新能源汽车用轴向磁通电机设计与分析_金良宽
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1 轴向磁通电机结构介绍
轴向磁通永磁同步电机因其具有轴向的磁通方 向，从而决定了其结构不同于普通的径向电机，轴 向磁通电机具有小体积、低噪音、高转速、高功率 密度、优良的散热性能等诸多优点。轴向磁通电机 结构简图如图 1 所示。
图 1 盘式电机典型结构
轴向磁通永磁同步电机根据转子数量、相对位 置及主磁路分类，其结构可分为四类： 单定子单转 子结构、双定子单转子结构、单定子双转子结构及 多盘式结构。
调考虑线下工艺要求，最后结合机械强度和工艺限 制选择合理轭高和齿宽［17］。
3 电机模型的建立
综合考虑电机设计技术要求及工作特点确定电
机电磁方案参数，如表 2 所示。
表 2 电机主要参数
电机参数 定子外径 / mm 定子内径 / mm 转轴直径 / mm 气隙长度 / mm
数值 220 120 20 2. 1
永磁体结构力求简单，容易制造与装配，达到 电机性能的同时利用率要高，考虑到本次设计电机 效率、噪音要求较高，为了减小漏磁产生损耗以及 尽量低的齿槽转矩和转矩波动，采用扇形双向斜极 的永磁电 机 结 构， 这 样 也 便 于 电 机 结 构 参 数 优 化， 提高电机输出性能。
2. 5 永磁体厚度选择
第 53 卷 第 5 期 2020 年 5 月
MICROMOTORS
Vol. 53． No. 5 May. 2020
新能源汽车用轴向磁通电机设计与分析
金良宽1，2 ，徐 松1，2 ，谭磊鑫1，2
（ 1． 贵州航天林泉电机有限公司，贵阳 550081； 2． 国家精密微特电机工程技术研究中心，贵阳 550081）
针对新能源汽车用小体积低噪音高效率高功率密度长寿命驱动电机的设计要求基于系统对电机本体的设计指标要求采用中间转子两侧双定子的轴向磁通电机结构从定子绕组永磁体结构等方面进行参数化分析采用ansysmaxwell有限元分析软件建立了该电机的三维有限元分析模型对其电磁特性进行了分析并完成了样机试制和试验研究表明该电机的电磁设计方案合理各项性能满足设计要求相关工作为轴向磁通永磁电机在汽车驱动电机领域的设计开发提供一定参考价值
Design and Analysis of Axial Flux Motor for New Energy Vehicle
JIN Liangkuan，XU Song，TAN Leixin （ 1． Guizhou Aerospace Linquan Motor Co． ，Ltd． ，Guiyang 550081，China； 2． National Precision Micro Motor Engineering Center，Guiyang 550081，China）
完成了样机试制和试验，研究表明该电机的电磁设计方案合理，各项性能满足设计要求，相关工作为轴向磁通永磁
电机在汽车驱动电机领域的设计开发提供一定参考价值。
关键词： 新能源汽车； 轴向磁通电机； 参数化； 电志码： A
文章编号： 1001-6848（2020）05-0010-05
0引言
随着经济社会快速发展，世界各国均面临能源 枯竭和环境破坏的世界性难题，而随着汽车保有量 的上升，将消耗更多的石油资源，同时尾气带来的 环境污染也日益严峻，已成为世界性的问题。因此， 急需发展可维持人类可持续发展与环境和平相处的 新时代新能源汽车。新能源汽车相对于传统燃油车 而言，由于能量供给形式不同，不论在整车总布置 型式，还是驱动系统总成，都发生了巨大变化，其 中驱动系统总成对整车性能至关重要，不仅承担承
Do、Dg、Di 电机外径、气隙直径、内径； KL = Do / Le 轴向磁通电机宽高比； Le 电机有效长度； λ = Di / Do 轴向磁通电机直径比。
电机结构尺寸可以通过式（ 1） 计算得到。
2. 3 电机主要材料选型
不同永磁材料在电机内部产生不同励磁磁场， 进而影响电机输出性能［6］。常见永磁电机永磁材料 选择为钕铁硼和钐钴，钐钴磁性能较钕铁硼低。
图 2 双定子单转子轴向磁通电机
2 轴向磁通电机电磁方案设计
