1.3 轴向磁场电机的特点
径向磁场电机与轴向磁场电机在结构上的差异导致了两种电机的形状不同，制造工艺也不一样，电机的性能也存在差异。就形状来说，这两种电机通常有不同的轴向长度和内径的比值，被称为长径比。径向磁场电机通常有较大的长径比，电机的形状为圆柱形，存在电机散热困难、转子内部空间利用率低等技术瓶颈。对于轴向磁场电机而言，电机的长径比较小，即外径和轴向长度的比值要高一些，电机外形呈圆盘状，因此被称为盘式电机。传统径向磁场电机的磁路结构完全可以采用二维平面结构来描述，而轴向磁场电机必须采用三维平面结构来描述。另外，轴向磁场电机有不同于径向磁场电机的制造特点。例如，径向磁场电机的定子铁心叠片是沿轴向叠压的，相对比较容易。而轴向磁场电机的定子铁心叠片是沿周向叠压的，难度比较大。
摆脱叠片铁心困扰有两种方法：采用实体铁心加工或采用印制的铁心；采用整个无铁心或无铁心轭的磁路结构。上述两种方法的可行性建立在获得新材料的基础上（对于电机领域来说是新的）：粉末型软磁复合材料，可以通过加工处理或直接采用压制或印制处理来成型；高性能永磁材料和具有良好热性能/机械性能的塑性材料，可以减少或消除磁性材料的使用。目前，随着软磁复合材料性能的改进，采用软磁复合材料（SMC）做成的铁心代替叠片铁心可为上述难题提供一个有效的解决办法。
1.3.1 轴向磁场电机的优点
由于轴向磁场电机定子、转子具有独特的盘形结构，因此它的设计很灵活，结构种类繁多。根据不同应用场合的需要，轴向磁场电机可以设计成单气隙或多气隙电机，可以是单盘、双盘或多盘结构。电机可以有电枢槽或无电枢槽，可以有电枢铁心或无电枢铁心。对于有电枢铁心的电机，可以是有轭的或无轭的。装有永磁体的转子盘可以放置在里面，也可以放置在外面。
由于轴向磁场电机的输出功率与盘形铁心端面的面积有关，而与电机轴向长度无关，铁心长度只受轭部磁通密度最大值限制，电机结构紧凑、转动惯量小，且这种电机散热条件好，电磁负荷可选择较高值，因此其功率体积比即功率密度，较传统径向磁场电机的功率体积比大，耗用材料少。轴向磁场电机还可以做成多定子、多转子的多气隙结构，以提高输出功率。
在特定的场合下，AF电机还有很多优点，它可以应用于以下场合。
（1）与传统的电机相比，AF电机结构紧凑，有较大的功率质量比，特别是当电机的极数足够多（从12极到上百极），轴向长度与外径的比率足够小（扁平结构）时，轴向磁场电机在功率和转矩密度方面有明显的优势，特别适合应用于飞机、电动汽车上。
（2）有较大的长径比，能设计成多极电机，尤其适用于低速应用场合，如直驱电梯驱动、起重机、风力发电机、水轮发电机等。
（3）外形扁平，适用于风扇、泵等家用电器。
（4）采用无转子铁心，可适用于响应快、惯量小的电机。
（5）平面型气隙将定子和转子分隔开，因此可以设计成屏蔽电机。
（6）大惯量轴向磁场电机配上简单的功率晶体管调速器，可在低速范围内平衡运转。
（7）较大的转子直径具有较大的转动惯量，可以用于飞轮储能装置。
1.3.2 轴向磁场电机的缺点
1.3.2.1 电枢铁心制造困难
轴向磁场电机的主要缺点和限制与电机的磁路结构有关。首先，不难理解，由于轴向磁场电机的磁通是轴向通过气隙的，与径向磁场电机的磁通径向通过气隙不一样，因此铁心的制造过程与径向磁场电机的制造过程不一样。径向磁场电机的定子铁心是由冲好槽的硅钢片沿轴向方向叠压而成的，相对比较容易。而轴向磁场电机的定子铁心是通过将冲好槽的硅钢片带料沿周向卷绕而成的，如图1.11（a）所示。在绕制冲好槽的叠片过程中，存在预先打孔的槽难以对齐的难题。若事先将带料卷绕好再冲槽，则又存在毛刺损坏绝缘的问题。轴向磁场电枢铁心制造的困难将使电机的成本增加。
另外，所提出来的一些叠片结构，如带绕或径向叠片结构，在技术上不容易被制造，必须从机械的角度来仔细考虑它的设计。若采用无铁心结构，则需要有良好机械性能和热性能的材料去取代铁心部分。
1.3.2.2 存在轴向磁拉力
在轴向磁场永磁电机中，转子为高磁能积的永磁体固定在圆盘形铁心上。定子、转子盘之间存在磁拉力，会使装配过程变得很复杂，并给轴向磁场电机的运行状态带来不利的效果：定子盘和转子盘的运行间隙消失，使定转子发生触碰；使永磁体松散或破损；减小气流排放区域，因此恶化电机的冷却能力；引起的非均匀气隙使电气性能偏离最佳值。
对于无铁心内定子双边AFPM电机来说，两个转子盘占整个电机的有效质量约50%，因此转子盘的优化设计是实现高功率/质量比电机的一个关键因素，需要对转子盘进行机械应力分析，对磁拉力的精确预测是机械应力分析中必不可少的。两个并列放置的转子盘之间的磁拉力可以用下式来计算：
