轴向磁通电机设计脱颖而出，可能成为未来几代电动汽车的主要动力

近年来，随着电动汽车的发展，对小型、紧凑型动力系统的需求越来越大，具有轴向形状的电机受到了广泛的关注，新的轴向设计已经被提出用于无人机、机器人和其他有利于空间效率的应用。所谓的轴向磁通电机，电机的转子和定子是扁平的，而不是普通电动机中的圆柱形，产生的是轴向而不是径向气隙中的磁通量，电机外壳是圆盘状的，这种短的轮廓使得轴向马达很适合在狭窄的地方使用，例如汽车轮毂的凹口。轴向磁通电机可以产生比相同尺寸的传统电机更高的转矩，传统的径向电机的磁通量与直径的平方成正比，而轴向电机的磁通量则介于二次和三次方之间，电机越大，轴向设计的优势就越大。

基于静电原理

静电电机，使用电场而不是利用磁力来旋转转子，除了轴向设计的优点外，动力电场器件比具有类似输出参数的磁性器件更轻、更小。静电电机采用围绕着旋转电容器产生的电场作为动力，而不是传统电磁设计中的旋转电感的设计。传统的磁力马达的能量转换是在转子和定子之间的气隙中进行的，电场驱动电机中的能量转换发生在介电材料中。近年来，随着高介电常数的电介质材料的发展，电场驱动电动机成为一种实用的电机。他们新颖的结构与其他先进技术相结合，使得这些马达的能量存储量是以前的45000倍。

电力机构的能量转换效率主要因素是储存在电磁场或电场中的电能或磁能的密度，电场电机采用磁力线结构，因此，电场电机比磁性电机更小更轻。静电电机的能量转换通过磁性钢形成的，磁路用于功率传输，能量转换发生在定子和转子之间的气隙中，气隙容积占机器容积的比例相对较小，磁性钢占据了大部分空间。相反，电场电机在转子和定子上有起止电源线，能量转换发生在定转子之间的间隙，转子-定子间隙占整机体积的很大一部分。由于介电材料比铁磁材料轻得多，电场效应的电机也会更轻，而且可能更便宜。如果电场和电磁电机能量相等境况下，电场效应的电机体积明显小。

基于电容原理

用这种方法制造电容式电机的想法由来已久——本·富兰克林在17世纪50年代发明了一种电容式电动机，但这一概念直到最近才在实际应用的电动机中实现。电容电机是一个圆形电容器，其两个板中的每一个被分成两个或多个扇区，转子扇形区具有恒定的交变极性电荷，它是一种液体形式的电介质，位于构成定子和转子的电容板之间。定子扇区具有时变交流电荷，当电压施加在电容器上时，定子和转子扇形区之间有一个吸引力。如果转子和定子扇区彼此偏移，则吸引力建立一个力矩，这一力矩使转子旋转，直到扇区重合。

当扇区重合时，外加电压的极性在带正电荷和带负电荷的扇区之间切换，这种作用类似于直流电动机的换相作用。如果板的数量增加，电机扭矩增加，电容电机的转矩可以通过微分电容电场中存储的能量来计算，电机设计可以通过增加转子-定子电容器的数量来提高电机所能提供的扭矩。当转子旋转时，转子和定子之间的电容会随表面重合程度而成比例变化。但电容式电机的力矩是恒定的，与转子角度无关，电容式电动机的转速是供电功率的函数。定转子电容器板可以采用传统的FR4印刷电路板材料（见下图），连接到旋转的轴上。

轴向磁通电机

轴向磁通电机设计的一个例子来自比利时的magnax，它的轴向磁通设计是基于2009年根特大学最初建立的概念验证，电机使用一个定子盘承载绕组，该绕组夹在两个转子盘承载磁铁之间。定子和两个转子之间有很小的气隙，定子有一个特殊的设计，称为无轭，它包括铁齿承载绕组，但没有使用外部磁性铁来保持齿槽，这使得电机的磁通路径更短。围绕齿槽的绕组的位置没有不利于产生磁通的悬环，在轴流电机中，100%的绕组处于激活状态。普通的径向磁通电动机可能只有50%的绕组线有助于产生磁通，增加额外的电阻，并导致热量积聚，轴流电机通过使用矩形截面铜线进一步提高电机效率。

轴向磁电机将两个装有稀土磁体的转子之间的定子绕组夹在中间，电机的设计被称为无磁轭，每个定子绕组都位于转子磁铁的磁场中，而不使用形成磁轭的金属件。无轭设计的目的是帮助保持定转子之间的恒定气隙，其他的磁性轴向马达往往会在转子和定子盘之间产生足够的力，使转子实际偏向定子，从而导致故障。无轭轴向磁通设计使得两个转子盘不断地向定子盘施加相等和相反的力。转子通过轴环直接相互连接，因此磁力相互抵消，不会在内部轴承上留下任何负载。为了帮助冷却电机，将绕组与外部铝外壳直接接触，以获得更好的热传递。

结论

传统的直接驱动解决方案（无齿轮箱的径向磁通电机）受到影响从机器成本和尺寸的问题，现有机器的缺点是在质量或体积受限的实施中尤其明显（风力涡轮机或海浪能量转换器），或在所有电力传动系统（电动汽车）中轴向磁通永磁电机。

轴向磁通电机在很宽的转速范围内表现出色，这使得它们非常适合高速低扭矩以及低速高扭矩应用。此外，轴向磁通永磁电机更为紧凑；轴向机器的长度比径向机器短得多，轻薄的结构使机器具有更高的功率和扭矩密度。而且，轴向磁通永磁电机可以达到所有电机的最高能效。典型应用可能包括电动汽车、飞机转子、大直径、高扭矩、低转速的风力发电、水力发电和波浪发电。