轴向磁通电机的特点在于电磁计算复杂，需使用不导磁、不导电高强度的复合材料，工艺精度要求高，且电机整体性能、效率、NVH和材料结构工艺耦合深，给量产带来很大难度。盘毂动力经过几年时间的攻关，实现了轴向磁通电机大规模的量产，并覆盖了四种拓扑结构。
2024年11月28日，在第五届汽车电驱动及关键技术大会上，上海盘毂动力科技股份有限公司乘用车事业部总经理李彦涛介绍，盘毂动力针对轴向磁通电机的轴向尺寸短重量轻的优势，开发了公交车的轮边驱动系统、高性能摩托车轮边侧挂方案以及轻型物流车分布式刚性轮边桥驱动系统等应用场景，实现了整车收益的大幅提升。此外，盘毂动力还在乘用车领域寻找对轴向尺寸和重量敏感的驱动系统应用场景，如双电机的分布式驱动和增程器发电机等。
李彦涛最后对盘毂动力进行了介绍。盘毂动力是一家以轴向磁通电机为核心的新兴企业，致力于开发基于该技术的电驱动系统解决方案。公司建立了正向的开发流程和完整的正向开发能力，从客户需求的获取到架构的优化，再到子部件的开发和集成验证，都有一套内部的开发流程支撑。盘毂动力现已实现了多项技术突破和市场拓展，包括公交车轮边驱动系统的推广、乘用车分布式系统的开发以及全球首条双转子电机的自动化示范线投产等。
以下为演讲内容整理：
轴向磁通电机概念
轴向磁通电机是一项历史悠久的产品和技术，可追溯至200年前的法拉第圆盘。但在过去的上百年里，轴向磁通电机的发展进程相对缓慢，这背后存在着诸多原因，首要因素在于其电磁计算的复杂性。不论是双定子还是双转子的轴向磁通电机，均涉及长磁路的电磁优化与计算，且该电磁与力的转换过程在三维空间内实现。因此，在进行电磁计算时，必须采用三维模型以确保电磁损耗计算的精确度，否则将难以达到所需的效率和性能的精度要求。
其次，定转子中必须使用具备不导磁、不导电且高强度特性的复合材料。对于双定子电机，如果转子采用金属材质作为保持架，可能会导致效率降低以及磁钢产生退磁的风险显著增加。而对于双转子电机，如果定子不使用复合材料，则电机的效率和可靠性同样无法得到保障。鉴于此，盘毂动力针对轴向磁通电机的特性，专门成立了复合材料研发团队，并自主研发了相关的成型工艺与设备。
第三，轴向磁通电机的工艺精度要求与径向电机存在显著差异，且其难度更高。轴向磁通电机的工艺涵盖了定子与转子的制作，其核心尺寸的精确控制相较于径向电机更为复杂。此外，该类型电机的核心生产设备也与径向电机截然不同。
第四，轴向磁通电机的整体性能、效率、NVH表现以及材料结构与工艺的耦合程度更为深入。如果电机的核心尺寸控制不当，将难以确保最终产品的效率、NVH的稳定性和鲁棒性，这无疑为轴向磁通电机的量产带来了巨大挑战。
针对上述技术难点，盘毂动力经过七年多时间的攻关，实现了轴向磁通电机的大规模量产。
径向磁通电机的定转子结构大多相似，而轴向磁通电机分为四种不同结构，分别是单定子单转子、单定子双转子、双定子单转子、无铁芯/PCB电机。目前，盘毂动力是全球唯一一家能够覆盖这四种拓扑结构，并从设计、工艺开发至设备和产线均具备全流程能力的轴向磁通电机企业。
第一种方案是单定子单转子的结构。该方案的主要优势在于能够最大限度地减小轴向尺寸，由于仅包含一个定子和一个转子，因此结构更为紧凑轻薄。缺点在于结构非对称，轴向磁拉力无法通过对称的转子或定子进行平衡，从而限制了其所能承受的最大扭矩。目前，我们主要将此方案应用于高性能摩托车，主要是6KW 至15KW功率段的轮边侧挂驱动系统。
第二种拓扑结构是单定子双转子的结构是目前轴向磁通电机领域内技术难度最高的一种，但同时也是性能效率最优、重量控制最佳的方案。因为单定子双转子电机的定子采用的是无厄部分段铁芯结构，电机的铁损大幅度降低同时成本和重量也得到了较大幅度的优化。
