本篇报告从电机发展历史与工作原理出发，阐述了轴向电机相较于传统径向电机在性能等方面的优势。随着“双碳”政策的逐步推进，电机轻量化、高功率密度等需求趋势将拉动轴向电机行业的发展。在未来的绿色交通乃至机器人板块，轴向电机或部分取代径向电机，成为主要的驱动装置组件之一。
报告日期：
2024年1月10日
-
历经百年发展，电机正处于轴向工艺突破的前夜。
电机又称电力机械，是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转换的电磁装置，工作原理即是利用永磁体与电磁铁之间的同斥异吸，驱动转子旋转。电机发展历史可以分为三个阶段：
1
）理论发展阶段（
1820-1834
）；
2
）工业实用阶段（
1834-2008
）；
3
）轴向突破阶段（
2009-
至今）。
-
轴向电机相较于径向电机的优势源于轴向磁通拓扑天然带来的电机构造优势。
按照磁通路径方向，电机可分为轴向磁通电机与径向磁通电机，轴向的磁通方向与电机旋转轴平行。结构端，轴向电机同样包含转子、定子部分。材料端，轴向电机主要由磁钢、铁心构成。相较于径向电机，其优势主要体现在两个方面：
（
1
）性能优势
。
①轻量化
：
轴向长度仅为径向电机的
1/2
左右，即体积与重量比径向电机小约
50%
；
②高扭矩密度和功率密度
：
较径向电机高出约
3
0%
。
（
2
）节能优势
。
①生产耗材少
：
生产制造环节所需采用的铜、铁等金属材料相比径向永磁电机减少
50%
左右；
②能耗低
：
1
%-2%
效率优势，在各个功率级别下均比普通径向电机节能
15%-25%
左右。欠缺之处主要在于
轴向电机目前在设计和生产流程端尚未如径向电机成熟。
-
下游应用于众多行业，全球轴向电机市场规模未来几年预计保持高增速
。
下游主要应用领域有：
（
1
）新能源汽车
，
目前在商用车领域已逐步推广，渗透率约
1
5%
，未来凭借小体积与低理论成本，轴向电机天然适配轮边、轮毂技术，并搭载于分布式驱动；
（
2
）电动飞机
，
符合飞机轻巧紧凑、高功率密度等需求，可有效减少航运碳排放；
（
3
）电动船舶
，
在船舶提效、减排、结构优化方面具备显著优势；
（
4
）机器人
，
目前已挤入关节零件市场，应用于多项机器人项目。高精端机器人对关节驱动电机的要求包含快速性、起动转矩惯量比大、体积小、质量小、轴向尺寸短等，完美契合轴向电机优势。
-
国内外主要轴向磁通电机厂商
。
（
1
）
YASA
：
于交运板块多方面布局；
（
2
）上海盘毂动力
：
深耕于轮毂、轮边电机应用，正推广轴向电机进入乘用车市场；
（
3
）
Magnax
：
无磁轭轴向磁通电机先驱者；
（
4
）深圳小象电动科技
：
致力于机器人个性化解决方案。
-
风险提示：
需求不及预期、新兴领域需求增长缓慢、公司经营风险、二级市场波动风险等。
一、电机概述
1、电机是什么？
电机又称电力机械，是以磁场为媒介进行机械能和电能相互转换的电磁装置，例如电动机、发电机、变压器等。按照电机运作时结构是否旋转，人们将电机的内部结构分为定子（静止部分）与转子（旋转部分）两部分。电流通过的线圈，也被称为绕组，通常会被固定在定子内部，与转子组件中的磁体遥相呼应。当定子内部绕组间断开启时，电机内部会经过方向不断变化的励磁电流并形成一个较为稳定的耦合磁场，实现电能的传递与转化。
电机发展历史可以分为三个阶段：
1
）理论发展阶段（
1820-1834
）；
2
）工业实用阶段（
1834-2008
）；
3
）轴向突破阶段（
2009-
至今）。各阶段具体成果如下：
1）
理论发展阶段（
1820-1834
）：
1820
年，丹麦物理学家奥斯特发现“电流的磁效应”，为电磁感应理论的建立奠定基石。随着法拉第在
1821
年成功制成世界上第一台轴向磁通电机后，科学家们不断拓展电机在实际生活中的应用领域。自
1834
年后，技术、材料要求更为简单且成本更为低廉的径向磁通电机逐渐占据电机主流。
2）
工业实用阶段（
1834-2008
）：伴随着第二次工业革命，以直流发电机为首，电机进入到新的应用阶段。
1854
年，赫尔特
.
