这种具有PCB定子的轴向磁通电机是成熟的电气化世界

的核心任何电动机都是由一个转子组成，转子围绕着一个固定的部件(定子)旋转。定子，传统上是铁制的，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作定子。

尽管用轻质、超薄、易于制造、耐用的PCB取代大块铁的想法从一开始就很有吸引力，但在十多年前，它并没有在草坪设备和风力涡轮机的早期应用中得到广泛采用。不过，现在PCB定子正在获得新生。期望它能在几乎所有用电来传递动力的事情上节省重量和能量。

无限电轴向磁通电机的分层组件显示在这里，在爆炸的形式。永远的电动

这种能源节约是至关重要的:软件可能正在吞噬世界，但电力越来越多地是世界运转的动力。电动机消耗一半多一点当今世界的电力。目前全球每年售出约8亿台电机，根据市场调研小组Imarc在美国，这一数字以每年10%的速度增长。电动机正逐渐进入汽车、火车、飞机，以及工业设备、供暖、通风和空调系统。交通、建筑和暖通空调加起来约占美国温室气体排放总量的60%;更高效的电动机将有助于减少这些行业的排放。

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，人们错误地认为多氯联苯只适合精密应用。但在2011年，酷睿户外电源开发了吹叶机和除草机它们都使用PCB定子，但既坚固又安静。

其次，人们认为PCB定子只能用于低功率机器。但在2012年，博尔德风能公司将一个PCB定子放在一个直径12米的直驱发电机对于一个输出3兆瓦功率和超过200万牛顿米扭矩的风力涡轮机来说。它是有史以来运行最平稳的大功率发电机之一。

两家公司都没有忍受。博尔德风力发电公司在获得商业合同之前就耗尽了资金。CORE Outdoor Power无法在竞争激烈的市场上竞争，因为市场上有更便宜的选择。尽管如此，他们的开创性成就证明了PCB定子的可行性。

快进到今天。我的公司,永远的电动该公司开发了一种PCB定子电机，适用于各种用途。我们的电机产生的功率与传统的交流感应电机一样多，但重量和尺寸只有传统电机的一半，噪音很小，碳排放量至少减少了25%。它现在被应用于暖通空调、制造业、重工业和电动汽车。下面是它的工作原理。

无限电力电机就是所谓的轴向磁通电机，在这种设计中，定子的电磁线路与含有永磁体的圆盘状转子平行。当交流电流过时，它使转子旋转。电机也有一个空气芯，也就是说，没有铁来调节磁通量，在电机的磁性部件之间除了稀薄的空气外什么都没有。把所有这些东西放在一起，结果就是一个空芯轴向磁通永磁电机。

在过去，制造这样一个马达的尝试面临着严重的实际障碍。制造定子需要复杂的制造过程，铜制绕组体积庞大，线圈支撑结构错综复杂。结果，气隙非常宽，只有一个相当大的磁铁质量才能产生必要的磁通量。

在Infinitum Electric，我们取消了这些铜线圈，而是使用光刻技术蚀刻薄铜线，与环氧玻璃层压板交织，使每个线圈与相邻线圈绝缘。与同等的传统铁芯电机相比，取消铁芯并尽量减少铜，共同节省了电机50%至65%的重量和50%至67%的体积。而且方便的是，随着温度的上升和下降，铜和层压板也会相似地膨胀和收缩，从而避免了可能会慢慢将组件分开的压力。

由于没有定子铁芯，我们可以在定子的两侧放置两个完全相同的转子，每个转子都携带强大的永磁体。这种结构产生了恒定的磁通量。在其他轴向磁通电机，磁通是平行于旋转轴，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榨出大量的能量。

我们的电机产生的功率与传统的交流感应电机一样多，但重量和尺寸只有传统的一半，噪音很小，碳排放量至少减少了25%。

更重要的是，pcb是通过自动化工艺制造的，这意味着它们比手工缠绕的机器更均匀和可靠。我们简化了它们的拓扑结构，使它们更加可靠，这与电机的相位有关。

一个电相位是一个交变电压，形成一个正弦波，相对于另一个相位的电压在时间上移位。各个相位是同步的，因此电流的和总是零。当多相电压系统应用于每个相都有单独绕组的电机时，几个电流的循环产生一个在空间中旋转的磁场。旋转磁场和转子磁体产生的磁场的相互作用使转子转动。