第三种方案是双定子单转子的拓扑结构，两个定子的铁芯通常采用卷绕冲压工艺成型，转子则通过复合材料高强度保持架和碳纤维环对磁钢进行固定和约束。 双定子电机的两个定子分别布置在电机的两侧这样定子铁芯和绕组的冷却就可以比较容易可靠的实现，相比较而言，双转子单定子电机比双定子单转子电机的重量、工况效率以及轴向尺寸都有明显优势，但是双转子单定子电机定子分段铁芯的固定、铁芯和绕组的冷却、定子的可靠性都比双定子单转子难很多。
最后一种是定子无铁芯的方案，也是双转子的架构。定子没有硅钢片，是PCB的结构，直接把绕组和PCB进行集成，定子里产生磁场的绕组没有铁芯的增益效果，更适合高转速小扭矩的方案，对铁损很敏感，但对扭矩要求不高的应用场景。目前第四种方案主要应用于电动割草机。
轴向磁通电机优势
下图展示的是内转子径向电机和双边气隙轴向磁通电机的对比。从结构上看，内转子径向电机的转子外径通常仅为定子外径的60%-70%，而在轴向磁通电机中，无论是双转子还是双定子的拓扑结构，其定转子均保持等外径。这一设计带来的主要好处在于，整个电机的磁场有效气隙面积得以增大，转子在工作时的有效力臂也会更大。这将带来更高的扭矩密度和功率密度。
但由于轴向电机转子的外径较大，这对峰值转速的提升带来了较大挑战。例如我们今年开发的15000转高性能轴向磁通电机，其转子外径需达到230毫米。如果是径向电机，在相同性能下，转子外径可能仅为140-150毫米。这意味着轴向磁通电机的转子外径和类似性能的径向电机比外径增大了50%以上，从而导致转子磁钢的线速要大很多。因此，这也引出了一个核心难题：轴向磁通电机在实现高转速方面存在一定的困难。
轴向磁通电机的扭矩输出与外径的三次方成正比，而径向电机的扭矩输出则与外径的平方及叠后尺寸成正比。因此，无论轴向磁通电机需要输出多大的扭矩，其对轴向尺寸的需求都是相对固定的，主要是通过增加径向尺寸来实现扭矩的提升。
上图左下角的图表展示了不同功率的轴向电机与径向电机在定转子重量上的差异趋势。在径向尺寸未受到明显约束的情况下，轴向磁通电机的功率越大，其定转子在重量上的优势就越为显著。右下角图表则展示了电机的轴向尺寸，即有效长度。同样在径向尺寸未受到约束的条件下，轴向磁通电机的轴向尺寸相较于径向电机具有明显优势，且随着功率的增大，这一优势愈发明显。
以我们目前正在研发的矿卡增程器发电机为例，该发电机的峰值功率可达450KW，最大持续功率为300KW。在此情况下，其轴向尺寸仅为200毫米，而具有相似有效外径和相同性能的径向电机尺寸则达到500毫米以上。此外，在这个应用场景下，轴向磁通电机的重量还会比径向电机轻100公斤以上。
由此可见，相较于重量优势，轴向磁通电机的尺寸优势更为突出。因此，盘毂动力在开发轴向磁通电机的过程中，核心的应用策略是寻找那些对轴向尺寸有严格要求或存在痛点的应用场景。
轴向磁通电机应用
基于轴向磁通电机的轴向尺寸优势，我们在6年前着手开发了公交车的轮边驱动系统，整个电驱动系统总成由盘毂公司负责设计、集成与交付。该系统将轴向磁通电机与两级平行轴减速器相匹配，使得电机与减速器的整体轴向尺寸极为紧凑，其核心贡献在于能够最大化优化公交车的中央过道宽度。
相较于市面上的刚性轮边桥和传统的偏置桥分布式驱动，我们的轮边独立悬挂驱动系统在重量上可减轻300公斤以上，过道宽度增加100多毫米。这一改变对公交车而言，意味着8米车与10米车在座位数和站立面积上可达到相同水平。8米车的车型中，整车重量可减轻3吨以上，电耗降低36%。对于终端的公交公司而言，这不仅意味着购置成本的显著降低，运营成本也随之大幅下降。这些显著的优势均得益于轴向磁通电机轴向尺寸短的核心优势，从而实现了整车效益的最大化。
截至今年10月份，我们已经成功销售并匹配6000台公交车的轮边独立悬挂驱动系统，这6000多台公交车累计运行里程已达2.9亿公里。近期，由于国家公交补贴政策的重启，我们预计到年底将新增交付2000台以上的公交车轮边独立悬挂驱动系统，到明年上半年，累计交付量将接近1万台，匹配1万辆车，总计出货量将达到两万套轮边独立悬挂系统。