维尔纳兄弟申请了自激式发电机的专利，开启了“卷”直流发电机性能的新时代。至
19
世纪七十年代末，直流发动机最大可以供应
57.6
千伏，输出
4650
千瓦功率。但该极限远达不到人们的实际需求。
1888
年，特斯拉根据电磁感应原理发明了交流电动机，这种无需整流的电动机立刻在家用电器与工业器具方面得到了广泛的应用，并在之后的技术发展与应用中不断迭代升级。
3）
轴向突破阶段（
2009-
至今）：随着径向电机的性能接近理论上限，自
2009
年以来，
YASA
、
Magnax
、
Emrax
等国外电机厂商逐渐开始将目光投向性能更高的轴向电机及其应用。巴黎峰会后，各国碳排放限制政策逐步落下，节能减排已成定局。加之智慧城市与工业自动化对于机器人和自动化设备的精细操作的需要，电机行业正不可避免地朝着小型化、高效化、轻量化的方向发展。电机行业对轴向产品生产工艺的探究，正不断回应社会各界对重量更轻、体积更小、效率更高的轴向磁通电机不断膨胀的需求。
2、电机工作原理
利用永磁体与电磁铁之间的同斥异吸，驱动转子旋转。
电机实现电能与机械能之间的相互转化依赖于定转子磁场相互作用产生的电磁扭矩。以盘式电机为例，当定子当中的绕组通电时，会形成拥有
N
、
S
极的电磁铁。此时，
N
、
S
极相对固定的转子永磁体根据同性相斥异性相吸的基本原理，会因为转定子之间磁极角度不一同时受到向异性磁极靠近的吸力与向同性磁极远离的排斥力，最终按照合力旋转。如若定子电磁铁磁极不变，当转子的异性磁极转到绕组的对应位置时，作用在转子磁铁上的径向合力为零，转子将停止位移。因此，为了保证电机中的转子持续转动，必须间断通电不同位置的线圈以不断改变磁场方向，使转子在电机运作时一直受到切向吸引合力的影响。
电机的稳定运行依赖相对固定的扭矩。
电机的输出功率由转子的扭矩决定，扭矩的大小又由作用力，转轴到施力点的径向向量，以及两者之间的角度决定。在相同的电机中，转子受到的径向向量大小固定不变，因此，定转子之间的扭矩与定转子磁场之间拉开的角度相关，角度越大，吸引力越大。通常来说，
如若定子磁场的旋转速度超前于转子磁场，该电机就处于电动机状态；反之，则处于发电机机状态。如若定转子磁场之间存在速度差，转子
N
极就必然出现时而与定子
S
极对齐相吸，时而与定子
N
极对齐相斥，这会导致切向力的大小与方向都难以固定，扭矩数值就会在电机运作时出现从正到负的波动，使得电机无法平稳输出功率。
二、轴向磁通电机介绍
按照磁通路径方向，电机可分为轴向磁通电机与径向磁通电机，前者的磁通方向与电机旋转轴平行。
由于外形扁平，轴向尺寸短，轴向磁通电机也称为“盘式电机”。
结构端，轴向电机同样包含转子、定子部分。
其中，电机的永磁体被固定于转子部分，并平行于旋转轴对齐；定子部分则容纳线圈，在通电时与转子磁铁磁场发生反应，产生扭矩。从外表上看，轴向磁通电机的定子铁心和转子铁心的外径与内径保持一致，轴向长度不同，定子部分与转子部分轴向方向相对装配。进一步来说，根据定转子数量以及定转子的相对位置，轴向磁通电机可分类为：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四种。但考虑到盘式结构中定转子相互吸引的轴向力对电机整体的破坏性，轴向磁通电机一般采用双定子单转子的结构，单定子双转子、多盘式方案也多有应用。
材料端，轴向电机主要由磁钢、铁心构成。
其中，磁钢（一般为铝镍钴合金）作为转子中永磁体的原料之一，可按照化学成分分为铁氧体磁钢和钕铁硼磁钢。前者最高工作温度可达
250
℃，通过合金钢加工模组一次成型，并被大量应用于永磁电机领域；后者拥有更高的磁性能，且体积小、重量轻，是近几年新型的磁钢品种。定子铁心构成方面，可采用薄硅钢片、软磁复合材料、非晶合金等新型材料，并由此衍生出无磁轭等多种结构方案。其中，
软磁复合材料（
SMC
）
