摘要：因为看到了Koenigsegg的轴径向电机资料，花了一些时间搜寻资料，发现国内的非常少，最近的论文也只看到孙博士2022年的一篇，所以上篇中的内容很多都是来自该文，对我等行业外人士真是非常好的学习材料。
因为看到了Koenigsegg的轴径向电机资料，花了一些时间搜寻资料，发现国内的非常少，最近的论文也只看到孙博士2022年的一篇，所以上篇中的内容很多都是来自该文，对我等行业外人士真是非常好的学习材料。
一、引言
1、研究背景
（1）永磁同步电机简介
永磁同步电机是一种由永磁体提供转子磁场、定子绕组通入交流电产生旋转磁场，依靠两者磁场相互作用实现同步运转的电机，它具有高效率、高功率因数等诸多优势。
永磁同步电机是当今电机技术发展的主流技术，具有如下优势：
高效率和能效：永磁同步电机不需要额外的能源来产生转子磁场，因此具有更高的效率和较高的功率因数。高功率密度：由于不需要额外的励磁电流，其体积和重量可以相对较小，从而实现高功率密度。良好的控制性能：可以实现精确的速度和转矩控制，在需要精确控制的应用场景中具有优势。长寿命和高可靠性：永磁体不需要额外的励磁电流，运行过程中不会产生过热问题，结构相对简单，寿命和可靠性较高。节能：由于其高效率和低损耗，永磁同步电机在长期运行中可以节省大量能源。永磁同步电机在多个领域有重要应用：
电动汽车：永磁同步电机的高效率、高功率密度和高转矩密度等优点，使其成为电动汽车的理想动力来源，能够提供良好的动力性能和驾驶舒适性。工业自动化：在工业生产设备中，如输送带、起重机、升降机等，永磁同步电机的高效率和高转矩密度等优点，能够提供良好的动力性能。家用电器：在家用电器领域，如空调、洗衣机、冰箱等，永磁同步电机的高效率和低噪音等优点，能够提供节能和安静的运行环境。航空领域：在飞机的辅助动力系统、起落架驱动系统等应用中，永磁同步电机的高效率和高可靠性等优点，能够提供稳定的动力输出。可再生能源：在风力发电和太阳能发电系统中，永磁同步电机的高效率和良好的控制性能等优点，能够提高能源转换效率。轨道交通：在高速列车和地铁等轨道交通系统中，永磁同步电机的高效率和高转矩密度等优点，能够提供良好的动力性能。船舶：在船舶的推进系统和辅助动力系统中，永磁同步电机的高效率和高可靠性等优点，能够提供稳定的动力输出。医疗设备：在各种医疗仪器中，如CT扫描仪、核磁共振成像仪等，永磁同步电机的高效率和低噪音等优点，能够提供良好的运行环境。（2）永磁同步电机分类
永磁同步电机一般可分为径向磁通电机和轴向磁通电机，
径向磁通电机（Radial FluxMotor）是一种常见的电机类型，其磁通方向为径向，即垂直于转轴。在结构上，转子被安装在定子内部，定子包裹着转子。这种电机的特点是结构简单、制造工艺成熟，广泛应用于各种工业和家用设备中。径向磁通电机的优点是技术成熟、散射性能较好，缺点是体积较大、功率密度低，不适用于空间受限的应用场景。
轴向磁通电机（Axial Flux Motor）的磁通方向为轴向，即平行于转轴。其结构特点是转子和定子铁心的直径相同，定子和转子是在轴上依次装配，像两个圆环用铁棒穿起来。轴向磁通电机的优点是体积小、重量轻、转矩密度高，适合高扭矩密度和空间受限的应用场景。然而，轴向磁通电机的散热问题、磁场分布复杂、对零部件制造精度和装配精度要求高等问题，限制了其大规模量产和应用。