2. 1 电机技术要求
该轴向磁通的电机工作性能指标如表 1 所示。
表 1 电机性能指标
参数 电压 /V 额定功率 / kW 额定转矩 / Nm 工作制 经济转速 / （ r / min）
参数值 600DC
36 61 S9 3000
2. 2 电机主要尺寸确定
性，本文采用 1 /8 模型进行分析，并适当进行网格
针对该轴向磁通永磁同步电动机，首先确定电
机定子铁心外径 D 和轴向长度 La，根据相关资料介 绍，轴向磁通电机主要尺寸之间的关系［5］：
PR
=
1
1 + K
mπ 2m1
K
e
K
i
K
p
K
L
ηB
g
A
f p
（
1
－
λ2 ）
1
+ 2
λDoLg
（ 1）
式中，PR 电机额定输出功率。K = Ar /As 转子与定 子的电负荷比值（ 转子无绕组时，K = 0） ； m、m1 为电机总相数和单个定子相数； Ke EMF 因数； Ki 电 流波形因数； Kp 功率波形因数； η 电机效率； Bg 气 隙磁密； A 总电负荷； f 逆变器频率； p 电机极对数；
收稿日期： 2019 08 13，修回日期： 2019 12 15 基金项目： 新能源汽车轮边驱动电机及控制器关键技术攻关（ 黔科合支撑［2019］2160 号） 作者简介： 金良宽（ 1983） ，本科，工程师，研究方向为电机技术。
徐 松（ 1987） ，博士，高级工程师，研究方向为电机技术。 谭磊鑫（ 1997） ，本科，助理工程师，研究方向为电机技术。
电机参数 永磁体材料 永磁体厚度 额定电压 /V 轴向长度 / mm
参数值 NdFe38
7 600 44
根据表中的参数在 Ansys 软件中 RMxprt 模块、
建模，然后将其转化为 Maxwell 3D 模型。利用有限
元的方法，进行三维瞬态磁场的分析，由于三维仿
真时间较长，为缩短分析时间，基于电机模型对称
本文研究的轴向磁通永磁同步电机用于纯电动客 车，针对该电机的工作特点及设计指标，从永磁电机 定子、绕组、永磁体结构等方面进行分析，采用 Ansys / Maxwell 有限元分析软件建立了该电机的三维有限 元分析模型，对其电磁特性进行了分析。根据设计参 数制作出样机，并进行试验，结果表明： 该电机的设 计方案合理，电机各项性能满足设计要求。
5期
金良宽等： 新能源汽车用轴向磁通电机设计与分析
·11 ·
机的结构主要有径向磁通式、轴向磁通式和横向磁 通式［3］。作为轴向磁通式的永磁同步电机有诸多优 于径向电机的特点，如拥有较小的纵横比时，轴向 磁通电机具有更高的转矩密度、更好的散热和更小 的体积［4］，这种结构的电机非常适合对空间限制较 小的汽车领域，同时轴向磁通电机还可沿用径向电 机的控制方式，开发风险小，具有较大的市场潜力。
载、驱动功能，而且直接决定整车的安全和舒适性。 因此 开 发 小 体 积、 低 噪 音、 高 效 率、 高 功 率 密 度、 长寿命的电驱动系统总成是非常必要的。
当前大部分汽车驱动系统，尤其是新能源汽车 的驱动系统的结构主要是由中央主驱电机、减速器 及传统轴驱动车轮，其中驱动电机是核心零部件之 一。早期的电驱系统以直流电机为主，目前主要有 感应电机、永磁电机和开关磁阻电机等［1］，相较于 其他永磁 种 类 电 机， 永 磁 电 机 因 其 具 有 功 率 密 度、 效率、功率因数较高优点［2］，已成为新能源汽车驱 动电机的一个重要研究方向。近年来，永磁同步电
为了满足整车安装要求，结合电机性能参数要 求，本文采用中间单转子双定子结构，该结构可更 好满足电机性能，同时获得最小转动惯量和最优的 散热条件，且中间转子由于双定子对称结构将受到 两个相互抵消的磁拉力，提高轴承使用寿命，减少 电机的机械损耗，有利于电机的稳定性，非常适用 于电动汽车这种频繁启动场所，双定子都可以形成 旋转磁场，可提高电机的电负荷。双定子单转子的 轴向磁通电机结构简图如图 2 所示。
根据永 磁 体 结 构 的 不 同，轴 向 磁 通 电 机 可 以 分 为： 不等比例扇形结构、矩形结构、等比例扇形结 构、圆形结构、Halbach 永磁体排列结构［7-8］、其它特 殊的形状例如直角梯形［9］。具体结构如图 3 所示 。