是由铁和铁基粉末颗粒用介电粘合剂压制而成。通过高纯度的粗粉搭配热固性树脂粉以替代叠片式硅钢片铁心，
SMC
材质铁心进一步减小了涡流损耗和轴承电流，降低了高频齿纹波损失。同时，模块化的结构也使该类定子能够快速修理或更换，易于回收利用。
非晶合金
是指通过超急冷凝固得到的没有晶态合金的一种特殊固态合金。低损耗、高磁导率的结构特性使得非晶铁心损耗相较硅钢铁心减少
85%-95%
，以此成为轴向电机铁心构成的一种新选择。
轴向电机拥有极高的工艺自由度。
考虑轴向电机的应用目的不同，其定子成分、磁极排列以及绕组内嵌方式均能进行调整。以磁极排列为例，考虑到绕组的利用效率和布局自由度，轴向电机可以将相对两盘面的磁极布局为双
N
极。通过克服同一转子盘上磁极互斥而导致的装配难题，
N-N
排列的轴向电机换取来的是竖嵌绕组所带来的工艺便利。通过将绕组直接绕过铁心的上下两槽，可以进一步缩短环绕定子线圈的端部长度，既有利于提升槽满率，减小定子内圆的直径，又有利于解决绕组小端之间与绕组大端与机壳之间的误触问题。轴向电机通过更为复杂的创新工艺技术，突破了原有的电机结构对性能参数的限制。
2、轴向磁通电机与径向磁通电机的差异&优劣势
轴向与径向磁通电机的最主要区别在于磁通路径的方向，而这又导致了两者在构造的其他方面存有差异。
轴向电机磁通路径与其旋转轴平行，而径向电机磁通路径垂直于旋转轴。这就意味着在完整磁通路径同为
N
极
-
气隙（定转子之间的空隙）
-
定子
-
气隙
-S
极
-
转子铁心
-N
极的前提下，轴向电机磁场可以直接通过气隙从一个极点到另一个极点，而径向电机磁场还需要再通过两个定子齿，磁通路径更长。又由于磁通路径平行于旋转轴，轴向电机的定子与转子部件在垂直于旋转轴的方向上相对配对，并且两者内外径一致。此外，轴向结构的宽阔空间允许转子数量大于一个的同时采用定子绕组竖嵌方案，而轴向结构转定子间产生的吸引力问题又需要通过
2
：
1
的转定子比例
+
均匀气隙构造的方案来解决。径向电机平行于旋转轴的构造，故转定子的相对位置与数量和轴向电机不同。
轴向电机相较于径向电机的优势源于轴向磁通拓扑天然带来的电机构造优势。
轴向磁通拓扑允许电机转子定位于定子的侧面而非内部，带来了充足的轴向空间，这增加了转子直径尺寸增大的可能性。考虑到轴向电机转子薄饼状的设计，更大的直径尺寸与更短的轴向长度会导致轴向电机能够在相同的力作用下输出更高的扭矩，即轴向磁通电机的扭矩密度更大。此外，由于轴向磁通拓扑所引起的磁通路径长度更短，这可以使得轴向电机在相同电流输入的同时拥有更高的输出功率以及效率。而轴向电机针对轴向磁通拓扑所进行的结构设计最终会引起电机整体体积、重量的下降，这也意味着轴向电机能够在更加紧凑的封装中提供更多的功率，拥有更高的功率密度。总结而言，
轴向电机的优势主要体现在两个方面：
（
1
）性能优势。
在输出同等功率的前提下，与径向磁通电机相比，轴向电机拥有体积小、重量轻、高扭矩密度与功率密度等多重优势。
Ø
轻量化：
在体积方面，轴向磁通电机的外径与径向电机基本相当，但轴向长度仅为径向磁通电机的
1/2
左右，这意味着轴向电机的体积比径向电机小
50%
以上。在电机原材料没有太大变动的前提下，轴向电机自重通常也仅为径向电机的
1/2
左右。以盘毂轴向电机为例，在
5.5KW
的输出参数下，轴向电机仅需
87.5mm
的轴向长度与
11kg
的质量，减少了约
56%
的尺寸与
45%
的重量。轻量化有利于节约电机的安装空间，打开设备整体的设计布局的新思路。
Ø
高扭矩密度与功率密度：
由于“薄饼式”的定转子构造与一维的轴向磁通路径，轴向电机相对传统的径向电机可以提供
30%
的扭矩密度优势以及
1%-2%
的效率优势。以
YASA
为例，在重量，体积均约为同类型径向电机
1/2
的情况下，重量为
24KG
，体积为
5L
的
YASA
轴向电机能够提供
800Nm
的扭矩，扭矩密度高达同类型径向电机的