现有的径向磁通永磁电机靠近转轴处的磁通密度较低，导致径向空间利用不充分；轴向磁通永磁电机定子内侧周长比外侧短，为了留出足够的嵌线空间，定子内径需设计有一定余量，同样会造成内部空间利用不充分的问题。通过特殊的结构设计，将径向磁通与轴向磁通进行结合，形成轴径向混合磁通永磁电机，既可以保留轴向磁通永磁电机转矩密度高、结构紧凑的优点，又可以通过设置径向转子，提高电机内部空间利用率。
轴径向混合磁通电机（Axial-Radial Flux Motor）是将径向磁通和轴向磁通结合在一起的电机类型。这种电机的设计旨在综合利用径向磁通电机和轴向磁通电机的优点，提高电机的空间利用率和性能。
2、发展历程及最新进展
相较于径向磁通与轴向磁通电机，轴径向混合磁通电机的研究时间不长，论文不多，产品则更少。
相关的论文研究有：
（1）2008年，哈工大吴芊博士提出了一种用于混合动力汽车的轴径向-轴向磁通复合结构电机
（2）2015年，韩国J. M. Seo等学者提出一种具有一体式绕组的新型混合磁通永磁电机；
（3）2015年，伊朗R. Nasiri-Zarandi等学者提出一种轴径向磁通磁滞电机，具有一个单边轴向转子和一个
径向内转子，定子采用一体式铁氧体铁芯；
（4）2016年，日本S. Shimomura等学者提出一种具有双轴向转子单径向转子的轴径向磁通铁氧体永磁电机；
（5）2017年，我国Y. Liu等学者提出一种具有轴向励磁线圈的轴径向磁通混合励磁同步电机；
（6）2017年，我国H. Qiu等学者提出一种轴径向磁通永磁同步电机结构，并研究三种不同转子结构对电机磁场调节能力的影响；
（7）2017年，日本T. Ishikawa等学者提出了一种轴径向永磁发电机，功率密度达到某商业发电机的9.4倍；
（8）2017年，山东大学的Daohan Wang等学者提出了一种具有弱磁能力的新型混合径向和轴向磁路永磁电机在电动汽车中的应用；
（9）2020年，美国DRS的Calvin Corey等学者分析混合式轴径向磁通电机可提高电动推进效率和体积密度；
（10）2022年，华中科技大学孙博士设计的模块化T型定子铁芯的轴径向混合磁通永磁电机。
实际产品案例最早见到的2022年的报道，来自美国Linear Labs公司的“三维周向通量电机”，是一种具有双轴向转子双径向转子的混合磁通永磁电机，据说在2021年就开始大规模生产，计划当年制造10万台，但实际产品应用情况未找到相关信息，继续收集发现该技术可能用于其旗舰产品HET电机。
另一个案例来自今年的Koenigsegg（科尼赛克），据称其Gerema驱动系统中使用了轴径向混合磁通电机，产品名称叫Quark，它采用了30mm直径的钢制滚珠轴承，能承受高达250kW的功率输出，其转子采用了自有产权的Aircore空心碳纤维技术，以减轻重量和提高散热效率。
二、原理和特点
1、典型永磁电机结构
传统永磁电机主要分为径向磁通永磁电机与轴向磁通永磁电机，径向磁通永磁电机气隙呈圆筒型，气隙中磁场沿着径向分布，电枢磁场与永磁磁场在径向气隙中相互作用并产生电磁转矩；轴向磁通永磁电机又称为盘式电机，气隙呈扁平圆环型，主磁场沿轴向穿过气隙形成闭合回路，电枢磁场与永磁磁场在轴向气隙中相互作用并产生电磁转矩。
（1）径向磁通电机的转子结构
根据永磁体在转子上安装位置的不同，可将径向磁通永磁电机的转子结构分为三种：表贴式结构、内嵌式结构以及爪极式结构。
