- АвторДжонни Лю (генеральный директор Dowway Vehicle)
- Технический рецензентД-р Арис Торн, ведущий архитектор силовых агрегатов.
- Опубликовано: 24 июля 2026 г.
- Обновлено: 24 июля 2026 г.
- Примерное время чтения: 12 минут
Table of Contents
0. Краткое изложение основных положений
- Определение: Ан Осевой магнитодвижущий двигатель (AFM) Это бесщеточный электродвигатель с постоянными магнитами или индукционный электродвигатель, в котором протекают линии магнитного потока. параллельно оси вращения по плоскому диску, а не радиально по цилиндру.
- Показатели эффективностиДоставка до На 30–40% более высокая плотность крутящего момента и В 2–3 раза более высокая непрерывная удельная мощность. ($\ge 40\text{ кВт/кг}$) по сравнению с современными электродвигателями с радиальным потоком.
- 3 основных технологических столпа:
- Материалы и архитектура статора: Мягкие магнитные композиты (SMC), бесякорные и сегментированные якоря (YASA) и статоры на печатных платах.
- Роторная инженерия: Двухроторные конфигурации, массивы магнитов Гальбаха и сегментированные/скошенные магниты NdFeB.
- Терморегулирование и производство: Прямое охлаждение статора погружным маслом, контроль точности воздушного зазора с микрометрической точностью и автоматизированная лазерная сварка обмоток.
1. Введение: Изменения в конструкции электродвигателей
На протяжении более столетия индустрия электромобилей и промышленная автоматизация почти полностью полагались на Радиально-потоковые двигатели (РПД). В конструкции с радиальным магнитным потоком магнитный поток распространяется радиально наружу через цилиндрический воздушный зазор между концентрическими элементами ротора и статора. Несмотря на свою надежность и отработанность, традиционные архитектуры с радиальным магнитным потоком достигают физических пределов по удельной мощности, коэффициенту заполнения медью и объемной эффективности.
По мере того, как возрастают требования к производительности электрических гиперкаров, летательных аппаратов eVTOL, тяжелых коммерческих самолетов и человекоподобных роботов с высокой степенью свободы, инженерам-разработчикам силовых агрегатов требуются более высокие показатели отношения крутящего момента к весу.
Войдите в Осевой магнитодвижущий двигатель (AFM). Несмотря на исторические ограничения, связанные со сложностью производства и управлением осевыми силами, современные достижения в материаловении, трехмерном электромагнитном моделировании и автоматизированной сборке сделали осевые магнитосиловые машины коммерчески жизнеспособными.
Понимание электромагнитной физики осевых двигателей, а также трех ключевых технологических инноваций, определяющих их коммерциализацию, имеет важное значение для любого инженера или руководителя, занимающегося проектированием систем электромобильности следующего поколения.
2. Часть 1: Основные принципы работы осевых двигателей
2.1 Физика и электромагнитная геометрия
Различие между радиальными и осевыми машинами заключается в геометрическая ориентация воздушного зазора и вектор магнитного поля относительно оси вала:
RADIAL FLUX MOTOR (RFM) AXIAL FLUX MOTOR (AFM)
[Stator Outer Ring] [Rotor Disk 1]
| Magnetic Flux | ==> Axial Magnetic Flux (Parallel)
[Rotor Inner Cylinder] [Stator Disk]
(Radial Direction) | ==> Axial Magnetic Flux (Parallel)
[Rotor Disk 2]
- Радиально-поточный двигатель (РПД)Векторы магнитного потока простираются перпендикулярно оси вала. Активный электромагнитный объем линейно зависит от длины ($L$) и квадратично от радиуса ($R$), что приводит к моменту, пропорциональному квадрату диаметра, умноженному на длину: $$T_{\text{radial}} \propto D^2 \cdot L$$
- Осевой магнитодвижущий двигатель (AFM)Векторы магнитного потока текут параллельно оси вращения вдоль одной или нескольких поверхностей дисков. Площадь поверхности, создающей крутящий момент, напрямую зависит от внешнего диаметра ($D_{\text{out}}$) и внутреннего диаметра ($D_{\text{in}}$) дисков статора. Электромагнитный крутящий момент масштабируется пропорционально куб диаметра: $$T_{\text{axial}} \propto D_{\text{out}}^3 – D_{\text{in}}^3$$
Поскольку в осевой машине крутящий момент масштабируется кубически с диаметром, увеличение радиуса приводит к большему увеличению крутящего момента, чем увеличение длины радиального двигателя. Это позволяет создать тонкий «блинчатый» корпус с небольшой осевой площадью.
