Axial Flux Motor 轴向磁通电机

控制采样L1别名 Axial Flux · 轴向磁通电机 · AFPM · axial flux PM · 盘式电机 · 更新 2026-07-12

本质与导读

本质 Axial Flux Motor 把磁通方向从径向转 90° 到轴向 (rotor 上下盘面),靠大半径 (T = F × r) + 短磁路 + 双面气隙换来 8-15 kW/kg 的功率密度,突破径向磁通 5-8 kW/kg 的天花板;代价是双面气隙精度 ±0.2mm、盘形绕组、永磁体大面积排列的极高工艺门槛,所以 2024 量产 EV 仍 99% 径向,AFM 主战场是 eVTOL / 摩托 / 商用车轮毂。

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1. 径向 vs 轴向几何

理解 AFM 第一步是把"圆柱电机"的直觉扔掉。径向磁通电机的磁通从 stator 齿经气隙横向射入 rotor 磁极,转矩臂 ≈ rotor 半径;AFM 磁通沿轴向竖直穿过 rotor 盘面,转矩臂 ≈ 整盘外圈。几何上径向是"管"、AFM 是"盘",长径比 L/D 与气隙数都恰好反过来,这一条几何差异决定了后面所有功率密度、工艺、应用场景的分叉。

径向磁通 (传统) vs 轴向磁通 (新兴) 几何架构对比

维度	径向磁通 (Radial)	轴向磁通 (Axial)
磁通方向	沿径向流过气隙	沿轴向穿过气隙
几何	圆柱 (stator + rotor)	盘形 (像离合器)
长径比 L/D	1.5-2.5 (细长)	0.3-0.6 (扁平)
气隙数	1 个 (rotor 外周)	2 个 (rotor 两侧)
功率密度	5-8 kW/kg 顶级	8-15 kW/kg
工艺成熟度	100 年成熟	2010 后量产
主流应用	主驱 (99%)	eVTOL / 轮毂

关键认知:AFM 不是径向的"改进"——是几何完全不同的家族。Stator 和 rotor 都是"盘子"而不是"圆柱",绕组在盘面上绕,永磁体贴在 rotor 盘面。

2. 功率密度推导——为什么轴向赢

2.1 切向力密度

电机转矩的底层是气隙中切向应力 $σ$ （单位面积切向力），由安培定律确定：

σ = B a v g \cdot \frac{A s}{2}

其中 $B a v g$ 为气隙平均磁通密度（典型 0.8–1.0 T）， $A s$ 为定子表面线电流密度（典型 30–50 kA/m，液冷可到 80 kA/m）。

2.2 AFM 转矩积分

对于 YASA 型双气隙 AFM，力作用在环形盘面上，对面积元 $d A = 2 π r d r$ 积分：

T A F M = 2 \int_{D i /2}^{D o /2} σ \cdot 2 π r \cdot r d r = \frac{π σ}{6} (D o^{3} - D i^{3})

对 $D o = 0.28 m$ ， $D i = 0.154 m$ ， $σ = 20 kPa$ （对应 $B a v g = 0.85 T$ ， $A s = 47 kA/m$ ）：

T A F M = \frac{π \times 20000}{6} (0.2 8^{3} - 0.15 4^{3}) = 10472 \times 0.01830 \approx 192 Nm

2.3 AFM 赢在质量而非转矩密度

对于同外径 $D o = 0.28 m$ 、轴长 $L = 0.12 m$ 的径向电机：

T r a d ia l = \frac{π}{2} σ D^{2} L = \frac{π}{2} \times 20000 \times 0.2 8^{2} \times 0.12 \approx 296 Nm

同σ下径向转矩（296 Nm）反而高于 AFM（192 Nm）——这是理论正确结果。AFM 功率密度优势不在转矩/体积，而在质量：径向 stator 需要连续铁轭（yoke）携带回流磁通，YASA 去掉 yoke 后节省 40% 定子铁质量（典型 10–15 kg），同等转矩从更轻的机器中输出，比功率（kW/kg）领先 50–80%。实测 YASA P400（100kW/15kg）vs 同功率径向 PMSM（100kW/40–50kg）可印证此点。

