軸向磁通電機(jī)：惠斯通如何按應(yīng)用場景精準(zhǔn)匹配扁平化動力

軸向磁通電機(jī)的物理本質(zhì)決定了其“大直徑、短軸向"的扁平盤狀幾何構(gòu)型，磁通方向沿電機(jī)軸線平行傳播，定轉(zhuǎn)子以盤狀平行排列。當(dāng)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子直徑的三次方成正比時，它在不顯著增加軸向長度的前提下便能獲得遠(yuǎn)超傳統(tǒng)徑向電機(jī)的扭矩能力，功率密度可達(dá)傳統(tǒng)電機(jī)的2—3倍，體積與重量分別可減少50%以上和45%以上 [1] 。這一特性從電磁學(xué)上鎖定了其適用邊界：凡是對軸向安裝空間存在強(qiáng)約束，同時對轉(zhuǎn)矩密度或功率重量比有較高要求的場合，軸向磁通電機(jī)往往構(gòu)成比徑向電機(jī)更優(yōu)的技術(shù)選項  。

江蘇惠斯通依托二十余年特種電機(jī)技術(shù)積累，從電動汽車輪邊驅(qū)動、工業(yè)精密機(jī)器人關(guān)節(jié)，到低空經(jīng)濟(jì)飛行器動力與特種裝備直接驅(qū)動，形成了面向應(yīng)用場景分類的軸向磁通電機(jī)產(chǎn)品矩陣。“按用途選電機(jī)，按工況配參數(shù)"，已成為惠斯通在軸向磁通領(lǐng)域推進(jìn)產(chǎn)品工程化的核心邏輯。

一、按轉(zhuǎn)子/定子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類：單定子單轉(zhuǎn)子、雙定子單轉(zhuǎn)子與無軛分段式

軸向磁通電機(jī)根據(jù)定轉(zhuǎn)子組合形式，主要分為單定子單轉(zhuǎn)子、雙定子單轉(zhuǎn)子、單定子雙轉(zhuǎn)子等結(jié)構(gòu)類型 [3] 。單定子單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)較簡潔，但軸向磁拉力需要依靠軸承系統(tǒng)加以平衡；雙定子單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)通過兩側(cè)定子對稱布置，軸向磁拉力自動平衡，在相同直徑下有效增加氣隙總面積以實現(xiàn)更高轉(zhuǎn)矩密度 [4] 。

惠斯通針對空間極度受限且需消除軸向不平衡力的場景，重點采用雙定子單轉(zhuǎn)子方案。在此構(gòu)型下，一個轉(zhuǎn)子盤被上、下兩個定子盤夾于中間，磁路呈對稱閉合形態(tài)，軸向合力近似為零，大幅降低了對軸承的附加負(fù)載。該方案在電動汽車輪轂電機(jī)與機(jī)器人關(guān)節(jié)模組中獲得了較好的適配效果。

無軛分段電樞結(jié)構(gòu)可取消傳統(tǒng)定子軛部，僅保留獨立定子齒模塊，定子鐵心質(zhì)量可減少約80%，同時顯著降低渦流損耗 [5] 。惠斯通針對中低速、大扭矩且對重量有較高要求的應(yīng)用場景，如電動飛行器螺旋槳直驅(qū)或工業(yè)大轉(zhuǎn)矩回轉(zhuǎn)臺，將無軛分段式結(jié)構(gòu)作為優(yōu)先工程選項。

二、按應(yīng)用場景分類：新能源汽車、人形機(jī)器人、低空經(jīng)濟(jì)、工業(yè)精密驅(qū)動與特種裝備

2.1 新能源汽車：輪邊驅(qū)動與主驅(qū)電機(jī)

在電動乘用車和商用車領(lǐng)域，軸向磁通電機(jī)的高轉(zhuǎn)矩密度與短軸向長度，使其在輪轂/輪邊驅(qū)動布置中具有天然結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。電磁力學(xué)表明，輪邊驅(qū)動的關(guān)鍵在于必須將驅(qū)動單元扁平化，以嵌入空間極為有限的輪輞內(nèi)側(cè)。采用雙定子單轉(zhuǎn)子軸向磁通構(gòu)型的輪轂電機(jī)，可在360mm直徑約束下穩(wěn)定輸出超2000Nm級扭矩，并且取消中間傳動軸與減速齒輪箱，整車Y方向尺寸可節(jié)省約50%  。

惠斯通面向電動重卡與高性能乘用車平臺，開發(fā)了適配400V/800V高壓母線的大功率軸向磁通輪邊電機(jī)系列，峰值功率可達(dá)225kW，電機(jī)總質(zhì)量控制在30kg以內(nèi)，單臺電機(jī)功率密度超過7.5kW/kg [7] 。在工程機(jī)械與商用車輛領(lǐng)域，搭載惠斯通軸向磁通電機(jī)的輪邊驅(qū)動系統(tǒng)已實現(xiàn)滿載坡道起步與電制動能量回收的閉環(huán)驗證。

2.2 人形機(jī)器人：關(guān)節(jié)模組與精密執(zhí)行器

人形機(jī)器人對關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)的要求可概括為三點：高扭矩密度（在有限體積內(nèi)輸出足夠動力）、低轉(zhuǎn)動慣量（實現(xiàn)快速動態(tài)響應(yīng)）、緊湊幾何尺寸（適配仿生關(guān)節(jié)外形）。軸向磁通電機(jī)的大直徑-短軸向特征與機(jī)器人關(guān)節(jié)需求恰好形成高度匹配，扭矩密度可達(dá)到徑向電機(jī)的2—4倍  。