图 3 不同形状的永磁体
永磁体的结构，在一定程度上决定了电机的性 能。文献［10-14］中分析了不同形状的永磁体对齿槽 转矩产生的影响，并进行了分析对比。文献［15］给 出了前 3 种形状的永磁体，对轴向磁通电机气隙磁 密的影响，从工艺上介绍了不同形状的永磁体加工 的难易。
2. 6 定子冲片的设计
由于电机转速相对较低，定子铁心磁场频率不 高，为降 低 电 机 制 造 成 本，定 子 冲 片 采 用 厚 度 为 0. 35mm、50WW310 硅 钢 带。 电 机 槽 数 选 择 为 24 槽，定子冲片槽形选定主要考虑因素： 首先满足定 子绕组线圈电流密度和热负荷在限制之内，定子槽 设计有充足的截面积，其次槽满率不能太高，要协
考虑到该轴向磁通永磁电机定子采用水冷结构， 温度可以得到控制，因此永磁体可以选择磁性能更 好的钕铁硼永磁材料。
2. 4 永磁体结构设计
永磁体的形状不但影响电机的输出转矩和齿槽 转矩等性能参数，同时还影响电机的成本、工艺等 因素。轴向磁通永磁电机相对径向式永磁电机而言，
·12 ·
53 卷
永磁体的加工相对容易，且常常改变磁极的参数来 提高电机的性能。
Abstract： The design requirements of small size，low noise，high efficiency，high power density and long life drive motors for new energy vehicles were presented，design index requirements of motor ontology based on system ，axial flux motor with two stators on both sides of intermediate rotor ，the structure of stator， winding and permanent magnet was analyzed，a three-dimensional finite element analysis model of the motor was established by using Ansys / Maxwell finite element analysis software． The electromagnetic characteristics were analyzed． The prototype had been manufactured and tested． The research shows that the electromagnetic design scheme of the motor is reasonable，the performance meets the design requirements，relevant work provides certain reference value for the design and development of axial flux permanent magnet motor in the field of automotive drive motor． Key words： new energy vehicle； axial flux motor； parameterization； electromagnetic characteristics
摘 要： 针对新能源汽车用小体积、低噪音、高效率、高功率密度、长寿命驱动电机的设计要求，基于系统对电机
本体的设计指标要求，采用中间转子两侧双定子的轴向磁通电机结构，从定子、绕组、永磁体结构等方面进行参数
化分析，采用 Ansys / Maxwell 有限元分析软件建立了该电机的三维有限元分析模型，对其电磁特性进行了分析，并
永磁体磁化方向长度依据电机磁动势平衡关系
预估初值，然后在 Ansys / RMxprt 中进行具体电磁计
算校验； 使得电机空载工作点满足式（ 2） 要求。
Bg = （ 0. 6 ～ 0. 8） Br
（ 2）
式中，Br 为永磁体剩磁密度。
此外磁化长度的大小影响电机抗去磁能力，因
