任何电动机的心脏都由一个围绕固定部件（称为定子）旋转的转子组成。传统上由铁制成的定子往往很重。定子铁约占传统电机重量的三分之二。为了减轻定子的重量，有人提议用印刷电路板制造它。

尽管用轻质、超薄、易于制造、耐用的 PCB 代替一大块铁的想法从一开始就很有吸引力，它在草坪设备和风力涡轮机等产品中曾出现早期应用，但十多年来并没有得到广泛采用。不过，现在，PCB 定子重获新生。期望它可以减轻重量，从而减轻几乎所有使用电力来传递动力的东西的能量。



图像显示了轴向磁通电机的 10 个独立组件，按它们在成品电机中出现的顺序排列。
此处以分解形式显示了 Infinitum Electric 轴向磁通电机的分层组件。INFINITUM ELECTRIC

这种节能至关重要：软件可能正在吞噬世界，但电力正日益成为推动世界运转的动力。电动机消耗了当今世界电力的一半多一点。据市场研究机构 Imarc 称，目前全球每年售出约 8 亿台电机，这一数字每年以 10% 的速度增长。电动机正在汽车、火车和飞机以及工业设备和供暖、通风和空调系统中取得重大进展。运输、建筑和 HVAC 加起来占美国温室气体排放总量的 60% 左右；更高效的电动机将有助于减少这些部门的排放。

尽管 PCB 定子有很多好处，但由于一些误解，人们接受这种设计的速度很慢。

首先，人们错误地认为 PCB 仅适用于精密应用。但在 2011 年，CORE Outdoor Power 开发了吹叶机和除草机，两者均使用 PCB 定子，既坚固又安静。

其次，有一种感觉，PCB 定子只能用于低功率机器。但在 2012 年，Boulder Wind Power 将 PCB 定子放入直径为 12 米的直驱发电机中，用于风力涡轮机的输出功率为 3 兆瓦，扭矩刚刚超过 200 万牛顿米。它是有史以来运行最平稳的大功率发电机之一。

两家公司都没有坚持下来。 Boulder Wind Power 在获得商业合同之前就用光了资金。 CORE Outdoor Power 无法在有更便宜选择的拥挤市场中竞争。尽管如此，他们的开创性成就证明了 PCB 定子的可行性。


一对电机的照片，它们平行连接到汽车中一对车轮的驱动轴上。


具有两层的阵列的照片，每层包含四个电机。

轴向磁通电机可轻松安装到汽车的车轴 [顶部] 和 HVAC 系统的风扇驱动器 [底部]。INFINITUM ELECTRIC

快进到今天。我位于德克萨斯州奥斯汀的 Infinitum Electric 公司开发了一种适用于多种用途的 PCB 定子电机。我们的电机产生的功率与传统的交流感应电机一样多，但重量和尺寸只有一半，噪音只有一小部分，碳排放量至少减少 25%。它现在正在 HVAC、制造、重工业和电动汽车中找到应用。这是它的工作原理。

Infinitum Electric 电机是所谓的轴向磁通电机，在这种设计中，定子的电磁线与包含永磁体的盘形转子平行。当交流电流过时，它使转子旋转。电机还有一个空心——也就是说，没有铁来调节磁通量，电机的磁性部件之间没有任何东西，只有稀薄的空气。将所有这些东西放在一起，结果就是一个空心轴向磁通永磁电机。

过去，制造这种电机的尝试面临严重的实际障碍。制造定子需要复杂的制造过程，铜绕组体积庞大，线圈支撑结构复杂。结果，气隙非常宽，以至于只有相当大的磁体才能产生必要的磁通量。

在 Infinitum Electric，我们取消了那些铜绕组，而是使用光刻技术蚀刻与环氧树脂玻璃层压板交错的薄铜迹线，从而将每个线圈与相邻线圈绝缘。与同等的传统铁芯电机相比，消除铁芯并最大限度地减少铜可节省 50% 至 65% 的电机重量和 50% 至 67% 的体积。并且方便的是，铜和层压板随着温度的升高和降低类似地膨胀和收缩，避免了可能会慢慢拉开组件的应力。

由于没有定子铁芯，我们可以在定子的任一侧放置两个彼此面对的相同转子，每个转子都带有强大的永磁体。这种布置产生恒定的磁通量。与其他轴向磁通电机一样，磁通平行于旋转轴，而不是径向。因为磁气隙很窄，我们只需要一个小磁铁，这就是为什么我们可以从给定的质量和体积中获得大量的能量。

我们的电机产生的功率与传统的交流感应电机一样多，但重量和尺寸只有一半，噪音只有一小部分，碳排放量至少减少 25%。

更重要的是，PCB 是通过自动化流程制造的，这意味着它们比手动绕线机更加一致和可靠。我们通过简化与电机相位有关的拓扑结构使它们更加可靠。

电相是形成正弦波的交流电压，该正弦波相对于另一相中的电压在时间上发生偏移。各个相位是同步的，因此电流之和始终为零。当多相电压系统应用于每相具有单独绕组的电动机时，多个电流的循环会产生在空间中旋转的磁场。这个旋转场和转子磁体产生的场的相互作用是使转子转动的原因。

以前的 PCB 定子在同一层中混合了来自不同相位的铜线，这会产生短路的可能。相反，我们让每一层只承载一个电相，并且我们最大限度地减少了层之间的连接数量。这种布置为电流提供了连续路径并降低了电气故障的风险。