另一项驱动系统创新方案是针对高性能摩托车设计的轮边侧挂驱动方案。摩托车的功率越大，采用轮毂驱动方案就越不合适。在7000W至8000W的功率范围，轮边侧挂方案相较于轮毂驱动方案，在重量和成本上均展现出明显的优势。此外，采用轮边侧挂方案时，整车对驱动系统的核心要求是轴向尺寸必须短小。为此，我们利用轴向磁通电机的特点，选取轴向尺寸最短的一个定子和一个转子的拓扑结构，并匹配我们自主开发的两级减速平行轴减速器，实现了对轴向尺寸的极致控制和优化。除了轴向尺寸的优势，我们的一定一转方案由于具备更大的定子散热面积因此持续性能相比较径向电机的轮边侧挂方案也具备明显优势。
我们目前所开发的最大功率为15KW的三合一方案中，轴向磁通电机与平行轴减速器被紧凑地布置在一起，从而实现了轴向尺寸的最优化。此外，该方案还采用了逆变器与电机共壳体集成的设计。
轴向磁通电机轮边侧挂驱动系统对整车的轴向尺寸优化以及整车重心动态操控以及动力性能的改善均十分显著。
第三个应用场景则聚焦于今年商用车团队针对轻型物流车所开发的分布式刚性轮边桥驱动系统。与集成桥驱动系统相比，该系统的核心优势之一是货箱地板高度降低至原来的一半，从而极大地提升了货物搬运的便利性，同时货箱的可用载货容积增加了20%。由于刚性轮边驱动系统的传动系统得到简化，我们成功减少了传动损失提高了传动效率。这一创新成果正是充分利用了轴向磁通电机的轴向尺寸短的优势。
针对乘用车，我们同样在探索对轴向尺寸较为敏感的驱动系统应用场景。例如，双电机分布式驱动系统，由于两个电机需要同轴布置，因此对轴向尺寸提出了更高的要求。当前，许多汽车制造商在做车型动力系统规划时都期望后驱主驱桥既能兼容单电机驱动桥，也能适配双电机分布式驱动桥，这一需求普遍将分布式驱动电桥的轴向结构尺寸限制在了600毫米以内，这对轴向尺寸就会产生强痛点。
另一种应用场景是增程器发电机，特别是在当前众多电改油方案中，纯电动车的前悬挂系统，包括双叉臂悬挂和双腔空悬，往往会占用前机舱的轴向空间。当需要匹配2.0T或1.5T汽油机时，轴向尺寸便成为了一个关键问题。此时，轴向磁通电机的短轴向尺寸特性便能提供差异化的优势，有效缓解这一尺寸痛点。
针对未来的轮毂与轮边驱动系统，针对电机的核心诉求主要是轴向尺寸和重量的优化，我们正积极进行前瞻性的布局与预研工作。
基于径向电机的双电机分布式驱动电桥方案，轴向尺寸普遍达到600毫米以上，主流尺寸更是达到700、800毫米，甚至更长。针对高性能双电机分布式驱动的需求，我们自主研发了两个方案，成功将轴向尺寸控制在500毫米以内，展现出显著的轴向尺寸优势。
我们今年新开发了一款800V电压等级、15000转/分的高性能轴向磁通电机，并集成了双电机电桥。这款新电机的峰值转速虽然从绝对值上看并不算特别高，但考虑到其转子外径达到了230毫米，磁钢的线速度相较于径向电机在25000转的线速度更具挑战性。同时，磁钢转子约束结构的设计难度也超过了径向电机。因此实现15000转的高性能轴向磁通电机的开发在技术上已经极具挑战性。
在650V电压条件下，该电机的峰值功率可达260KW，峰值扭矩为470Nm，持续功率则稳定在130KW。当两个电机组合并进行了初步的电桥构型设计后，我们提供了两种构型方案：第一种构型针对Z向空间要求严苛的场景，将逆变器配置于电机的前部或后部，从而确保Z相尺寸控制在320毫米以内；第二种构型则针对轴向尺寸要求相对宽松，但对X相空间有极高要求的场景，通过将逆变器置于两个电机中间位置，实现了X相空间的最大化利用。经过初步的电机与电桥匹配，整个电桥总成的重量被有效控制在91公斤以内，电机的峰值效率高达97.5%，电桥总成功率密度达到了5.7KW/Kg，这一数据目前处于行业领先水平。
增程器应用方面，经过与多家客户的深入交流，我们发现无论是国内还是海外市场，整车制造商对增程器的需求均十分旺盛。基于对不同发动机功率需求及轴向尺寸特征的全面分析，我们当前主要聚焦于1.5T高性能以及2.0T中大功率发电机的研发与布局。随着功率的提升，我们轴向尺寸和重量的优势将愈发显著。