此还需考虑电机最大过电流时的去磁能力，确定永 磁体最终磁化长度［16］。
轴向磁通永磁同步电机因其具有轴向的磁通方 向，从而决定了其结构不同于普通的径向电机，轴 向磁通电机具有小体积、低噪音、高转速、高功率 密度、优良的散热性能等诸多优点。轴向磁通电机 结构简图如图 1 所示。
图 1 盘式电机典型结构
轴向磁通永磁同步电机根据转子数量、相对位 置及主磁路分类，其结构可分为四类： 单定子单转 子结构、双定子单转子结构、单定子双转子结构及 多盘式结构。
调考虑线下工艺要求，最后结合机械强度和工艺限 制选择合理轭高和齿宽［17］。
3 电机模型的建立
综合考虑电机设计技术要求及工作特点确定电
机电磁方案参数，如表 2 所示。
表 2 电机主要参数
电机参数 定子外径 / mm 定子内径 / mm 转轴直径 / mm 气隙长度 / mm
数值 220 120 20 2. 1
永磁体结构力求简单，容易制造与装配，达到 电机性能的同时利用率要高，考虑到本次设计电机 效率、噪音要求较高，为了减小漏磁产生损耗以及 尽量低的齿槽转矩和转矩波动，采用扇形双向斜极 的永磁电 机 结 构， 这 样 也 便 于 电 机 结 构 参 数 优 化， 提高电机输出性能。
2. 5 永磁体厚度选择
第 53 卷 第 5 期 2020 年 5 月
MICROMOTORS
Vol. 53． No. 5 May. 2020
新能源汽车用轴向磁通电机设计与分析
金良宽1，2 ，徐 松1，2 ，谭磊鑫1，2
（ 1． 贵州航天林泉电机有限公司，贵阳 550081； 2． 国家精密微特电机工程技术研究中心，贵阳 550081）
针对新能源汽车用小体积低噪音高效率高功率密度长寿命驱动电机的设计要求基于系统对电机本体的设计指标要求采用中间转子两侧双定子的轴向磁通电机结构从定子绕组永磁体结构等方面进行参数化分析采用ansysmaxwell有限元分析软件建立了该电机的三维有限元分析模型对其电磁特性进行了分析并完成了样机试制和试验研究表明该电机的电磁设计方案合理各项性能满足设计要求相关工作为轴向磁通永磁电机在汽车驱动电机领域的设计开发提供一定参考价值
Design and Analysis of Axial Flux Motor for New Energy Vehicle
JIN Liangkuan，XU Song，TAN Leixin （ 1． Guizhou Aerospace Linquan Motor Co． ，Ltd． ，Guiyang 550081，China； 2． National Precision Micro Motor Engineering Center，Guiyang 550081，China）
完成了样机试制和试验，研究表明该电机的电磁设计方案合理，各项性能满足设计要求，相关工作为轴向磁通永磁
电机在汽车驱动电机领域的设计开发提供一定参考价值。
关键词： 新能源汽车； 轴向磁通电机； 参数化； 电志码： A
文章编号： 1001-6848（2020）05-0010-05
0引言
随着经济社会快速发展，世界各国均面临能源 枯竭和环境破坏的世界性难题，而随着汽车保有量 的上升，将消耗更多的石油资源，同时尾气带来的 环境污染也日益严峻，已成为世界性的问题。因此， 急需发展可维持人类可持续发展与环境和平相处的 新时代新能源汽车。新能源汽车相对于传统燃油车 而言，由于能量供给形式不同，不论在整车总布置 型式，还是驱动系统总成，都发生了巨大变化，其 中驱动系统总成对整车性能至关重要，不仅承担承
Do、Dg、Di 电机外径、气隙直径、内径； KL = Do / Le 轴向磁通电机宽高比； Le 电机有效长度； λ = Di / Do 轴向磁通电机直径比。
电机结构尺寸可以通过式（ 1） 计算得到。
2. 3 电机主要材料选型
不同永磁材料在电机内部产生不同励磁磁场， 进而影响电机输出性能［6］。常见永磁电机永磁材料 选择为钕铁硼和钐钴，钐钴磁性能较钕铁硼低。
图 2 双定子单转子轴向磁通电机
2 轴向磁通电机电磁方案设计
2. 1 电机技术要求
该轴向磁通的电机工作性能指标如表 1 所示。
表 1 电机性能指标
