為什麼要追求轉矩密度
有人可能會問： 不是通過高轉速已經能實現高功率密度了嗎？為什麼還要去提轉矩密度呢。這是因為高轉速也是有缺陷的，而且有些應用場景也不適合高轉速。
高功率密度的實現方法分為兩條：
一條是提高轉速；另一條是提高轉矩密度。但提高轉速也會帶來一系列的代價，比如風摩損耗過高、高速軸承的潤滑和壽命問題、噪音問題等等，因此還必須研究另外一條道路，就是提高轉矩密度。
提高轉矩密度，又有很多方法：
像豐田prius、BMW等玩家是通過提高磁阻轉矩比例的方法來獲得的。還有一種方法是從控制側出發，通過諧波注入的方式，把電機3次 5次等諧波產生的諧波轉矩也利用起來。最後一條路子就是提高單位體積內的磁場能量了，盤式電機就是這條道路上的一個代表。
為什麼選擇盤式電機
輪轂電機也有很多種形式，為什麼偏要提盤式電機呢，那是因為盤式電機有一系列優勢。
為什麼是盤式電機
從圖中可以看出普通電機的磁場方向是向半徑方向發散的，而盤式電機的磁場方向是和轉軸平行的。因此盤式電機也叫著軸向磁場電機。
磁場從軸向走，不但磁能密度大，而且交換能量的空間也大，因此電機的轉矩密度比徑向磁場大幅提高。
國盤式電機的水平
案例一：義大利CsiRO研究所，開發力一款超級扁平的無鐵心盤式電機，用在太陽能電動汽車上，雖然功率不高，但本事可大，效率高達97.5%。而且他們採用了一種叫halbach矩陣電機的磁鋼設計技術，因此轉矩脈動、噪音都很低。
案例二：英國牛津YASA電機的盤式電機可謂登峰造極。其電機轉矩大，轉矩密度高，被大量跑車應用。想想看把750NM的兩台電機直接裝在兩個前輪上是什麼感覺。更瘋狂的是四個輪子各裝一台，整車有3000NM的轉矩，百公里加速時間大於5s都算是非專業玩家。可謂是跑車中的戰鬥機。
案例三：國內研究車用盤式電機的案例也有很多，創新性比較強的上海大學黃教授開發了一款盤式電機，他採用了SMC材料。並作了樣機上車測試，效果很好。如果和齒輪箱連接後，轉矩密度可以到12.7NM/kg。
盤式電機要聞
美國最新研製的新一代「福特」級航空母艦（CVN—78）電磁彈射系統 採用 了盤式電機技術，在該式電機本體重約8.7噸，採用雙定子設計，分別處於轉子盤兩側。轉子旋轉速度為6400至5200轉每分，一個轉子可儲存121兆焦能量，輸出電源為6相，電壓1200V，頻率2133Hz~1735Hz的變頻交流電，峰值電流高達6400A。
盤式電機的結構
盤式電機有單盤、雙盤、復合盤等多種構型。
單一盤式 結構簡單，軸向力不平衡、轉矩密度不是很大，應用場合不是特別多。
中間轉子結構 是帶磁鋼的轉子盤，安裝在正中間，兩端設置定子繞組鐵芯。轉矩密度上升了，左右兩側鐵芯的磁拉力可以相互抵消的，解決了不平衡軸向力的問題，中間轉子結構的另一個優點是繞組和鐵芯的散熱效率非常高。
中間轉子結構幾乎成了主要的構型方式，一個主要的原因是，定子和轉子的裝配比較容易實現高精度定位，圖示的一個案例，定子通過焊接直接和機殼地盤相連。
和中間轉子結構相對應的是中間定子結構，也叫內定子結構。這種結構兩個轉子盤在外面，定子在裡面。
中間定子結構也是雙氣隙，也能實現軸向力的平衡，但這種平衡是體現在轉子軸上的，單個轉子盤本身還是受到單邊力的，因此要仔細計算轉子盤的軸向撓度變形量，不要出現大的氣隙厚度不均勻現象。
中間定子結構有一個獨特的優點就是特別適合無鐵芯或者薄鐵芯結構，但這種結構的一個缺點是定子的定位裝配很難實現。
中間定子結構有散熱特性不如中間轉子結構，因為繞組是主要的發熱源，繞組不直接和端蓋接觸，散熱效率很低，容易在盤中堆積熱量，因此需要設計額外的內冷風路。
還有一種結構是多盤復合結構，實際上就是中間定子結構和中間轉子結構的軸向疊加，這種結構能夠提供很大的轉矩密度，但裝配和設計非常複雜，一般不常用。
盤式電機的磁極
盤式電機的磁極排列非常有意思，比之普通電機有較多的變化。