在雙足行走機(jī)器人的髖關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)中，高動態(tài)響應(yīng)是保持步態(tài)平衡的基礎(chǔ)。惠斯通利用軸向磁通電機(jī)低轉(zhuǎn)子慣量特性，使加速響應(yīng)時間由傳統(tǒng)電機(jī)的約15ms縮短至5—8ms，大幅優(yōu)化了行走機(jī)器的姿態(tài)控制能力。在靈巧手等微型精密執(zhí)行器方面，惠斯通采用PCB定子軸向磁通電機(jī)方案，通過多層印刷電路板直接構(gòu)造定子繞組，電機(jī)軸向厚度可壓縮至5mm以內(nèi)，為多指手提供了高集成度的驅(qū)動方案 [9] 。

2.3 低空經(jīng)濟(jì)：eVTOL飛行器與無人機(jī)動力

eVTOL飛行器的動力系統(tǒng)對功率重量比有著近乎“克克計較"的苛刻要求。每減重1kg，飛行器續(xù)航里程可增加約10km [10] 。軸向磁通電機(jī)憑借其高功率重量比特性，已在多家主流飛行器制造商的主推進(jìn)系統(tǒng)中形成批量化應(yīng)用。2024年全球軸向磁通電機(jī)市場規(guī)模約為2.72億美元，其中低空經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域貢獻(xiàn)了較大增量 [11] ；預(yù)計全球市場規(guī)模至2032年將進(jìn)一步增長，年復(fù)合增長率預(yù)期處于較高區(qū)間 [12] 。

在某一型號eVTOL的傾轉(zhuǎn)旋翼動力單元中，惠斯通定制的雙定子單轉(zhuǎn)子軸向磁通電機(jī)重量約15.6kg，最大拉力超過400kg，推力重量比超過25:1。電機(jī)效率MAP超過雙90高效區(qū)，覆蓋飛行器從懸停、過渡到巡航的各類工況。非晶合金材料技術(shù)的導(dǎo)入使定子鐵損降低至傳統(tǒng)硅鋼片的約1/5—1/10，400V/800V雙電壓平臺兼容設(shè)計進(jìn)一步簡化了整機(jī)電控架構(gòu)的配套集成 [13] 。

2.4 工業(yè)精密驅(qū)動：半導(dǎo)體設(shè)備與高精度轉(zhuǎn)臺

在晶圓檢測、納米級定位轉(zhuǎn)臺、光學(xué)對準(zhǔn)系統(tǒng)等領(lǐng)域，電機(jī)既要保持充分的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，又不能因齒槽效應(yīng)引發(fā)可檢測的低速抖動。徑向電機(jī)通常需要通過復(fù)雜的磁極斜極設(shè)計將齒槽轉(zhuǎn)矩降至較低水平，而軸向磁通電機(jī)由于其盤狀幾何構(gòu)型，天然具有更低的齒槽轉(zhuǎn)矩特性。在采用無槽空氣芯定子的場合，齒槽轉(zhuǎn)矩可趨近于零 [14] 。

惠斯通向半導(dǎo)體檢測設(shè)備廠商提供直接驅(qū)動轉(zhuǎn)臺的軸向磁通無槽電機(jī)方案，重復(fù)定位精度優(yōu)于±0.5角秒，全程速度波動小于0.1%。該方案可替代“電機(jī)+蝸輪蝸桿減速機(jī)"的常規(guī)傳動形式，消除了減速機(jī)固有的回程間隙，保證了顯微鏡或光學(xué)傳感器在低速掃描過程中的成像穩(wěn)定性。

2.5 特種裝備：礦用隔爆驅(qū)動與深海推進(jìn)器

在煤礦井下與深海作業(yè)等特種裝備領(lǐng)域，設(shè)備必須有較高的防護(hù)等級和隔爆性能。軸向磁通電機(jī)的短軸結(jié)構(gòu)使其更容易置入隔爆外殼，同時保持較高的功率密度。惠斯通針對礦用帶式輸送機(jī)與刮板機(jī)開發(fā)了軸向磁通永磁直驅(qū)系統(tǒng)，直接取消了減速機(jī)和液力耦合器等中間傳動環(huán)節(jié)，傳動鏈故障點可減少30%—40%，系統(tǒng)效率提升約8%—12%。在深海ROV推進(jìn)器和AUV主推進(jìn)器中，惠斯通采用充油壓力補(bǔ)償與鈦合金殼體，軸向磁通電機(jī)可在3000米級水深環(huán)境中持續(xù)提供推進(jìn)動力，且整機(jī)軸向長度較徑向方案縮短約40%，為水下航行器釋放了寶貴的艙內(nèi)有效載荷空間。

三、應(yīng)用分類匯總參考

四、結(jié)語

軸向磁通電機(jī)的技術(shù)本質(zhì)，是在“旋轉(zhuǎn)半徑"與“軸向長度"之間找到一個更緊湊的耦合方式——用直徑換取扭矩，用扁平換回空間。在電動車輛、人形機(jī)器人、低空飛行器和特種裝備等對空間與質(zhì)量較為敏感的動力場景中，這一特性比其他技術(shù)路線更為適配。江蘇惠斯通從材料、拓?fù)涞较到y(tǒng)集成的定制能力，覆蓋從輪轂電機(jī)到深海推進(jìn)器的多種應(yīng)用端，為軸向磁通電機(jī)在不同工業(yè)剖面中的工程化落地提供了全流程技術(shù)支撐。