参数 电压 /V 额定功率 / kW 额定转矩 / Nm 工作制 经济转速 / （ r / min）
参数值 600DC
36 61 S9 3000
2. 2 电机主要尺寸确定
性，本文采用 1 /8 模型进行分析，并适当进行网格
针对该轴向磁通永磁同步电动机，首先确定电
机定子铁心外径 D 和轴向长度 La，根据相关资料介 绍，轴向磁通电机主要尺寸之间的关系［5］：
PR
=
1
1 + K
mπ 2m1
K
e
K
i
K
p
K
L
ηB
g
A
f p
（
1
－
λ2 ）
1
+ 2
λDoLg
（ 1）
式中，PR 电机额定输出功率。K = Ar /As 转子与定 子的电负荷比值（ 转子无绕组时，K = 0） ； m、m1 为电机总相数和单个定子相数； Ke EMF 因数； Ki 电 流波形因数； Kp 功率波形因数； η 电机效率； Bg 气 隙磁密； A 总电负荷； f 逆变器频率； p 电机极对数；
收稿日期： 2019 08 13，修回日期： 2019 12 15 基金项目： 新能源汽车轮边驱动电机及控制器关键技术攻关（ 黔科合支撑［2019］2160 号） 作者简介： 金良宽（ 1983） ，本科，工程师，研究方向为电机技术。
徐 松（ 1987） ，博士，高级工程师，研究方向为电机技术。 谭磊鑫（ 1997） ，本科，助理工程师，研究方向为电机技术。
电机参数 永磁体材料 永磁体厚度 额定电压 /V 轴向长度 / mm
参数值 NdFe38
7 600 44
根据表中的参数在 Ansys 软件中 RMxprt 模块、
建模，然后将其转化为 Maxwell 3D 模型。利用有限
元的方法，进行三维瞬态磁场的分析，由于三维仿
真时间较长，为缩短分析时间，基于电机模型对称
本文研究的轴向磁通永磁同步电机用于纯电动客 车，针对该电机的工作特点及设计指标，从永磁电机 定子、绕组、永磁体结构等方面进行分析，采用 Ansys / Maxwell 有限元分析软件建立了该电机的三维有限 元分析模型，对其电磁特性进行了分析。根据设计参 数制作出样机，并进行试验，结果表明： 该电机的设 计方案合理，电机各项性能满足设计要求。
5期
金良宽等： 新能源汽车用轴向磁通电机设计与分析
·11 ·
机的结构主要有径向磁通式、轴向磁通式和横向磁 通式［3］。作为轴向磁通式的永磁同步电机有诸多优 于径向电机的特点，如拥有较小的纵横比时，轴向 磁通电机具有更高的转矩密度、更好的散热和更小 的体积［4］，这种结构的电机非常适合对空间限制较 小的汽车领域，同时轴向磁通电机还可沿用径向电 机的控制方式，开发风险小，具有较大的市场潜力。
载、驱动功能，而且直接决定整车的安全和舒适性。 因此 开 发 小 体 积、 低 噪 音、 高 效 率、 高 功 率 密 度、 长寿命的电驱动系统总成是非常必要的。
当前大部分汽车驱动系统，尤其是新能源汽车 的驱动系统的结构主要是由中央主驱电机、减速器 及传统轴驱动车轮，其中驱动电机是核心零部件之 一。早期的电驱系统以直流电机为主，目前主要有 感应电机、永磁电机和开关磁阻电机等［1］，相较于 其他永磁 种 类 电 机， 永 磁 电 机 因 其 具 有 功 率 密 度、 效率、功率因数较高优点［2］，已成为新能源汽车驱 动电机的一个重要研究方向。近年来，永磁同步电
为了满足整车安装要求，结合电机性能参数要 求，本文采用中间单转子双定子结构，该结构可更 好满足电机性能，同时获得最小转动惯量和最优的 散热条件，且中间转子由于双定子对称结构将受到 两个相互抵消的磁拉力，提高轴承使用寿命，减少 电机的机械损耗，有利于电机的稳定性，非常适用 于电动汽车这种频繁启动场所，双定子都可以形成 旋转磁场，可提高电机的电负荷。双定子单转子的 轴向磁通电机结构简图如图 2 所示。
根据永 磁 体 结 构 的 不 同，轴 向 磁 通 电 机 可 以 分 为： 不等比例扇形结构、矩形结构、等比例扇形结 构、圆形结构、Halbach 永磁体排列结构［7-8］、其它特 殊的形状例如直角梯形［9］。具体结构如图 3 所示 。
图 3 不同形状的永磁体