式中，W是储存在电机中总的磁场能量；Δg是气隙长度的微小变化；W1和W2分别是气隙g1和g2中储存的磁场能量，通常通过有限元仿真分析法FEM将它们计算出来。
两个并列放置的永磁转子盘之间的磁拉力用解析法计算的表达式为
式中，SPM为永磁体的有效面积；αi为计算极弧系数，等于平均气隙磁通密度Bavg与最大气隙磁通密度Bmg的比值；Din、Dout分别为永磁体的内径和外径，等于定子导体的内径和外径；μ0为真空磁导率，μ0=0.4π×10-6H/m。
由于导体中的交流电流和磁场的切向分量之间相互作用会在线圈的每个边上产生一个轴向磁拉力f1和f2，如图1.23所示。当定子线圈处在气隙磁场中，定子线圈每边受到的磁拉力会相互抵消。若AFPM电机的无定子铁心稍微偏离了气隙的中心，则每个边受到的磁拉力是不一样的，会产生一个不平衡的合力Δf，Δf=|f1-f2|作用在定子上，这个不平衡的力会引起额外的振荡，因此给利用环氧树脂来增强定子的机械强度带来不利的影响。
图1.23 作用在定子线圈上的轴向磁拉力原理图
由于轴向磁拉力的存在，因此电机的装配过程变得比较困难，特别是在有电磁铁心、大功率容量的电机中，要保证均匀气隙有较大的难度。装配过程中必须采取措施平衡转子之间的磁拉力和定子上的不平衡磁拉力。首先，磁极必须牢固地固定在铁心上，以抵抗运行时产生的切向拉力。磁极固定在铁心上的方式有两种：粘贴或用螺杆固定。因为磁极材料和铁心的热系数不相同，很明显粘贴不是一种稳妥的方法。用螺杆将磁极固定的方法要牢固和安全些，但会引起电机中某些量的不对称，如使电动势波形不对称。
有时，人们也可以利用轴向磁拉力来实现某些功能。例如，在新能源电动汽车领域，研究人员提出了一种利用轴向磁拉力来产生制动力的单定子单转子结构的轴向磁场电机。当电机启动时，由于轴向磁拉力的作用，制动弹簧会受到压缩；当电机停止运行时，弹簧会释放出大量的能量，将转子拉回到制动片的位置，从而实现制动。在新能源电动汽车领域，动力系统中可利用两台单定子单转子盘式电机同轴相连，进而平衡轴向磁拉力，而这两台电机分别驱动两个车轮。大型水轮发电机通常使用立式结构，发电机整个转动部分的质量和作用在水轮机转轮上的水推力均由推力轴承支撑。利用单定子单转子AFPM电机较大的轴向力，克服转轴上所有部件的重力，把水轮发电机转轴部分吸浮，使轴承受到的压力减小，从而减小启动时的阻力。
1.3.2.3 单个轴向磁场电机的功率限制
随着AFPM电机的输出功率增加，相比功率增加的速度，转子和轴之间的接触面积增加得较慢，这样要为大功率电机设计一个机械完整性好的转子—转轴连接就比较困难。因此在设计大功率AF电机时要特别注意转轴机械连接处的机械强度，这也是引起轴向磁场电机故障的一个原因。解决这个问题的方案是设计多盘电机。
由于AFPM电机的转矩与直径的立方成比例，而RFPM电机的转矩与直径的平方和长度的乘积成比例，轴向磁场电机的结构优势会随着功率的增大，或者电机的长径比率的增加而失去。转折点发生在半径等于径向磁场电机长度的2倍左右。
另外，轴向磁场电机的缺点还与绕组的结构有关，AFPM电机结构特殊，如果电机的内径过小，则放置绕组的空间会变小，会挤压绕组或放不下绕组，因此设计时要考虑电机定子盘的内径、外径比值。一般情况下，轴向磁场电机槽满率通常比径向磁场电机的槽满率稍小。
1.3.3 轴向磁场电机的制造特点
在轴向磁场电机的设计和制造过程中，保证定子、转子之间的均匀气隙是至关重要的。因此，将转子盘固定在转轴上，将定子盘固定在机座内的方法很关键。固定方法不恰当，定子、转子装配时没有对齐，将会使电机的气隙不均匀，引起转矩脉动，产生振动和噪声，使电机的电气性能下降。因此在电机的机械设计中要注意以下几个方面。
（1）在设计转轴时，要考虑负载转矩的大小、第一临界速度和轴的动态性能。
（2）在设计转子时，要考虑由于强大磁拉力引起的转子盘偏移；考虑磁极的安装方法，确保转子盘上的永磁磁极不会因承受强大离心力而松散或脱开，特别是在高速时；考虑转子盘受力平衡情况。
（3）在设计定子时，要考虑使用树脂加固的定子和机座有足够的强度和刚度；考虑线圈放置的位置和空间，确保线圈对称，避免定子受到不平衡力的作用。
（4）轴向磁场电机必须保持转子和定子之间的气隙均匀，因为磁拉力远高于径向磁场电机。考虑到在电机制造过程中调节气隙很困难，因此需要精确控制关键部件的制造公差。
（5）在设计工装时，要考虑设计的工具有利于电机的装配，以及维修电机时便于拆卸。
除此之外，还要考虑电机的通风散热条件，确保电机通风良好。