根據相對兩盤面磁鋼面對面側的磁極屬性不同，可以分為N-S排列和N-N排列。兩種排列的磁場走向是略有不同的，主要是轉子軛磁路，N-S排列沒有轉子軛磁路，如此轉子可以做的很薄。因此這是常見的排列方式。
N-N排列的主要缺點是同一轉子盤上上下兩塊磁鋼是相斥的，因此裝配特別困難，如果要克服這個困難也可以設計成周向NN排列，但這樣磁鋼的漏磁就比較大，磁鋼的利用率比較低。而且 N-N排列的轉子厚度較厚，轉動慣量大。
同樣的中間定子結構也有NS排列，和NN排列兩種模式。情況和中間轉子結構類似，兩種模式的磁場走向也存在有無定子軛磁路的差異。相應的優缺點在圖中有述。
盤式電機的繞組
平嵌和豎嵌，平嵌和普通電機的繞組相當。也有集中繞組、分布繞組的區別。另外盤式電機繞組也經常做成無鐵芯結構，通過印刷電路板或者塑封的方式做成一個繞組盤面。（如下圖右下角所示）
豎嵌繞組是內定子結構特有的一種繞線方式。它直接繞過鐵芯的上下兩槽。如下圖所示。這種繞組的端部很短，工藝非常簡單、而且槽滿率可以做到很高。
磁勢等價的方式理解豎嵌繞組繞組的工作原理 ，如下圖所示，雖然豎嵌和平嵌繞組的端部走向不一致，但只要保證每個槽內電流的方向是一致的，那麼繞組形成的勢動勢形狀是一樣的，如此可以將豎嵌繞組等價成相應的平嵌繞組。
盤式電機的設計就是由許多個細節組成的，在這篇中，我介紹一個最重要的細節---「如何抑制轉矩脈動」。
什麼是轉矩脈動
轉矩脈動指的是，電機在運轉過程中，瞬時輸出力矩隨時間不斷變化，但是卻圍繞某一平均值上下變動的現象。我們一般用波動的峰峰值除以平均值來表征 脈動率。轉矩脈動越小，則證明電機的轉矩平穩性越好，旋轉品質越高。
為什麼說轉矩脈動是盤式電機設計的重要細節呢？這是由兩個方面決定的。
影響振動噪音：車用盤式電機以低速大轉矩作為主要應用場合，轉矩基值大，相同的轉矩脈動率， 積累的動能波動動也大，很容易引起車輛抖動，振動、甚至出現不可接受的噪音。所以轉矩脈動抑製成了車用盤式電機設計的關鍵任務。
設計難點 ：
一是因為：盤式電機氣隙區域不容易形成正弦磁場，轉矩脈動大；
二是因為：為了嵌線方便定子槽口比較大，齒諧波大，轉矩脈動大。
三是因為：盤式電機一般做成集中繞組，每極每相槽數少，轉矩脈動本來就大；
「直覺法」——如何抑制脈動
關於如何抑制轉矩脈動，大家第一反應就是把普通電機的經驗拿過來，直接用在盤式電機上，有好多前輩這樣嘗試過，並取得了一些效果。比如如下幾種：
有人對不同槽極比對氣隙磁密合轉矩脈動的影響作為系統性研究，我們發現不同組合之間的差異是極大的。因此設計盤式電機時，參考前輩們的槽極比選擇經驗是一個明智的選擇。蝸牛將一些設計經驗放在上圖下側。
和普通電機一樣，極弧係數對轉矩脈動的影響也非常大。上圖就是一個前輩的研究成果。發現當極弧電角度為137度時，轉矩波動值最小。
還有一種方法能夠抑制轉矩脈動，那就是磁性槽楔。因為槽口過寬盤式電機轉矩脈 的原因之一，如果設置磁性槽楔相當於槽口變窄 。
借鑑傳統電機的設計經驗，還能想出幾種設計方法。但如果沒有經過特殊訓練，我們憑直覺想到的方法是非常有限的，而且總是零零碎碎。 高手不是這樣思考問題的，高手是體系化的思考解決方案，其中一種方法就是「細分法」。
「細分法」——如何抑制脈動
細分法就是將引起轉矩脈動的原因作出分類，然後針對每一種原因，分別給出對策，如此就能獲得無遺漏，無死角的解決方案，這就是MECE法則。
引起轉矩脈動的原因大致可以分為三類
- 齒槽轉矩： 因為定子開槽影響，出現隨位置周期性磁阻變化現象 ，永磁轉子磁勢經過這些位置時， 磁場發生大小交變，從而產生出轉矩。齒槽轉矩為輕載時轉矩脈動的主要貢獻者，嚴重時甚至會引起車輛抖動噪音。
- 非正弦反電動勢：由於電樞繞組中感生出的反電動勢中包含基波之外的諧波成本，相當於包含了若干台諧波電機。這些諧波電機也會產生轉矩，不過和基波電機的轉矩頻率不一致。 諧波轉矩疊加在基波轉矩之上，就會形成轉矩脈動。