永磁体的结构，在一定程度上决定了电机的性 能。文献［10-14］中分析了不同形状的永磁体对齿槽 转矩产生的影响，并进行了分析对比。文献［15］给 出了前 3 种形状的永磁体，对轴向磁通电机气隙磁 密的影响，从工艺上介绍了不同形状的永磁体加工 的难易。
2. 6 定子冲片的设计
由于电机转速相对较低，定子铁心磁场频率不 高，为降 低 电 机 制 造 成 本，定 子 冲 片 采 用 厚 度 为 0. 35mm、50WW310 硅 钢 带。 电 机 槽 数 选 择 为 24 槽，定子冲片槽形选定主要考虑因素： 首先满足定 子绕组线圈电流密度和热负荷在限制之内，定子槽 设计有充足的截面积，其次槽满率不能太高，要协
考虑到该轴向磁通永磁电机定子采用水冷结构， 温度可以得到控制，因此永磁体可以选择磁性能更 好的钕铁硼永磁材料。
2. 4 永磁体结构设计
永磁体的形状不但影响电机的输出转矩和齿槽 转矩等性能参数，同时还影响电机的成本、工艺等 因素。轴向磁通永磁电机相对径向式永磁电机而言，
·12 ·
53 卷
永磁体的加工相对容易，且常常改变磁极的参数来 提高电机的性能。
Abstract： The design requirements of small size，low noise，high efficiency，high power density and long life drive motors for new energy vehicles were presented，design index requirements of motor ontology based on system ，axial flux motor with two stators on both sides of intermediate rotor ，the structure of stator， winding and permanent magnet was analyzed，a three-dimensional finite element analysis model of the motor was established by using Ansys / Maxwell finite element analysis software． The electromagnetic characteristics were analyzed． The prototype had been manufactured and tested． The research shows that the electromagnetic design scheme of the motor is reasonable，the performance meets the design requirements，relevant work provides certain reference value for the design and development of axial flux permanent magnet motor in the field of automotive drive motor． Key words： new energy vehicle； axial flux motor； parameterization； electromagnetic characteristics
摘 要： 针对新能源汽车用小体积、低噪音、高效率、高功率密度、长寿命驱动电机的设计要求，基于系统对电机
本体的设计指标要求，采用中间转子两侧双定子的轴向磁通电机结构，从定子、绕组、永磁体结构等方面进行参数
化分析，采用 Ansys / Maxwell 有限元分析软件建立了该电机的三维有限元分析模型，对其电磁特性进行了分析，并
永磁体磁化方向长度依据电机磁动势平衡关系
预估初值，然后在 Ansys / RMxprt 中进行具体电磁计
算校验； 使得电机空载工作点满足式（ 2） 要求。
Bg = （ 0. 6 ～ 0. 8） Br
（ 2）
式中，Br 为永磁体剩磁密度。
此外磁化长度的大小影响电机抗去磁能力，因
此还需考虑电机最大过电流时的去磁能力，确定永 磁体最终磁化长度［16］。