针对与客户的对接情况，我们选择了一个能够适配多数客户所需最大外径电机的设计方案。之所以选择最大外径，是因为外径的增大能够显著提升电机的扭矩密度，同时缩短轴向尺寸。这一设计选择不仅优化了电机的有效部分，还进一步降低了重量和成本。
我们正在开发的一款1.5T汽油机匹配的水冷发电机采用了双定子方案，旨在实现高性能与高效率的同时优化成本。其主要优势在于，双定子电机的定子位于两侧，为两侧提供了大面积的水套布置空间。同时，针对发电机应用，我们增大了外径尺寸，从而极大地增加了有效的散热面积。在水冷电机方案下，该发电机的最大持续功率可达90KW。这一设计使我们能够避免在高性能发电机中使用油冷方案，而如果采用油冷方案还需额外配备泵和换热器，不仅增加了成本，还使布置更为复杂。
为了进一步优化包络尺寸和重量，我们将逆变器与发电机后壳进行了集成设计。这一设计不仅进一步优化了轴向尺寸和系统重量，还进一步降低了成本。在1.5T发动机匹配的发电机的场景下，电机长度最短可达109毫米，逆变器长度为54毫米，加上飞轮壳后，整体长度可控制在214毫米以内，这是业内目前轴向尺寸最短的增程器二合一方案。
我们的增程器发电机除了轴向尺寸和重量的优势，在效率上也有比较明显的优势，尤其在和发动机高效区的匹配度上的优势尤其明显。
为了进一步满足客户减少轴向尺寸，降低重量和成本的诉求，我们和国内头部的整车厂联合开发了发电机转子和发动机曲轴直联的增程器高度集成解决方案。该方案采用单定子双转子结构，充分利用了转子惯量大的优势来替代原有的飞轮，实现了增程系统的三合一高度集成。
盘毂动力介绍
盘毂动力是一家新兴企业，我们的创始人自2015年起便致力于轴向磁通电机的研发工作。2016年，上海盘毂正式成立，作为盘毂动力的研发与管理核心，我们的生产基地设在金华。盘毂动力以轴向磁通电机为核心技术，充分利用其轴向尺寸短、重量轻的优势，开发出了一系列基于这些优势的电驱动系统解决方案，涵盖了公交车、乘用车以及高性能摩托车等多个领域。除了提供电驱动总成方案外，盘毂动力还为客户量身定制解决方案，如为电动清扫车及混动化搅拌车等，为客户带来直接的额外收益与价值。
2019年，公司在轴向磁通电机所涉及的核心技术与核心材料方面取得了重大突破；2020年与2021年，公司开始大力推广公交车的轮边驱动系统；2022年，公司着手进行乘用车分布式系统的开发，并成功交付了双转子电机的样品。截至目前，盘毂动力在低地板公交车驱动系统市场的占有率已达到33%，在搅拌车电动上装市场的占有率达到20%，我们的年产10万台套的高性能摩托车轮边侧挂驱动系统量产产线也将于明年上半年在我们的二期工厂搭建完成并投入量产。同时，全球首条单定子双转子电机自动化示范线也于今年年中投产。此外，公司还在积极拓展卡车高性能集成桥以及工业节能等领域的应用。
针对电驱动系统开发，盘毂动力建立了一套完善的正向开发流程，涵盖了从客户需求的获取、架构的优化设计、子部件的开发制造，到最终的集成验证等各个环节。为了支撑这一流程的高效运行，盘毂动力还构建了全面的正向开发能力体系。这一体系不仅包括了系统工程与核心部件的研发，还涉及电机定转子、齿轴以及逆变器软硬件的开发工作。此外，盘毂动力还具备支撑核心工程能力的全方位技术实力，如CFD热仿真分析、润滑技术的研发、NVH性能的优化等。
我们完成了ISO 9001和IATF 16949的体系认证，为确保后续电摩与乘用车动力系统的大规模生产顺利进行，我们对质量中心的组织架构进行了优化，以符合乘用车生产标准及大规模稳定生产的质量保证能力要求。在质量保证供应商管理方面，我们也进行了针对性的优化，以提升供应商质量管理能力，从而更好地满足乘用车生产和质量体系需求。
（以上内容来自上海盘毂动力科技股份有限公司乘用车事业部总经理李彦涛于2024年11月27日-28日在第五届汽车电驱动及关键技术大会发表的《盘毂动力基于轴向磁通电机技术的创新电驱动解决方案》主题演讲。）