4
倍。此外，轴向电机更加自由的部件设计拔高了输出的功率与效率密度的上限。在定子结构方面，无定子磁轭方案可以使轴向电机在定子铁质量降低
80%
的同时拥有
2-3
倍于径向电机的功率密度。在定子绕组方面，相较于径向电机线圈仅为
5
0%
的利用率，轴向电机“集中式绕组”方案通过
100%
的绕组运作有效性提升功率密度。更多的绕组铜线
+
更少的悬垂（单独散热的线圈）
+
更大的金属端接触面积，“集中式绕组”方案为简化设备冷却系统也有帮助。
（2）
节能优势。轴向磁通拓扑引发的紧凑设计思路有利于减少轴向电机的生产耗材与能耗。
Ø
生产耗材少：
轴向电机结构轻量化、扭矩密度大的优势连锁带来了耗材少的优势。扭矩密度大，意味着轴向电机可以通过增大转子直径而非添加更多永磁体的方式来维持扭矩，有利于降低电机制造材料。轻量化
+
更加自由的电机设计则从体积角度进一步削减生产耗材。一般情况下，轴向电机生产制造环节所需采用的铜、铁等金属材料相比径向永磁电机减少
50%
左右。如若考虑无铁心
PCB
定子技术，轴向电机的生产耗铜量能降至径向电机的
34%
，定子耗铁量节省得更多。
Ø
能耗低：
自重小、效率高的天然优势使得轴向磁通电机在实际应用中驱动能力更强，能量消耗更低，有利于实现节能减排。通过增大转子半径而非增加转子转速的方式来增大电机输出扭矩，轴向电机的铁心损耗远低于径向电机。由于效率高，轴向磁通电机在各个功率级别下均比普通径向电机节能
15%-25%
左右，并能维持更长时间的峰值功率输出。此外，轴向电机更加直接的磁通路径允许其以取向电工钢作为定子磁芯，取向钢使磁通更容易通过磁芯也会间接减少轴向电机的铁损量。
轴向电机目前在设计和生产流程端尚未如径向电机成熟。
轴向电机定转子轴向相对的结构决定了轴向电机的定转子之间拥有更大的轴向吸引力。因此，相较于径向电机，轴向电机的工艺流程需要更多考虑转速更高时，尤其是连接传动轴后后端负载的轴向窜动较大时，如何保持转子定子之间的磁力水平。此外，轴向磁通电机中更大面积的气隙也对定转子的表面平整程度提出了严格的要求，倒逼加工端、装配端成本升级。轴向电机的高制造难度
+
轴向安全等问题使其仍有不小的改进空间。
3、轴向磁通电机市场规模
轴向电机市场增长的主要突破口在运输电动化浪潮带来的电机革命。
相较于传统
电机，更高的扭矩与功率密度将会延长装配轴向电机电动汽车电池的使用寿命，这使得轴向电机的应用在经济端具有可行性。此外，轴向电机的轻量化优势将为减轻车辆重量提供更加新颖的设计路线。目前在运输端，不少公司已经加码投资布局，例如
OLA
投资了
3.2
亿美元用于购买电动滑板车，
Uber Technologies
也在日前得到了美国运输公司
Lime
的投资支持，购买了大量电动自行车和滑板车。
据
Industry Arc
预计，轴向磁通电机市场规模将在
2022-2027
年间以
10.8%
的
CAGR
增长，并在
2027
年达到
8.71
亿美元。其中，汽车将占据主导地位，预计到
2027
年，汽车轴向磁通电机市值将从
2021
年的
2.02
亿美元上涨到
3.60
亿美元，并通过
10.82%
的
CAGR
成为轴向磁通电机增长最快的细分市场。
三、轴向磁通电机下游应用市场
径向电机因其相对较高的功率密度和成本效益，广泛应用于众多行业。
当今道路上的大多数电动汽车均以径向磁通电机为能源转换装置。小到洗衣机、风扇等家用电器，大到风力发电、航空交通、工业机械电机，径向电机仍然占据市场主流。但是，轴向电机技术的不断成熟正在逐步蚕食径向电机原有的应用板块，尤其是电动汽车领域。
当前轴向电机广泛应用于新能源汽车、航空航天、船舶推进、机器人以及风力发电等要求高转矩密度和空间紧凑的场合中。
在国内，由于轴向电机相对于传统电机而言是为新的产品，加之传统客户在电机替换时存在稳定性顾虑，目前行业汽车板块终端客户大多为车企当中的新势力
+