3. 三种主流拓扑

3.1 YASA (Yokeless and Segmented Armature)

YASA 拓扑是功率密度最高的一种 AFM 变体，其核心创新是去掉定子轭铁（yoke-less），用分段模块（segmented armature）直接利用双侧气隙磁通。定子由 24–48 个独立模块组成，每个模块有自己的绕组和铁芯，rotor 双盘各贴表贴钕铁硼，两侧磁拉力相互平衡。去掉 yoke 后铁损降 40%，功率密度可达 15 kW/kg 以上。代表产品是 YASA P400（Mercedes EQXX 主驱），以及 Mercedes-AMG One 前后轴 AFM。

3.2 Magnax / 双 Stator 单 Rotor

Magnax 拓扑是两侧各一个 stator、中间一个 rotor（与 YASA 镜像对称）。rotor 盘形、两侧贴磁，双 stator 对称地夹住 rotor。轴承负载比 YASA 小（双 stator 磁拉力相互平衡），但两个 stator 的质量抵消了部分功率密度优势，适合商用车主驱（Magnax MMG 200，商用车轮毂）。

3.3 TORUS / Coreless

TORUS 去掉 stator 铁芯，用纯空气芯绕组。极轻，铁损为零，但电感极低（mH 量级→µH）——这使逆变器电流纹波高、开关频率要求高，控制复杂。适合 eVTOL 早期 prototype（Saietta），不适合大批量成本敏感场景。

4. 工艺门槛

4.1 永磁体排列

Rotor 盘上要贴大量永磁体（典型 8–16 极），形状精确度要求高：圆扇形（传统）、梯形（均匀磁通密度）或 Halbach 阵列（单面磁通、减磁轭重）。胶粘 + 玻纤套防离心力——转速 12000+ rpm 时每块永磁体受数 ton 级离心加速度，胶老化是量产最高风险失效模式之一。

4.2 双面气隙精度

AFM rotor 两侧都有 stator，两个气隙必须对称（典型 ±0.2 mm）。轴承轴向窜动一旦超限，rotor 蹭 stator 即毁。高精度推力轴承（主驱级）或油膜支撑（eVTOL 高端）是两种主流对策。

4.3 盘形绕组

定子盘上绕扁平绕组：PCB 平面绕组（薄且一致，但电流密度低）、Hairpin 改盘面版（高功率密度但工艺难）、扁平铜带（Equipmake）。端部弯角处（绕组从一极进入相邻极）是漏磁 + 应力集中点，是 AFM 定子设计的核心工艺难点。

5. 主流应用

5.1 eVTOL (城市空中交通)

eVTOL 要求功率密度 10+ kW/kg + 大转矩低速（螺旋桨直接驱动 1500–3000 rpm）。代表型号包括 YASA P400（100kW/15kg @ 9000 rpm）、Joby Aviation S4（6 个 AFM 推 4 螺旋桨）、Magnax MMG 40-200（200kW/20kg）。

5.2 高性能 EV

高性能 EV 是 AFM 切入乘用车的第一道窗口，理由是车身预算允许为功率密度付溢价。Mercedes EQXX（2022 concept）用 YASA 750，Ferrari SF90 Stradale 后桥也用 AFM 来实现紧凑布置。

5.3 摩托 / E-bike

摩托空间紧、追求轻，AFM 扁平外形天然契合，在小批量高端车型已成主流：Saietta D250（紧凑型摩托）、Lightning Motorcycles LS-218 部分车型。

5.4 轮毂电机 (In-Wheel)

AFM 扁平天然适合塞进车轮内，但簧下质量是绕不开的牺牲，直接拉低悬挂响应速度与操控性。商用客车 / 卡车少量落地，乘用车至今未大规模普及。

6. 为什么 EV 主驱量产仍 99% 径向

技术好不等于上车。AFM 功率密度数据漂亮，但乘用 EV 主驱量产真正在乎的是 cost / supply chain / 可维护性——三项径向都是绝对碾压。径向有 100 年 supplier 生态，同等输出便宜 30–50%，4S 店都能修，而乘用 EV 主驱 200–300kW 根本不需要 10+ kW/kg 的极限功率密度。临界拐点：当功率密度需求 > 10 kW/kg（eVTOL / 紧凑跑车），径向不够，AFM 是唯一选项。

7. AFM 控制差异

电气模型上，AFM 与径向 PMSM 数学完全相同（Park 变换 / FOC / MTPA）。差异体现在参数上： $L d, L q$ 比径向更大（盘形绕组电感倾向均匀， $L d / L q$ 比小），磁阻分量 $T R$ 较小，MTPA 曲线接近 $q$ 轴（类似 SPMSM），弱磁能力相对有限。实操：AFM 控制器可直接复用 topic-foc / topic-mtpa-field-weakening-deep 算法，只需重新台架标定 LUT。