表贴式（表面式）转子结构中，永磁体一般设计为瓦片形，供径向磁通，安装于转子铁芯的外表面，根据永磁体在转子上的安装方式又可以分为凸出式与插入式，下图中1-永磁体，2-转子铁芯，3-转轴。
表贴式转子结构的优点是气隙大，通风冷却效果好，适用于高速电机；缺点是永磁体易于脱落，抗冲击能力较差。
内嵌式转子结构中，永磁体通常为整体或分段的矩形块，并安装于转子铁芯内部，由此导致的转子直轴磁路与交轴磁路不对称，可以产生磁阻转矩，利于高电机的转矩输出能力，同时也有利于“弱磁扩速”。根据永磁体具体的安装方式又可以分为“一”字型、“V”字型、“Spoke”型、复合型等，其中：1-永磁体，2-隔磁桥，3-转子铁芯，4-转轴。
内嵌式的优点是既提高了磁通的利用率，又相对容易制造，缺点是永磁体的保护较差，对粘接材料的要求较高。
爪极式转子结构中主要包括两个带有导磁“爪”的法兰盘和一个整体的环形永磁体，其切面结构如图2.4 所示，左法兰盘和右法兰盘拥有相同数量的爪极，左右爪极沿圆周均匀的相互间隔分布，轴向充磁的永磁体磁通通过法兰盘与爪极的磁路引导，沿径向穿过气隙，进入定子并形成闭合回路，图中：1-左法兰盘，2-右法兰盘，3-永磁体，4-转轴。
爪极式的优点是转子结构与工艺简单，缺点是漏磁较大，导致电机性能较差。
（2）轴向磁通电机的转子结构
根据定转子的数量和相对位置，轴向磁通永磁电机可以分为四大类：单定子单转子、单定子双转子、双定子单转子以及多盘式结构。
单定子-单转子结构，如上图a所示，特点是定子和转子一一对应，磁路简单，通常为最基本的轴向磁通电机结构。它的优点是结构简单，易于设计和制造。成本低，适用于对功率密度要求较低的场合，缺点是磁通利用率低，容易出现漏磁现象。功率密度和效率较低，主要应用场景是小型伺服电机、家用电器驱动等。
单定子-双转子结构，如上图b中所示，又被称为TORUS结构，特点是定子位于两个转子之间，永磁体通常安装在转子的内侧，磁通在两个转子之间形成闭合路径，定子线圈切割磁通产生电动势。它的优点是磁路对称，磁通利用率高，漏磁少，输出功率密度高，适合高性能场合，由于磁通在两个转子中闭合，减少了轴向力；缺点是制造复杂，需要两个转子，提高了制造成本，转子的安装和对准要求较高，主要应用场景是高性能轮毂电机、航空航天驱动系统等。
双定子-单转子结构，如上图c中所示，又被称为AFIR结构，特点是转子位于两个定子之间，永磁体安装在转子的表面或嵌入转子内部，两个定子产生的磁通共同作用于转子。它的优点是功率密度高，双定子增加了电机的有效磁场区域，磁通利用率高，结构紧凑；缺点是定子绕组多，铜损较大，制造成本高，适用于高端应用场景，主要应用场景是高扭矩输出设备、电动汽车驱动电机等。
多定子-多转子（多盘式）结构，如上图d中所示，特点是定子和转子交替排列，通常为“定子-转子-定子-转子”多层结构，可根据需要扩展多个定子和转子层数。它的优点是功率密度最高，适用于大功率输出场景，灵活的模块化设计，可通过增加层数扩展功率；缺点是结构复杂，制造成本高，多层定转子对齐和安装要求高，轴向尺寸较大，主要应用场景是航空航天电机、大功率工业电机等。
2、电机设计与分析方法
电机设计的首要目标是电磁性能要满足应用场景的需求，因此电磁性能的设计分析方法尤为重要，目前常用的永磁电机设计分析方法包括：解析法、等效磁路法、数值计算法等。
（1）解析法