以前的PCB定子将来自不同相位的铜迹混合在同一层，这就产生了短路的可能性。取而代之的是，我们让每一层只携带一个电相位，我们尽量减少层之间的连接数量。这种安排为电流提供了一个连续的路径，并降低了电气故障的风险。

另一个优点是新的布局是自由的，它给设计人员连接线圈或串联或并联。串联线圈适用于三相工业应用和下一代电动汽车。并行连接更适合于低压应用，例如辅助电动汽车电机。

像其他永磁电机一样，我们的轴向磁通电机需要一个变频驱动器来平稳启动并将电机加速到所需的速度。VFD还根据应用程序的要求控制速度和扭矩。

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，可以实现磁通量的短路径。

然而，空气芯的设计使电机的阻抗非常低(通常只有传统铁芯电机的5%到7%)，因为空气不能像铁一样包含那么多的磁能。因此，很少有磁能可用来消除VFD提供给电机的电压变化。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，经过微调，可与低阻抗电机一起工作。我们的VFD使用高效碳化硅mosfet，减少了损耗，有助于提高整体系统效率。

VFD还可以监控性能，如果用户愿意，结果可以通过云报告。马达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式来节约能源、管理性能和预测何时需要进行维护。

PCB的薄提供了较高的表面体积比，这使得更有效的冷却，从而允许我们为给定量的铜推动两到三倍的电流。冷却可以通过向电机外部的翅片和电子隔室吹气来完成。

去除铁芯消除了由于铁的周期性磁化和退磁造成的损失，同时也避免了金属中浪费能源的涡流。因此，我们的空芯电机可以在额定功率的25%到100%的负载下高效运行。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。这种安排消除了磁体和转子中的涡流损失，因此可以用标准的、未层压的低碳钢板制成。

在一个典型的电动机的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:一种产生有用的扭矩并使转子旋转，另一种将转子径向拉向定子。这种径向力没有任何用处，而且会加剧噪声和振动，因为定子上的槽(需要容纳铜线圈)会产生脉冲。

原因如下:磁通量产生一个力，最初指向转子运动的同一方向;然后，当转子转动时，转子极点的对齐相对于定子槽发生变化，直到力指向相反的方向。这种交变力产生转矩波动，这可能导致电机和它所驱动的机械的金属疲劳。

但在无限电机中没有这样的交变磁力。这一优势，加上其他效率，是它的噪音平均比传统电机低5分贝的原因。这可能看起来不是很大的减少，但马达噪音的这个组成部分往往是一个特别烦人的音调。

通过将空芯电机的轻便性与轴向磁通机的高扭矩密度相结合，Infinitum电机非常适合建筑通风和HVAC系统。这种方法尤其有用，因为大流行已经把净化室内空气放在了优先位置。热泵，在一个系统中加热和冷却，是另一种应用，其中电机可以节省能源，易于安装，并降低噪音。根据最近的测试由美国总务管理局和美国能源部，Infinitum电机部署在GSA的HVAC工厂每年可节省高达800万美元。

电动汽车是这种新型发动机的另一个大市场。预计到2050年，电动汽车将占全球汽车总量的31%美国能源信息管理局。

我们公司正在与一家领先的汽车供应商合作，为远程混合动力汽车开发油冷发动机。在我们的设计中，油冷却比传统电机更有效，因为冷却剂可以很容易地应用到PCB的整个表面。通过油冷，我们实现了功率密度比我们自己的风冷电机增加了三倍，使功率密度达到8千瓦/公斤到12千瓦/公斤的范围。这使得油冷版本适用于电动航空，这是另一个有前景的市场。

我们还与专门从事物料搬运的公司合作，如叉车、输送系统和用于制造食品和饮料的混合设备。卡特彼勒风险投资投资Infinitum Electric开发新的交流发电机系列，其尺寸和重量是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，而且还在不断增长。

我们估计，如果世界上的每一台电机都被一台Infinitum电机取代，每年将减少8.6亿吨碳排放。这相当于每年减少2亿辆汽车的排放量。随着电机变得无处不在，即使是效率上的微小改进也有能力为我们的星球带来今天和下个世纪的巨大变化。

本文发表在2022年4月的印刷版上，题为“这种带PCB定子的轴向磁通电机已经成熟，适合电气化世界。”