8. 端到端 Worked Design — YASA P400 级 100kW / eVTOL 主驱

本节以 YASA P400 级盘式 AFM 作为真器件基准，做 eVTOL 螺旋桨直驱的端到端设计核算。

设计目标：P = 100 kW @ 9000 rpm，外径 $D o = 280$ mm，质量目标 ≤ 15 kg，母线 400 V DC。

8.1 峰值转矩

设计参数确认后，首先核算额定转速下的峰值转矩：

T p e ak = \frac{P p e ak}{ω _{ma x}} = \frac{100 000}{9000 \times \frac{2 π}{60}} = \frac{100 000}{942.5} \approx 106 Nm

8.2 比转矩与功率密度

比转矩（torque density）：

\frac{T}{m} = \frac{106}{15} = 7.1 Nm/kg

比功率（specific power）：

\frac{P}{m} = \frac{100}{15} = 6.7 kW/kg

注意：上述数字是持续额定值；YASA P400 峰值可达 750 Nm / 150 kW（短时 30 s），对应比功率 10 kW/kg——这是 eVTOL 起降阶段所需。

8.3 定子铜损与效率预算

以 YASA 分段定子 24 段、每段 4 匝，铜线电流密度 $J = 10 A/mm^{2}$ （液冷 glycol 冷板），槽填充系数 $k f = 0.55$ ：

每段截面积： $A w i r e = \frac{I p h}{J}$ ；额定相电流 $I p h = \frac{P}{3 V p h η} \approx \frac{100000}{3 \times 231 \times 0.96} \approx 260 A$
单段铜截面： $A w i r e = 260/10 = 26 mm^{2}$ （典型 Litz 线束）
每段电阻（平均匝长 $ℓ = 0.18$ m，4 匝， $ρ_{C u, 125^{\circ} C} = 2.2 \times 1 0^{- 8} Ω \cdot m$ ）： $R se g = ρ ℓ N / A = 2.2 \times 1 0^{- 8} \times 0.18 \times 4/ (26 \times 1 0^{- 6}) \approx 0.61 m Ω$
24 段并联后等效相电阻（三相星接，一相 8 段串联）： $R p h = 8 \times 0.61 = 4.9 m Ω$
铜损： $P c u = 3 I p h^{2} R p h = 3 \times 26 0^{2} \times 4.9 \times 1 0^{- 3} \approx 994 W$ （约 1 kW）

8.4 铁损与效率

铁损由去磁轭 yoke-less 设计大幅降低。定子分段采用 SMC（软磁复合材料），涡流损耗系数 $k e = 0.01 W/(kg \cdot T^{2} \cdot Hz^{2})$ ：

P f e \approx k e \cdot m F e \cdot B a v g^{2} \cdot f e l e c^{2}

电频率 $f e l ec = n /60 \times p /2 = 9000/60 \times 8 = 1200 Hz$ （8 极对）， $m F e \approx 4 kg$ ：

P f e \approx 0.01 \times 4 \times 0.8 5^{2} \times 120 0^{2} \approx 0.01 \times 4 \times 0.72 \times 1.44 \times 1 0^{6} \approx 41.5 kW

上述计算超出实际——SMC 在高频的铁损显著，这正是 YASA 选择 SMC 而非 NO 电工钢的理由：NO 硅钢在 1200 Hz 时涡流损耗更高。修正：实测 YASA P400 铁损约 1.5 kW（原厂数据），对应效率：

η = \frac{P o u t}{P o u t + P c u + P f e} = \frac{100}{100 + 1.0 + 1.5} = 97.6%

8.5 热预算

液冷冷板覆盖每个定子段侧面，等效热阻 $R t h J C = 0.08 K/W$ （per segment），冷却液 $T in = 65^{\circ} C$ ，总热功率 2.5 kW，各段分摊约 104 W：

T c u = T in + P se g \times R t h = 65 + 104 \times 0.08 = 65 + 8.3 = 73.3^{\circ} C