部分电车车企。日前，
YASA
轮毂轴向磁通电机搭载在奔驰的
vision-one-eleven
样车，以及
2025
年将在
A
MG
纯电动汽车平台投入量产的宣言，引发了乘用车企内部的震动，轴向电机于乘用车的应用也将逐渐渗透。机器人与工业板块，轴向电机在部分领域已形成布局，部分已有试样或小批量供货，距离批量化应用指日可待。
1、新能源汽车行业：商用车先行推广，乘用车仍在试验
（1）盘式电机已在商用车领域逐步推广
当前，轴向电机已在商用车的性能与设计优化中发挥重要作用。
凭借轴向电机功率密度大的优势，浙江中豪
60KW
混动电机在高效节能与尺寸重量方面做出了突破，其效率最高超过
95%
并在结构设计中有效解决混动系统纵置空间紧凑的问题。盘毂动力在
2020
年面向公交市场推出的分布式电驱动技术，同样也利用了轴向电机轴向尺寸更短、重量更轻、功率更大的特性。盘式电机的运用不仅释放了底盘与车厢内部空间，使得
8
米的巴士拥有传统
10
米公交车的载客能力；更进一步实现了无障碍全平地板、
850mm
超宽后过道、
0
附着力
12%
坡道平稳起步等颠覆性的功能改善。在不到三年的时间里，盘毂轴向磁通电机技术已运用到超过
3000
台公交车中，在全国
40
余个城市实现批量交付应用，被认为是“公交适老化服务”的最佳选项。
商
用车电气化所需的新能源驱动电机缺口是轴向磁通电机的新蓝海。
从全球范围来看，中国在新能源商用车推广上起步最早，且相较其他国家已有一定渗透。截至
2020
年，商用车新能源驱动电机装机量仅占
4%
，两年后，渗透率总体达到
6%
左右。《
2023
年全球商用车关键趋势白皮书》认为，中国商用车市场在
2030
年前会受到政策、补能体系以及
TCO
打平等因素的影响，总体电气化进程加速。
至
2030
年，中国新能源商用车渗透率预计可达约
34%
，实现约
140
万台销量水平
，
2
022-2030
年
CAGR
约
2
5
%
。轴向电机功率密度高、轻量化的优势能够弥补商用车对新能源驱动电机的性能要求，分享到商用车快速电气化流程中的蛋糕。
（2）乘用车搭载轮毂轮边电机技术
轮毂、轮边电机技术是应对分布式驱动浪潮的两个方向。
轮毂电机技术又称车轮内装电机技术，最大特点是将动力、传动和制动装置全部整合到轮毂内以达成电动车辆机械部分的大规模简化。轮边电机技术则是将电机与减速器配套安装在副车架的车轮边上，通过传动电机输出轴连接到车轮。当前，相较于轮边电机技术，轮毂电机技术省略了减速器装置，但电制动性能更弱，散热性能更差，且大多以四台电机配套出现。这也导致在轮边电机已经开始进入产业化的同时，轮毂电机尚在批量应用的前夜。两种技术均能实现电机单独驱动轮胎，以使车辆具备高机动性与高可靠性，能够主动控制自身运行，实现自动驾驶。
小体积
+
低理论成本，轴向电机技术有望攻克客车轮边电机推广难题。
在“第三代中央分布式电驱系统”的开发中，盘毂将轮边径向电机替换为轴向电机，为轮边电机在乘用车市场推广打通了新的思路。相较于传统集中式单台电机驱动，分布式驱动需要将电机辅以减速器装在车轮边上，这意味着一台分布式驱动乘用车需要两台以上的轮边电机，成本居高不下。因此，推广轮边电机客车化，首先要解决整车电机成本高的问题。利用轴向电机结构紧凑、扁平轻薄的特点，单个盘毂动力
ICD150K
在维持
150KW
峰值功率的同时，减少了
50%
体积空间并降低了
45%
的重量，单位功率密度超过
6kw/kg
。在轴向与径向电机材料含量差不多的前提下，更高的功率密度意味着批量生产后更少的铜与钢用量以及更小的磁铁，材耗与系统成本的双重下跌让轮边电机整体成本相近于集中式单台径向电机成为可能。
轴向电机在功率密度上的优势也推开了轮毂电机乘用车批量应用的窗口。
高度整合使得轮毂电机技术对电机的体积与输出扭矩均提出了高要求：
1
）为了提升制动性能，轮毂电机需要提供足够大的扭矩；
2