2.2 Матрица количественного сравнения: осевой поток против радиального потока
| Метрика / Параметр | Осевой магнитодвижущий двигатель (AFM) | Радиально-поточный двигатель (РПД) | Преимущества дизайна |
|---|---|---|---|
| Вектор линии магнитного потока | Параллельно оси вала ($\parallel$) | Перпендикулярно оси вала ($\perp$) | Изменяет физические габариты с цилиндрических на дисковые. |
| Форм-фактор / Геометрический профиль | Короткая осевая длина, большой радиальный диаметр (“Блин”) | Большая осевая длина, малый радиальный диаметр (“Барабана”) | Подходит для установки в труднодоступные места ступиц колес, корпусов трансмиссий и гондол самолетов. |
| Объемная плотность крутящего момента | Очень высокий (На 30–40% выше) | Умеренный | Значительная экономия веса при одинаковом крутящем моменте. |
| Гравиметрическая плотность мощности | Чрезвычайно высокий (30–45+ кВт/кг) | Стандартный (8–18 кВт/кг) | Незаменим для систем, чувствительных к весу (eVTOL, суперкары). |
| Объём торцевого витка медного провода | Минимальное/укороченное количество активных витков обмотки. | Значительный (неактивный медный выступ на конце витка) | Снижает пассивные потери веса меди и внутреннего сопротивления ($I^2R$). |
| Способность рассеивать тепло | Прямое воздействие на поверхность статора | Ограничено внешней оболочкой корпуса | Обеспечивает прямое контактное охлаждение погружением или канальным охлаждением маслом. |
| Осевое магнитное притяжение | Значительная структурная нагрузка на воздушный зазор. | Сбалансирован радиально относительно центрального вала. | Требуются жесткие конструктивные корпуса и точное управление подшипниками. |
| Автоматизация производства | Расширение автоматизированных линий с большим объемом производства. | Полностью зрелая, стандартизированная на глобальном уровне. | Производственные издержки снижаются по мере расширения производства оснастки в глобальном масштабе. |
2.3 Ключевые операционные преимущества, способствующие внедрению в отрасли
- Высокое соотношение крутящего момента к весуБлагодаря размещению активной медной и магнитной массы на максимальном радиусе ($R_{\text{outer}}$), АСМ максимизируют плечо момента электромагнитных сил, обеспечивая высокий удельный крутящий момент ($\text{Н}\cdot\text{м/кг}$).
- Нижний пассивный медный воздушный каналВ радиально-полевых машинах большая часть медной проволоки располагается вне активного паза статора (так называемые «концевые витки»), создавая электрическое сопротивление без генерации крутящего момента. Осевые катушки имеют более плотные и короткие концевые витки, что минимизирует тепловые потери меди ($1^2R$).
- Гибкость упаковкиТонкая дисковая форма позволяет осевым двигателям интегрироваться непосредственно в редукторы, устанавливаться внутри ступиц колес (двигатели внутри колес) или располагаться друг за другом на одном валу для формирования высокоплотных многомоторных силовых установок.
3. Часть 2: Три ключевые технологии, способствующие развитию аксиально-поточных двигателей
Хотя концепция осевого потока восходит к ранним экспериментам Майкла Фарадея с дисковым двигателем в 1831 году, её производство на начальном этапе застопорилось из-за ограничений в материалах и структурных нагрузок. Сегодня… три ключевых технологических прорыва Мы устранили эти исторические препятствия.