新布局的另一个优点是它让设计人员可以自由地串联或并联连接线圈。串联线圈适用于三相工业应用和下一代电动汽车。并联连接更适合低压应用，例如辅助 EV 电机。

与其他永磁电机一样，我们的轴向磁通电机需要变频驱动器才能平稳启动并将电机加速到所需速度。 VFD 还可根据应用要求控制速度和扭矩。



夹层结构的横截面显示了五个元素： 顶部的灰色条表示铁制成的转子；底部附有红色和蓝色磁铁，磁极分别为南北两极；下面，经过一个小的气隙，有一个绿色的中间层代表印刷电路板定子；在其下方还有另一个气隙，出现第四层，由蓝色和红色磁铁组成；它们连接到底层，灰色条代表第二个铁转子。通过将转子 [灰色] 与磁铁 [红色和蓝色] 夹在薄印刷电路板定子 [绿色] 周围，可以使磁通量的短路径成为可能。

然而，空心设计使电机具有极低的阻抗（通常仅为传统铁心电机的 5% 到 7%），因为空气不能像铁那样包含尽可能多的磁能。因此，可用于消除 VFD 提供给电机的电压变化的磁能非常少。为了弥补这一缺陷，我们添加了另一个元素：一个集成的变频驱动器，该驱动器经过微调以与低阻抗电机一起运行。我们的 VFD 使用高效碳化硅 MOSFET，可降低损耗并有助于提高整体系统效率。

VFD 还监控性能，如果用户愿意，可以通过云报告结果。电机的软件也可以以这种方式更新。这种远程监控提供了多种方法来节约能源、管理性能和预测何时可能需要维护。

PCB 的薄度提供了较高的表面积与体积比，从而提高了冷却效率，从而使我们能够为给定数量的铜推动两到三倍的电流。冷却可以通过将空气吹过电机外部的散热片和电子隔间来完成。

去除铁芯消除了由于铁的周期性磁化和退磁而导致的损耗，同时还避免了金属中的能量浪费涡流。因此，我们的空芯电机可以在额定功率的 25% 到 100% 的负载范围内以高效率运行。跳过铁芯也意味着转子上的磁铁在转子转动时面临恒定的磁阻和恒定的磁场。这种布置消除了磁体和转子中的涡流损耗，因此可以由标准的非层压低碳钢板制成。

在典型的电动机中，定子和转子均由铁磁材料制成。一旦施加电流并建立旋转磁场，这些磁场就会产生两种力：一种力产生有用的扭矩并导致转子旋转，另一种力将转子径向拉向定子。这种径向力没有任何用处，而且会加剧噪音和振动，因为定子中的槽——需要容纳铜线圈——会产生脉冲。

这就是发生这种情况的原因：磁通量产生的力首先指向转子移动的相同方向；然后，随着转子转动，转子磁极的排列相对于定子槽发生变化，直到力指向相反的方向。这种交变力会产生扭矩波动，这会导致电机及其驱动的机械发生金属疲劳。

但是在无限电机中没有这样的交变磁力。这一优势与其他效率一起，是其噪音平均比传统电机低约 5 分贝的原因。这可能看起来并没有太大的减少，但电机噪音的这一部分往往是一个特别烦人的音高。


印刷电路板定子的照片，中间有一个孔的薄绿色圆盘。



这种盘与基于铁定子的更大的传统电机之间的比较照片。
电机设计基于印刷电路板 [顶部]，其薄度允许封装比基于传统铁芯的等效电机 [底部] 更紧凑。INFINITUM ELECTRIC

Infinitum 电机结合了空心电机的轻便性和轴向磁通电机的高扭矩密度，非常适合建筑通风和 HVAC 系统。鉴于大流行已将净化室内空气列为优先事项，这尤其有用。热泵在一个系统中加热和冷却，是电机可以节省能源、简化安装和降低噪音的另一种应用。根据美国总务管理局和美国能源部最近进行的测试，如果将 Infinitum Electric 电机部署在 GSA 的 HVAC 工厂中，每年可节省高达 800 万美元的成本。

电动汽车是这种新型电机的另一个大市场。根据美国能源信息署的数据，到 2050 年，电动汽车预计将占全球车队的 31%。

我们公司正在与一家领先的汽车供应商合作，开发一种用于远程混合动力汽车的油冷电机。油冷在我们的设计中比传统电机更有效，因为冷却剂可以很容易地应用于 PCB 的整个表面。通过油冷，我们实现了比我们自己的风冷电机增加三倍的功率密度，使功率密度达到 8 千瓦/千克到 12 千瓦/千克的范围。这使得油冷版本适用于电动航空，这是另一个有前途的市场。

我们还与专门从事物料搬运的公司合作，例如叉车、输送系统以及用于制造食品和饮料的混合设备。 Caterpillar Venture Capital 已投资 Infinitum Electric 开发新的交流发电机系列，其尺寸和重量只有现有型号的三分之一，而且更安静、更高效。交流发电机市场估计为每年 170 亿美元，并且还在不断增长。

我们估计，如果世界上的每台电机都换成 Infinitum Electric 电机，每年将减少 8.6 亿吨的碳排放。这相当于每年消除 2 亿辆汽车的排放量。随着电机变得无处不在，即使是效率的微小改进也有能力为我们今天和下个世纪的地球带来巨大的改变。

这篇文章出现在 2022 年 4 月的印刷刊中，标题为“这种带有 PCB 定子的轴向磁通电机已经成熟，适合电气化世界。”
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