PCB定子轴向磁通电机产业化可行性分析报告

 前沿：PCB轴向磁通电机的产业化进程，已迎来一项关键里程碑。其核心优势—结构紧凑、高转矩密度与快速响应，已在多类尖端高端装备中获得扎实的应用验证。这不仅为其技术可靠性提供了强背书，更意味着规模化推广的技术基础已全然俱备。作为实现装备“极致轻量化”的颠覆性路径之一，该技术虽整体仍处于从“0到1”的原始创新阶段，但巨大的商业与应用潜力已然清晰可见，一个崭新的产业风口正在形成。

 一、PCB定子轴向磁通电机概述与技术特点

1.1 轴向磁通电机简介

       轴向磁通电机技术诞生时间较早，且理论上具有更高的扭矩密度、更高的功率密度和更小的体积等优势，但由于材料、工艺和制造技术的限制（如制造工艺复杂，线圈安装难度较大甚至出现轴向移动等问题），其发展较径向磁通电机要缓慢很多。但是近年稀土永磁材料和PCB定子技术的应用，推动了轴向磁通电机性能的提升，这些突破也推动了其在新能源汽车、机器人等领域的广泛应用。

      与常见的径向磁通电机相比，轴向磁通电机定转子平行布置并垂直于转轴，转子主要由永磁体材料构成，定子铁芯由硅钢片叠压而成，定子绕组常以印制或绕线的方式制作而成，绕组面积较大，便于散热。更为关键的是，由于轴向磁通电机磁通路径（从转子上的永磁体开始，通过气隙进入定子，再返回转子，形成一个闭合回路，而径向系统电机的路径是从一个转子极延伸到第一个定子齿，然后穿过定子轭部到第二个齿，最终返回另一个转子极，形成一个较长的路径）更短，单位体积内的磁能利用率更高，因此在相同体积下能输出更大的功率，而且轴向磁通电机的转子直径更大，因此在相同力作用下可获得更高的转矩输出。

                                                                                                                                                                                     图一 普通永磁电机和轴向磁通电机

      图二 径向磁通电机和轴向磁通电机

        结构最简单的轴向磁通电机只有一个定子和一个转子。但是需要定子为旋转的磁极提供回路，所以为了使电机转子的稳固性，需要加装推力轴承。除此之外，定子中会由转子产生的磁场发生突变，使得损耗增加，运行效率降低。而且该结构由于整体结构属于不对称的状态，所以电机存在单边磁拉力。

       实际应用中多是采用双转子单定子结构（定子中间，转子的永磁体直接安于外壳上，组成两个气隙的结构，该结构转动惯量更大）、双定子单转子结构（转子安有安磁体且位于电机中央，具有两个对称的气隙。该结构可平衡轴向磁拉力从而提高电机机械稳定性且转动惯量小于中间定子结构，散热优于中间定子结构）、多盘组合结构（多个转子和定子交替排列构成。该结构复杂，但定子绕组的增加可使电机具有更高的转矩和功率密度，但散热难度大，且由于其过于复杂，在装配时非常难以操作）等复合形态。

        然而，无论是以上哪种结构都存在因为包含铁芯所导致的共性问题。如散热问题，永磁体对温度敏感，过热可能导致其失效。轴向磁通电机的冷却结构通常位于机壳的径向两侧，对定子铁芯和绕组的冷却效果较好，但对转子和永磁体的冷却效果不佳。还有如当铁芯中的磁通密度超过其饱和值时，铁芯将无法有效导磁，导致铁损增加，电机效率下降。铁芯的使用还增加了铁损，降低了电机的效率。总损耗的20%便是由定子铁芯的磁滞和涡流损耗组成。此外，还有如高速运行的稳定性问题，在高速运转时，由于定子和转子的铁芯轴向排列，容易产生振动和噪音，影响电机的稳定性和寿命。

        那么无铁芯结构的轴向磁通电机的诞生就成为必然。一方面，无铁芯即无铁芯齿槽，可消除齿槽转矩，也就消除了主要的噪音来源。另一方面，大多数无铁芯结构的电机通过采用中间定子的结构形成双气隙密闭磁路的方式降低了漏磁。

       PCB定子轴向磁通电机是无铁芯结构的轴向磁通电机中应用最为广泛的一种。PCB定子轴向磁通电机通过采用印刷电路板（PCB）替代传统铁芯和铜线绕组，整体重量大幅降低，而且减少了磁通路径的损耗，无铁芯设计消除了磁滞和涡流损耗，使得电机效率（通常超过96%）显著提升，此外，PCB定子轴向磁通电机的制造工艺可通过自动化生产线确保线路一致性，提高生产效率。