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| AXIAL FLUX CORE TECHNOLOGIES |
+------------------------------------+----------------------------------------------+
| Core Tech #1: Advanced Stators | • Soft Magnetic Composites (SMC) |
| | • Yokeless & Segmented Armatures (YASA) |
| | • Etched PCB Stators |
+------------------------------------+----------------------------------------------+
| Core Tech #2: Rotor Optimization | • Dual-Rotor Configurations (SDR / DSR) |
| | • Halbach Array Flux Concentration |
| | • Magnet Segmentation & Skewing |
+------------------------------------+----------------------------------------------+
| Core Tech #3: Thermal & Assembly | • Direct Immersion & Channel Oil Cooling |
| | • Micrometer Air-Gap Precision Control |
| | • Automated Laser-Welded Windings & Potting |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
Ключевая технология №1: Инновации в области статоров и передовые материалы.
Основная проблема
В обычных радиальных двигателях используются плоские пластины из электротехнической стали, расположенные вдоль оси вала. В двигателе с осевым магнитным потоком магнитный поток протекает в трех измерениях по трехмерным путям вдоль зубцов статора. Штамповка и гибка двухмерных ламинированных листов для формирования трехмерного сердечника статора с осевым магнитным потоком приводят к высоким потерям на вихревые токи и усложняют процесс производства.
Инженерные решения:
- Мягкие магнитные композиты (ММК):
- МеханизмМатериалы SMC состоят из порошков железа высокой чистоты, покрытых электроизолирующим микротонким керамическим слоем.
- Преимущество: Выставки SMC изотропные магнитные свойстваЭто означает, что поток распространяется с одинаковой проницаемостью во всех трех пространственных измерениях (x, y, z).
- Производственный эффектКомпоненты из SMC-материала изготавливаются методом высокотемпературной порошковой металлургии под высоким давлением, что позволяет создавать трехмерные формы полюсов статора с низкими потерями материала, низкими потерями на высокочастотные вихревые токи и высокой точностью формы.
- Бесштоковые и сегментированные арматурные топологии (например, архитектура YASA):
- МеханизмВ традиционных статорах для замыкания пути возврата магнитного потока используется массивная внешняя железная «ярмо». В конструкциях без ярма задняя железная часть статора полностью отсутствует, остаются отдельные изолированные сегменты зубцов статора.
- ПреимуществоУдаление железного ярма статора уменьшает массу статора до 80%при этом увеличивается плотность магнитного потока через активные медные катушки. Линии магнитного потока проходят непосредственно от одного ротора через зубчатый сегмент к противоположному ротору.
- Статоры на печатных платах (PCB):
- МеханизмДля устройств с низким и средним энергопотреблением (например, робототехника, легкие транспортные средства и двигатели дронов) толстый медный провод заменяется многослойными медными дорожками, вытравленными непосредственно на дисках из материала FR4 или печатных плат с металлическим сердечником.
- ПреимуществоУстраняет пульсации крутящего момента, обеспечивает стабильную геометрическую точность, позволяет автоматизировать производство поверхностного монтажа и создает тонкий профиль (толщина статора < 5 мм).
Основная технология №2: Топология ротора и электромагнитная конструкция
Основная проблема
Поскольку роторы с осевым магнитным потоком представляют собой плоские диски, расположенные близко к поверхностям статора, сильные электромагнитные силы притяжения (часто превышающие тысячи Ньютонов) притягивают ротор к статору. Кроме того, постоянные магниты, подверженные воздействию высокочастотных вращательных магнитных полей, испытывают локализованные магнитные колебания. вихретоковый нагрев, что может привести к размагничиванию магнита.
Инженерные решения:
- Двухроторные топологии (один статор, два ротора – SDR):
- МеханизмЦентральный статорный диск расположен между двумя внешними магнитными роторными дисками в симметричной сэндвич-конструкции.