电机的电磁性能分析本质上是对两个相互作用的磁场进行分析，解析法就是通过求解电磁场分布，从而逐步计算出电机的电磁性能。解析法计算时间短，具有一定普适性，能够明确表现出电机内部各参数与电磁性能之间的关系， 有助于理解电机运行的原理。
在实际使用的过程中，电机中各部分参数之间相互关系十分复杂，需要设定很多假定前提，无法全面考虑电机内铁芯饱和、材料非线性以及边端效应等情况，所以该方法较少单独使用，通常作为验证其他计算结果的一种手段。
（2）等效磁路法
利用“场化路”的思想，用多段磁路来等效代表三维空间中连续存在的磁路，建立类似于电路的磁路网络模型，并近似认为每段磁路内部的磁通均匀分布，构建磁路的过程中可以在一定程度上考虑电枢反应、材料非线性、漏磁等因素的影响，进而得到磁场分布。
等效磁路法的计算耗时比有限元法更短，比解析法更长，相对提升了计算精度，局限是无法精确反映复杂的磁路分布，特别是存在大量非线性材料和复杂几何结构的情况下。
（3）有限元法
是目前最有效且应用最广的方法，其主要思想是将待解区域划分为很多个细小的网格，每个网格内的场变量通过插值函数表示，网格与网格之间通过节点与网格边界连接，然后以各节点上的函数值作为目标建立数学方程组，从而将偏微分方程转化为代数方程组，最后通过计算机求出结果，节点网格的疏密对仿真耗时与计算精度的影响较大。
有限元法的优点是能够处理复杂的几何结构和非线性材料，提供详细的场分布信息，精度高。局限在于计算量大，耗时长，需要专业的软件和硬件支持，对于轴向或轴径向磁通电机，由于磁路复杂，需要采用三维有限元法进行仿真计算，其耗时是二维有限元仿真的数十倍。
三种方法的简要比较如下表所示：
方法名称优势劣势解析法假定理想条件，简化处理，便于理解各结构参数与电机性能之间的关系，适用于轴向、径向磁路结构。计算精度低， 无法考虑饱和/非线性/边端效应等影响。等效磁路法通过场化路的思想， 用多段均匀磁路来等效实际中的连续磁路， 可以考虑饱和/电枢反应等因素， 适用于轴向、径向磁路结构。实现计算时间与计算精度的有效平衡，计算精度低于有限元法。有限元法二维有限元法适用于传统径向磁路结构，三维有限元法适用于各种复杂结构，二者均有很高的计算精度，可用于分析稳态、瞬态等各种工况。二维有限元无法分析复杂磁路结构，三维有限元硬件要求高、计算量大、耗时长。3、结构设计及特点
（1）论文研究中的电机结构
2022年华中科技大学孙博士设计的模块化T型定子铁芯的轴径向混合磁通永磁电机，在传统的轴向磁通永磁电机内部设置一个径向内转子以提高电机空间利用率，即沿轴向放置两个盘式转子和一个由T型铁芯组成的定子，T型定子铁芯配合盘式转子构成串联型轴径向混合磁路，具体如下图。径向永磁体固定在罩形转子铁芯的轴向与径向部分，电机的轴向磁路与径向磁路为并联结构，具体见下图。
（2）相关产品的电机结构
美国Linear Labs 公司出了一种具有双轴向转子双径向转子的混合磁通永磁电机，四个转子将定子的四个面完全包围，各个面的永磁体极性相同，四个方向均可产生转矩，实现了绕组无端部，大大高了绕组利用率与电机的转矩输出能力。电机端板设计为可旋转的形式，实现弱磁效果，在不降低效率的前下升电机转速，据称低转速下的电机产生的扭矩输出是其他电机的2~3倍，并且电机保持扭矩和速度范围的整体效率是标准电机平均效率的2倍，且在设计上并不需要减速齿轮箱，从而减少汽车重量、降低成本。
来源：我就这样咋地了