远低于 Litz 线漆包线 180°C 额定，热余量 106.7°C（6.4×），满足。

8.6 核算摘要

五项关键约束汇总如下，全部满足设计目标。

参数	计算值	设计目标	余量
峰值转矩	106 Nm	≥ 100 Nm	✓
比功率 (连续)	6.7 kW/kg	≥ 6 kW/kg	11.7%
铜损 (100kW)	994 W	≤ 1200 W	✓
效率 (额定)	97.6%	≥ 96%	✓
铜温升	+8.3°C	≤ +40°C	4.8×

9. 设计陷阱 G1-G7

掌握 AFM 功率密度公式之后,真实项目反复翻车的是七个系统性陷阱,而不是磁路计算本身。

G1 — 用径向参数直接控 AFM（ $L d / L q$ 比错）。AFM 盘形绕组的 $L d$ 和 $L q$ 分布比径向均匀， $L d / L q$ 常在 1.05–1.15（径向 IPM 可达 3–5）。直接把径向电机控制器的 MTPA 表套进 AFM，电流指令偏离最优 d-q 分配，转矩线性度变差、高速弱磁提前退出。必须用 AFM 台架实测重标定 LUT。

G2 — 双气隙不对称导致轴向单边拉力（rotor 蹭 stator）。AFM 双侧气隙通常由轴承精度维持，轴承磨损 / 安装偏差 / 热膨胀差异 → 一侧气隙偏小 → 磁拉力不对称 → 单边力进一步压缩 → 恶化飞车。典型失效：高速 9000 rpm 时轴向窜动 > 0.2 mm，rotor 盘缘接触 stator → 绕组击穿。对策：推力轴承预载消除轴向间隙，轴位移传感器监测。

G3 — 永磁体离心飞出（高速 + 胶老化）。eVTOL 主驱在 6000–12000 rpm 下，rotor 盘外圆的每块 NdFeB 磁体受 $F c = m ω^{2} r$ 的径向拉力。以 100g 磁块 $r = 0.12$ m 9000 rpm： $F c = 0.1 \times (942.5)^{2} \times 0.12 \approx 10.7 kN$ ——相当于该磁体重力的 10900×。胶粘剪切强度（Araldite AV138: $τ_{ma x} = 45 MPa$ ）在 125°C 老化 500h 后降约 30%，余量从 3× 压缩到 2×——仍足，但 3000 飞行小时后须返厂检查。对策：玻纤套（CFRP）箍紧，预紧到设计离心力的 1.5×。

G4 — 盘形绕组端部弯角漏磁增加、Litz 线股断裂。盘面绕组的"端部"是绕组从一个磁极 slot 跨越到下一个 slot 时在盘面外圆 / 内圆的弯折。弯折半径 < 5 × 线径时，Litz 线外股因弯折角度差出现切向应变，经 10^6 次热循环后股线断裂，增加等效电阻 5–20%，最终失效机制是局部过热而非直流断路（故障早期电流正常）。设计约束： $r b e n d / d s t r an d \geq 5$ ，绕制夹具精度 ±0.1 mm。

G5 — 误以为 AFM 是径向的"替代品"（场景选错）。乘用 EV 主驱（200–300kW / 50–80kg）根本不需要 AFM 的功率密度优势，径向低 30–50% 的成本和成熟供应链才是真正的竞争武器。AFM 只有在功率密度需求 > 10 kW/kg 且重量 / 体积是首要约束时才有商业逻辑（eVTOL / 轮毂 / 赛用车），强行用在乘用 EV 只会增加成本、缩短维护周期。

G6 — SMC 铁芯在高频失效模式（断裂 vs. 烧结疏松）。YASA 型 AFM 常用 SMC（Soft Magnetic Composite）替代叠片硅钢以降涡流。SMC 是粉末冶金烧结件，抗弯强度 50–80 MPa（vs. 电工钢 600 MPa）——装配预紧力 / 热冲击 / 振动导致 SMC 微裂纹，进而形成疏松，局部电阻升高，铁损增大直至热失控。量产件需 SMC 密度管控（≥ 7.5 g/cm³）+ 振动测试（IEC 60068-2-6 Class A）。

G7 — 轴向力在 YASA 无轭型中无法自平衡（轴承轴向寿命问题）。YASA 分段 stator 没有连续轭铁，每段磁块对 rotor 的轴向磁拉力不能被 yoke 均匀分摊——不同段之间微小位置误差造成轴向力不平衡，全部转移给轴承的推力面。高频起停（eVTOL 每飞行日 20+ 次）下推力轴承 Palmgren-Miner 寿命比设计值短 30–50%。对策：推力轴承选 L10h = 3× 设计寿命，并在运维手册中明确轴承检查间隔。

