • 纪实短片

整车厂要求盘厚压到 18 毫米以内,团队为此重画了冷道与接线腔的全部尺寸链。

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06

为什么值得为它改一次设计

栏目:核心优势 · 六条可验证结论

01

轴向尺寸短,适配扁空间

同样转矩下盘式结构占用的轴向长度更少,在轮毂、机械臂关节与变桨柜这类扁形腔体里优势直接可见。

02

转矩密度更高

磁路缩短加上盘面放大,低速大转矩工况下的转矩密度普遍优于同直径径向机型,直驱时可省去减速机构。

03

盘面即散热面

热量到外壳的距离被压缩,配合盘面冷道可把连续运行的温升压在可接受范围内,实测绕组温升多在 60 至 105 K 之间。

04

模块化叠装

单盘功率不够时可轴向叠装多盘,用同一套模具覆盖不同功率段,换型成本明显低于重新开一套径向模具。

05

容错运行空间

多盘多相设计下,单相失效仍可降额运行,这点在对可靠性要求高的推进与变桨场景中常被写进设计输入。

06

材料用量更省

铁芯用量下降是结构决定的,而不是靠提高磁钢牌号换来的,这使轴向磁通电机在成本敏感场景里仍有优化余地。

07

选型实录:从询价到上架的一百二十天

栏目:实操指南 · 七步流程与三个翻车点

这一节不是参数复述,而是一条完整的时间线。2023 年我们跟着一台用于工业泵组的盘式样机走完从询价到上架的全过程,把每一步实际花的工时、暴露的问题与验收口径记录下来。它回答的是一句很朴素的话:如果你明天要买一台,应该先问什么。

七步流程与对应工时

  1. 明确工况边界

    先确定连续运行还是间歇运行、环境温度上限与安装腔体的三个方向净空。轴向净空往往被低估,直接决定能不能用盘式方案。

  2. 核算转矩而非只看功率

    索取低速段转矩曲线,而不是只比峰值功率。盘式结构的价值集中在低速段,只报功率的样本无法比较。

  3. 确认轴向力承接方案

    问清楚轴承型号与结构件材质,要求给出轴向力估算值。这一步跳过的话,后续振动问题会反复出现。

  4. 锁定冷却形式

    泵组场景最终选了机壳水套,因为现场已有冷却水路,省去改造。散热方案要与现场条件绑定,而不是追新。

  5. 索要气隙公差记录

    要求提供逐台的气隙实测值。盘式电机对气隙敏感,同一批次内偏差过大会让温升表现出现明显分叉。

  6. 台架验收与温升复核

    按额定负载连续运行两小时,记录绕组温升。样本 D-05 的验收结果为 69 K,与环境温度 25 摄氏度一并记录。

  7. 上架与运行观察

    首月按每周一次的频率记录振动与温度,确认无异常后再转为月度点检。

08

相关资讯与档案更新

栏目:资讯速递 · 三条以上

09

高频疑问手写解答

栏目:问答 · 八条 · 与结构化数据一致

盘式结构与普通电机最本质的区别是什么?

区别在磁通方向。普通径向电机的磁力线沿半径方向穿过气隙,盘式结构的磁力线沿轴线方向穿过两个平行圆盘之间的气隙。方向一变,磁路长度缩短、盘面成为主要散热面,同时两侧转子对定子的轴向磁吸力必须由结构件承接,装配公差的要求也随之提高。

盘式电机一定比径向电机效率高吗?

不一定。效率取决于铜耗、铁耗与机械损耗的分配。盘式结构在低速大转矩、轴向空间受限的工况下更容易做出优势,实测样本的额定效率多在 94% 至 96.5% 之间;若工况长期处于高转速区,涡流损耗占比上升,优势可能被抵消,需要按具体转速点核算。

为什么盘式定子的叠片厚度通常做得很薄?

磁通沿轴向穿过叠片平面时会带来较强的涡流效应,叠片越厚,涡流回路越大,高频损耗越高。常见的处理办法是把硅钢厚度压到 0.2 毫米级别,或者改用软磁复合材料,用材料工艺换损耗表现,代价是成本与加工难度上升。

轴向力这么大,靠什么结构来平衡?

主要靠轴承选型与结构件刚度。单侧转子的方案要承受单向吸力,双转子对称结构的吸力可以部分互相抵消。功率越大力越明显,百千瓦级样机的设计流程里,轴向力校核通常排在电磁方案定稿之前,避免后期改结构。

轮毂直驱场景为什么偏爱这种结构?

轮毂内部是一个扁而径向往外扩展的腔体,正好对应盘式电机轴向短、盘面大的形状特征。省去减速机构后传动损耗降低,低速起步转矩也更直接。我们的记录中,把盘厚压到 18 毫米以内的方案,最后都是靠接线腔改侧向引出才腾出空间。

冷却方式应该怎么选?

先看连续运行时长再看功率。短时工况下自然对流加盘面散热往往够用,连续运行的样机基本都要上水冷或油冷。样本里最激进的是飞行推进用样机,采用油冷加风道组合,代价是整机复杂度与维护成本明显上升,选型时要一并计入。

这类电机的成本劣势主要在哪?

集中在永磁材料、叠片加工与装配工时三处。磁钢用量取决于转矩需求,加工精度取决于气隙公差,而装配工时取决于轴向力的处理方式。铁芯用量虽然下降,但未必能抵消另外三项,所以成本结论必须绑定具体功率段来判断。

本页的数据怎样核对?

所有效率与温升数值都标注了记录来源,编辑部历年台架原始记录编号为 A19 至 A41,可对照来源区块的检索渠道逐条回溯。设计与实测两类数据分栏列出,不混用,也不使用无法验证的经验性表述。

10

读者留言板

栏目:留言展示 · 仅陈列不作提交

留言读者盘式电机爱好者的头像
叠片爱好者

把盘厚压到 18 毫米那段看得最过瘾。想问下后续会不会补录双定子单转子的对比数据?如果做过盘式电机的气隙公差实验,也希望能一起放出来。

留言读者台架测试员的头像
台架老周

214 分钟那个拐点很有共鸣,我们台架上也见过类似的斜率突变。建议把冷道截面的实测尺寸图一并归档,光看宽度数字还是不够还原。

留言读者工艺工程师的头像
绕组小许

0.90 到 1.12 毫米这段线径取舍记录得很细,槽满率从 46% 提到 58% 的代价也写清楚了。希望后面能补一份无轭部绕线的张力对照表。

留言读者风电运维人员的头像
变桨阿茂

变桨柜里的空间确实扁,看完参数表才意识到盘式方案的轴向优势这么直观。想请教自然对流那两款在夏季高温环境下的降额策略是怎么定的。

留言区只做陈列,不支持在线提交。想参与讨论的读者可在自己的笔记中写下关于盘式定子或轴向磁场的观察,再回访本页对照参数对照表与幕后手稿复核。

11

内容更新日志

栏目:修订记录 · 最近一次 2025年03月18日

最近三次修订明细

  1. 第 41 次修订

    补录 2024 年度台架复核数据,参数表新增场景筛选按钮,移动端首屏图片改为延迟加载,首屏图像体积下降明显。

  2. 第 39 次修订

    新增第四份幕后档案,收录轮毂尺寸链扫描件 17 页,并同步修正此前两处气隙偏差的记录笔误。

  3. 第 36 次修订

    把冷道宽度与温升拐点的复盘结论写入资讯区,更新结构图鉴中灌封导热层的描述文字。

本页自 2019年10月08日 上线,累计修订 41 次,所有修订均保留字段级变更说明,便于读者核对某一数值的来龙去脉。

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