- ПреимуществоСилы магнитного притяжения, создаваемые ротором А на статор, равны по величине и противоположны по направлению силам магнитного притяжения, создаваемым ротором В. уравновешивает осевые силы, что позволяет снять с центральной опорной конструкции массивные непрерывные осевые нагрузки, одновременно удваивая площадь активной поверхности для приложения крутящего момента.
[ Rotor Disk 1 (Magnets N/S) ]
=== ------------------------------ === <-- Air Gap 1
[ Central Stator (SMC / Coils) ]
=== ------------------------------ === <-- Air Gap 2
[ Rotor Disk 2 (Magnets S/N) ]
- Конфигурации магнитов массива Хальбаха:
- МеханизмПостоянные магниты (обычно высококоэрцитивные NdFeB или SmCo) расположены на поверхности ротора в пространственно вращающемся порядке намагничивания.
- Преимущество: Массивы Хальбаха концентрируют магнитный поток на активной стороне воздушного зазора, компенсируя магнитное поле на обратной стороне. Это устраняет необходимость в толстых и тяжелых железных задних пластинах ротора, снижая общую инерцию ротора.
- Сегментация магнитов и искажение:
- МеханизмКрупные блоки постоянных магнитов разделены на крошечные, электрически изолированные подсегменты (ламинированные магниты) и расположены под углом (наклонены) относительно радиального вектора.
- ПреимуществоСегментация прерывает петли микровихревых токов, снижая внутренний нагрев магнита до 60%–70%. Смещение магнита сглаживает переходы поля, подавляя пульсации крутящего момента и снижая уровень шума, вибрации и жесткости (NVH).
Ключевая технология №3: терморегулирование и высокоточное производство
Основная проблема
Выработка высокой непрерывной мощности в компактном корпусе приводит к концентрированному тепловому потоку. Стандартные внешние жидкостные охлаждающие рубашки (кольца из водно-гликолевой кислоты), используемые вокруг радиальных двигателей, не могут должным образом охлаждать статоры с осевым потоком, поскольку тепло должно передаваться радиально через множество тепловых интерфейсов.
Инженерные решения:
- Масло с прямым погружением и внутренним канальным охлаждением:
- МеханизмДиэлектрическое масло подается непосредственно в сердечник статора, погружая активные медные обмотки или протекая через микроканалы, вытравленные в зубчатых структурах из керамического композита.
- ПреимуществоПрямое охлаждение маслом отводит тепло непосредственно от источника. Это снижает тепловое сопротивление более чем на 100%. 3xчто позволяет двигателю работать непрерывно на уровне 80–90%. его максимальной номинальной мощностиВ то время как двигатели с рубашечным охлаждением быстро изнашиваются при длительных нагрузках.
- Микрометровый контроль воздушного зазора:
- МеханизмМаксимальная производительность по осевому потоку зависит от поддержания плотного, равномерного воздушного зазора (обычно 0,5–1,2 мм) между высокоскоростными вращающимися дисками ротора и центральной поверхностью статора.
- ПреимуществоАвтоматизированная сборка использует лазерные датчики перемещения и активную регулировку зазоров во время запрессовки корпуса для предотвращения наклона диска или термической деформации под воздействием высоких крутящих моментов.
- Автоматизированная непрерывная намотка и заливка смолой:
- МеханизмРоботизированные иглонамоточные машины наматывают прямоугольную медную проволоку с высоким коэффициентом заполнения (>65%). Эпоксидные смолы с высокой теплопроводностью термически вакуумно заливаются вокруг статорных узлов для заполнения воздушных пустот и передачи тепла к конструкциям корпуса.
4. Применение в реальных условиях и отраслевая структура
Внедрение аксиально-поточных двигателей расширяется в секторах высокоскоростной мобильности и промышленности:
1. Автомобили и суперкары
- Mercedes-Benz / YASAКомпания Mercedes приобрела YASA для интеграции аксиально-поточных электродвигателей в свою будущую электрическую платформу AMG. Компактные агрегаты устанавливаются на ведущие оси, обеспечивая ускорение, сравнимое с суперкарами, при меньшем весе силовой установки.