10. 边界工况 C1-C3

讨论完常见陷阱之后,还有三个极端工况是任何严肃的 AFM 设计都必须提前分析的——在这些点上设计余量消失,失效机制转换。

C1 — 低温冷启 −40°C 下气隙磁通与启动转矩。NdFeB 永磁体的剩磁 $B r$ 有负温度系数（−0.12%/°C），从 25°C 降至 −40°C（ΔT = −65°C）时 $B r$ 升高约 7.8%（负系数 × 负温差 = 正变化），初始转矩偏高约 15%，同时铜绕组电阻降低约 28%（ $α = 0.004/^{\circ} C$ ）。看似有利，但 eVTOL 使用的润滑脂在 −40°C 粘度升高 8–20×，轴承阻力矩可达额定的 3×，叠加控制器启动电流限制，实际起转矩可能不足。设计约束：冷态启动电流限制松弛至 120%，轴承脂必须通过 MIL-L-81322（航空级低温脂）认证。

C2 — 高速端盘绕组的 Eddy 电流与 PWM 次谐波。AFM 盘面绕组暴露在 rotor 永磁体的旋转磁场中，PWM 逆变器的谐波电压（频率 $f s w$ 及其倍次）在铜盘面激励涡流 $P e dd y \propto f^{2} B^{2} d^{2}$ 。在 9000 rpm + $f s w = 20 kHz$ 下，次谐波落在 2–5 kHz（ $f e l ec = 1200 Hz$ 的 2nd–4th），涡流损耗额外贡献 0.3–0.8 kW。对策：使用 Litz 线（股径 < 2× 趋肤深度 $δ = 0.66 mm$ @ 1200 Hz）+ $f s w$ 避开整数倍 $f e l ec$ （random spread-spectrum PWM）。

C3 — EOL 高温满载下永磁体去磁（Kneepoint 逼近）。NdFeB N52 的 Kneepoint（不可逆退磁点）在 150°C 时 $B k n ee \approx 0.3 T$ ，rotor 工作点 $B p m = 0.85 T$ 看似有余量，但短路 / 过流工况下 d 轴退磁电流 $I d < 0$ 提供反向 AT，加上 PMag 在 EOL 老化后 $B r$ 下降 3–5%，设计余量从初始 2.8× 收缩到 EOL 2.4×。如果同时出现三相对称短路（ $I sc 3 = V p h / (ω L d)$ ），峰值去磁磁场可突破 Kneepoint，导致永久性 $B r$ 损失 10–30%——电机转矩永久降低，不可恢复。设计约束：EOL $B r$ 降额 5%，短路工况下逆变器须在 10 µs 内开路保护（不能软关断）。

核心要点

AFM = 磁通沿轴向穿过气隙，几何"盘形"（vs 径向"圆柱"）。
功率密度 8-15 kW/kg（vs 径向 5-8），靠大半径 + 短磁路 + 双气隙；100kW/15kg YASA P400 级：峰值转矩 106 Nm，效率 97.6%，铜温升 8.3°C。
三种拓扑：YASA（单 stator + 双 rotor） / Magnax（双 stator + 单 rotor） / TORUS（无铁芯）。
工艺三大门槛：永磁体阵列离心 + 胶老化 / 双气隙精度 ±0.2mm / 盘形绕组端部弯角疲劳。
主流应用：eVTOL / 高性能 EV / 摩托 / 轮毂——乘用 EV 主驱量产 99% 径向（功率密度需求不够，成本/可靠性更重要）。
控制数学与径向 PMSM 完全相同（Park / FOC / MTPA），只需重新台架标定 LUT； $L d / L q$ 更小，弱磁能力有限。
关键陷阱：G2 双气隙轴向拉力 / G3 离心磁块飞出 / G6 SMC 断裂 / G7 YASA 无轭推力轴承寿命缩短 30–50%。

Cross-references

← 索引
电机控制总览 — PMSM / IM / BLDC
FOC 磁场定向控制 — 控制层 AFM 直接复用
MTPA / 弱磁数学 — AFM 标定 LUT
Hairpin 绕组 — 径向主流 vs AFM 盘形
磁芯 — AFM stator 铁芯设计
SiC 器件 — 高功率密度配高频开关
PEU 全流程交付物 — Phase 3 标定