- 控制側原因：控制器中由於包含了PWM高頻諧波和其它諧波電流，也會產生相應的諧波轉。
1 如何優化齒槽轉矩
優化齒槽轉矩能夠明顯降低盤式電機的轉矩脈動，是盤式電機設計的一個重點 。一般有如下幾種方法能夠有效：
盤式電機普通的磁鋼形狀如上圖左上部分所示，是一個扇形面，這種磁極叫等極弧磁鋼。有許多前輩通過修改磁鋼的形狀達到降低齒槽的目標。最常用的一種是圓形磁鋼，另一種是正弦修形磁鋼，其磁鋼在每個半徑截面上的極弧係數是不一致的。這兩種修形方式都能達到好的效果。它們能夠起作用的原理可以這樣理解：
把一台電機沿半徑方向裂解成N個單元電機，最裡面的電機最小。如果是等極弧的普通形狀的磁鋼 ， N個單元不過是等比例放大的關係，每台電機的齒槽轉矩波形是幅值不同， 相位相同的。N個單元電機轉矩相加就是幅值代數相加。如果能夠把每個單元電機轉矩的相位錯開一點點，那麼合成的轉矩是矢量相加，幅值肯定會小於代數和。無論是圓形還是正弦係數都是為了達到「錯相位」的效果。
另外一種磁鋼修形的方式是在磁鋼邊緣形狀做文章，比如下圖將磁鋼邊緣倒一個r圓角，或者在修成圓弧形狀。都是為了達到類似的錯相位效果。有人對修形的寬度做了研究，發現如果修形寬度w和定子槽口寬相同時，能夠達到最佳的齒槽轉矩抑制效果。
除了修改的磁鋼形狀，還可以通過斜極的方法達到同樣的「錯相位」效果。
其中一種是傳統斜極，就是簡單的將一塊磁鋼按某個方向傾斜一個電角度。有前輩作過系統性研究，發現當傾斜的角度和槽口極弧角相等時，能夠達到最佳的齒槽轉矩抑制效果，大概將轉矩降為不斜極的48%。
如果還要進一步的降低轉矩脈動就需要更複雜的做法。其中一種叫雙斜極法，有兩種方式實現雙斜極，一種是磁極先沿一個方向傾斜，然後再沿另一方向傾斜。有前輩做過研究，通過雙斜極能夠在普通斜極的基礎上，再降40%的齒槽轉矩。
如果說單塊磁鋼斜極是「單極錯相位」， 那麼相對應的就有一種「極間錯相位」。有前輩就受此啟發，發明了一種不均勻磁鋼布置形式，如下圖所示，8塊磁鋼分為4組，組與組之間間距不均勻。這樣在周向方向上，相當於裂解出了4台單元電機，每台電機的轉矩相位都不同，合成的總齒槽轉矩自然下降。因為這種結構不但實現了「單極錯相位」,同時還實現了「極間錯相位」。所以齒槽轉矩可以降到最低，只有普通斜極14%，不斜極結構的2.7%。
除了 「單極錯相位」、「極間錯相位」，還有一種更高層級的錯相位，那就是盤式電機所特有的「盤間錯相位」。如下圖所示，可以通過錯開上下兩個轉子盤，或上下兩個定子盤一定的角度，也能達到抑制齒槽轉矩的效果。
也可以在定子側做文章達到「錯相位」的效果，比如下圖所示的錯槽，或偏移槽口都能實現「盤間錯相位」。
也可以通過不等槽口的設計，實現錯相位，從而抑制齒槽轉矩。如下圖所示：
齒槽轉矩的小結
抑制齒槽轉矩是盤式電機研究的熱點，只要腦洞大開，有相當多的方法。有前輩做了系統性的總結（見下圖）。但其背後的原理就是三種錯相位：極間錯相位、極間錯相位，盤間錯相位。
2 如何優化反電動勢正弦性
優化轉矩脈動的另一條路子就是優化反電動勢，讓諧波成分變小，從而削弱諧波轉矩 。上文介紹的斜極、斜槽方法 除了削弱齒槽轉矩，也能達到優化反電動勢的效果，除此之外還有一些其他的方法：
一種方法就內嵌切向磁鋼，這個和普通電機的切向式磁極結構類似。通過聚磁效應達到優化氣隙磁密正弦性，從而降低轉矩波動。根據有一位前輩的計算，這種方式能夠將轉矩脈動控制到0.52%。和這種方法類似的是Halbach 磁鋼列陣， 也能大幅降低齒槽轉矩。
無論是切向磁鋼還是 Halbach磁鋼列陣 其作用機理都是一樣的，即通過優化磁密波形，達到優化反電動勢、從而抑制轉矩脈動。
3 如何通過控制側抑制轉矩脈動
通過控制側抑制轉矩脈動的方法和普通電機是相同的，一般包括如下幾種，降低PWM諧波成分、防止電流環出現飽和、主動諧波注入抵消諧波轉矩等等。限於篇幅不在此展開。