- Гибридные автомобили Ferrari с возможностью подзарядки от сети (SF90 / 296 GTB)Компания Ferrari использует компактные аксиально-поточные двигатели, соединенные между двигателем внутреннего сгорания и коробкой передач, для обеспечения мгновенного увеличения крутящего момента в условиях ограниченного пространства.
2. Авиация и городская воздушная мобильность (eVTOL)
- Электрические авиационные тягиСамолеты вертикального взлета (eVTOL) зависят от строгих ограничений по весу. Осевые двигатели обеспечивают крутящий момент прямого привода, необходимый для плавного вращения больших пропеллеров без использования тяжелых механических редукторов.
3. Гуманоидная робототехника и высокомоментные приводы
- Роботизированные шарниры с прямым приводомДля конечностей человекоподобных роботов требуются компактные плоские приводы, которые устанавливаются в тазобедренные, коленные и плечевые суставы, обеспечивая высокий удерживающий крутящий момент и плавное управление на низких скоростях без люфта в шестернях.
5. Часто задаваемые вопросы (FAQ)
В1: Почему осевые двигатели более эффективны, чем радиальные двигатели?
ОтвечатьОсевые двигатели отличаются более короткими концевыми витками обмотки, что напрямую снижает потери сопротивления меди (1²R). Кроме того, плоская геометрия диска обеспечивает большую площадь поверхности для прямого охлаждения, поддерживая более низкие рабочие температуры и сохраняя высокую электрическую эффективность под нагрузкой.
В2: В чем заключается основная производственная проблема при выпуске аксиально-поточных двигателей?
ОтвечатьОсновная проблема заключается в управлении сильными осевыми магнитными силами при одновременном соблюдении допусков на воздушный зазор менее миллиметра во время крупносерийной сборки. Кроме того, для изготовления 3D-стержней статора требуется специализированная оснастка, такая как прессы для мягких магнитных композитов (SMC) или специализированное намоточное оборудование.
В3: Какова роль мягких магнитных композитов (SMC) в осевых двигателях?
ОтвечатьМатериалы SMC обеспечивают свободное трехмерное (изотропное) течение магнитного потока, поскольку состоят из изолированных частиц железного порошка. Это позволяет инженерам штамповать сложные трехмерные формы зубцов статора с низкими потерями на вихревые токи на высоких рабочих частотах.
Вопрос 4: Могут ли аксиально-поточные двигатели работать в электромобилях без редуктора?
ОтвечатьДа, аксиально-поточные двигатели обеспечивают высокую плотность крутящего момента на низких оборотах, что делает их хорошо подходящими для силовых агрегатов с прямым приводом. Удаление редуктора снижает вес трансмиссии, уменьшает потери на механическое трение и упрощает общую конструкцию трансмиссии.
6. Ключевые выводы и перспективы развития инженерного направления
Электрификация смещается от базовых возможностей к оптимизированной эффективности и объемной удельной мощности. Хотя радиально-поточные двигатели будут по-прежнему использоваться в экономически важных областях применения со стандартными характеристиками, Осевые двигатели устанавливают стандарты для высокопроизводительных, критичных по весу и компактных применений..
Путем объединения Статоры из мягкого магнитного композита, топологии Хальбаха с двумя роторами, и прямое погружное масляное охлаждениеТехнология осевого потока превратилась из узкоспециализированной концепции в основной источник энергии для транспортных средств следующего поколения. Команды инженеров, разрабатывающие силовые установки с использованием осевых конструкций сегодня, установят стандарты производительности на завтра.
Об авторе
Джонни Лю является генеральным директором в Транспортное средство для доуэй. Обладая обширным опытом в области проектирования передовых транспортных средств, интеграции силовых агрегатов и решений в сфере экологически чистой мобильности, Джонни возглавляет разработку технических стратегий, направленных на коммерциализацию электрических силовых агрегатов следующего поколения и устойчивых транспортных платформ.
По вопросам, касающимся технического сотрудничества или инженерных консультаций в области интеграции современных двигателей, обращайтесь к инженерной команде Dowway Vehicle.