1.2 PCB定子轴向磁通电机简介

      PCB定子轴向磁通电机（Printed Circuit Board Motor，简称“PCB电机”）是将线圈直接印制在电路板上的无刷电机，具有超薄、轻量化、可批量生产的特点。在这种电机中，传统的铁芯定子被PCB所取代，产生电磁转矩，驱动电机转动。

与传统绕线电机相比，PCB电机采用平面线圈设计，厚度可降至1-5mm，特别适合空间受限的应用场景。

 图三 PCB定子轴向磁通电机

（1）定子

        PCB绕组区别于线绕式绕组的地方在于，线绕式绕组需要手工或机械绕制，且绕组的结构和形状较为固定，难以实现高度的定制化和优化。此外，线绕式绕组的加工成本相对较高，且在加工过程中容易出现绕圈悬垂、端部连接等问题。而PCB绕组将绕组直接蚀刻在PCB板上，通过电流驱动形成旋转磁场，驱动转子旋转。PCB绕组下，线圈的形状和架构设计灵活，还可直接将PCB绕组固定于电机机壳。特殊场景下，体积小、厚度小和轻量化需求都可以得到满足。

       在加工工艺上，绕组的线宽、间距、铜箔厚度对电机性能都有影响。当电流密度一定时，更厚的铜箔、更宽的有效导体线宽可以得到更高的输出功率和效率。但铜箔过厚也会因产生更高的涡流损耗而降低电机的输出效率。此外，铜箔越厚，加工时所需设备的精度越高。因此，铜箔的厚度也需做一个权衡，一般一层绕组的镀铜厚度也需做一个权衡，一般一层绕组的镀铜厚度最大值通常设计为0.175mm，特殊场合会更大一些。

       对于PCB板本身，多层PCB板并不一定意味着更高的性能。层数增加的主要优势在于减少电磁干扰、提升信号稳定性和耐用性，此外布线密度、热管理和电磁兼容性也更好，但在PCB电机中，过多的PCB板数会使PCB板厚度增加，气隙长度增加，进而气隙磁通密度（影响电机性能的核心指标）下降。此外，成本上，PCB板的加工费用中约三分之一来自机器钻孔，层数过多也会增加总体成本。

（2）转子

       磁路设计的好坏可用气隙磁密的大小及波形是否是正弦波来衡量，因此非正弦的波形会夹杂大量谐波，从而增加了转子涡流和磁滞损耗。而气隙磁密的大小取决于气隙空间的大小、永磁材料的性能（如磁钢选择剩磁和磁能积较高的永磁体材料，但成本高）及排列（如常见的Halbach阵列方案）。

       在永磁材料选择上，最早得到广泛应用的永磁体材料是铝镍钴。如图四种材料中，综合性能最好的是钕铁硼，虽然其最高工作温度较低（磁性能会在高温条件（≤120°）下出现明显下降甚至出现不可逆的损失），但考虑到轴向磁通永磁电机采用双定子单转子结构，散热能力更强，温度在可控范围之内。所以目前应用最广泛的还是钕铁硼。值得注意的是，由于钕铁硼抗氧化性能较差，因此实际使用中，需要结合保护层来使用。最后永磁铁加工好后，采用特定胶水均匀的粘贴在背铁上，就构成了转子。

表一 永磁体性能对比

        对于气隙长度，等于PCB定子的绕组盘厚度与2倍的定子绕组和转子盘体之间的单边气隙长度之和。若气隙较大，转矩输出反而会下降且加剧转矩波动（如图四），还会增加电机体积并且需要使用更多的永磁体材料从而提高了成本。若过低，定子可能会和转子之间有物理接触。而一旦气隙长度确定后，就可以确定磁钢的厚度，一般磁钢厚度与气隙长度比值为1.2~1.6之间为宜。

 图四  不同气隙对输出转矩的影响

1.3 PCB电机技术优势

  （1）高效率：PCB电机通过优化定子绕组的设计和布局，实现了更高的能量转换效率。相比传统电机，PCB电机在相同的输入功率下，能够输出更更多的有用功，从而大大降低了能源消耗。

  （2）轻量化：由于定子绕组直接印制在PCB上，省去了传统电机中厚重的铁芯结构，因此PCB定子电机在重量上实现了大幅减轻。这不仅有助于提升设备的便携性，还能够降低运输和安装成本。

  （3）低噪音：PCB电机在运行过程中产生的噪音极低，甚至可以达到近乎无声的水平。这对于需要低噪音环境的场合来说，无疑是一个巨大的优势。

  （4）高可靠性：PCB电机的制造过程高度自动化，采用先进的电子元器件和连接技术，确保了电机的高可靠性和长寿命。此外，由于定子绕组与PCB紧密结合，避免了传统电机中常见的绕组松动和接触不良等问题。

  （5）设计灵活：PCB电机提供了极高的设计灵活性。制造商可以根据客户的需求，快速定制不同功率、不同尺寸的电机解决方案。这种灵活性使得PCB定子电机能够广泛应用于各种领域，满足不同场景的需求。

二、PCB定子轴向磁通电机应用领域与行业机会分析

2.1 典型应用领域

       在空间受限、高功率密度及轻量化需求显著的应用场景中，PCB轴向磁通电机展现出突出的技术适配性，典型应用包括机器人关节、电动垂直起降飞行器（eVTOL）及高效发电机等精密领域。

（1）机器人关节驱动

        轴向磁通电机是机器人关节驱动系统的必然发展方向之一。例如，深圳市小象电动开发的轴向磁场一体化电驱关节，外形尺寸为90mm×100mm，集成二级减速器与电机驱动器，峰值功率达600W，峰值输出扭矩150N·m，最高输出转速200rpm，整机重量仅为1.2kg。该设计具有高转矩密度、快速动态响应与高度集成化特点，可直接应用于四足机器人关节驱动。

在四足机器人运动过程中，关节需频繁进行高动态摆动，对驱动系统的响应速度与转矩输出能力提出严苛要求。大腿关节在运动周期内峰值扭矩可达80N·m，且转矩变化率极高。因此，具备快速响应、高转矩密度及紧凑结构的PCB电机，在机器人关节领域具有明确的应用前景。

图五 PCB电机在飞行器上应用

       宇树科技（Unitree）在H1等新一代高端人形/四足机器人产品的关节驱动方案中，采用了自主研发的高扭矩密度关节电机。虽然未公开明确全部技术细节，但其公开的性能参数（高扭矩、快响应、轻量化）与PCB轴向磁通电机的技术特征高度吻合，标志着该技术路线在高动态性能机器人领域的适用性已获得一线厂商的实质性认可。

优必选Walker机器人作为国内人形机器人的标杆产品，Walker系列在迭代中持续优化其关节驱动单元。公开资料显示，其致力于提升扭矩质量比，业内普遍认为其技术路径涵盖了包括轴向磁通在内的多种先进电机方案，以应对复杂灵巧作业带来的动力挑战。

（2）eVTOL 推进系统

       PCB电机在电动航空领域亦已实现初步验证。2020年，安徽云翼航空技术有限公司在合肥骆岗机场完成了国内首款全电动旋翼飞行器的试飞。该飞行器采用轴向磁通电机作为驱动核心，通过双电源系统分别供电：驱动电源控制尾部推进器，预旋电源驱动旋翼电机产生升力，最终实现平稳起飞与爬升。该项目标志着PCB电机在eVTOL等高功率密度推进场景中具备可行性。

图六 PCB电机在飞行器上应用

       广汽集团在其发布的飞行汽车GOVE概念及部分高端车型的轮边驱动系统中，探索性应用了轴向磁通电机技术。其核心价值在于满足了对极高功率密度和紧凑结构的极端要求，证明了该技术在移动载具动力系统革新中的潜力。

（3）风力发电系统

       PCB电机的高转矩特性也适用于发电领域。早在2012年，美国Boulder Wind Power（BWP）公司已认识到PCB定子在风力发电中的潜力，并启动相关研发，致力于将PCB电机功率提升至兆瓦级别，工作电压达600V，以适配大型风力发电机组对高扭矩、高可靠性的要求。

图七 PCB电机在发电机上应用

综上，PCB轴向磁通电机凭借其结构紧凑、转矩密度高、响应快等优势，在多类高附加值高端装备领域已开展实际应用验证，为其进一步产业化与规模化推广奠定了技术基础。

人形机器人的产业化是核心驱动力。据行业分析，每台人形机器人平均需搭载约150片PCB，其关节驱动系统是PCB用量的关键部分。目前，人形机器人正从实验室加速走向工业、物流乃至服务、医疗等更广阔的场景，预计2026-2028年将进入量产阶段。这一趋势为PCB行业带来了确定性的增量需求。

百能云板专注于机器人关节驱动的核心需求，提供厚铜PCB、金属基板（如铝基板/陶瓷基板）、埋铜块技术，为高功率密度电机驱动提供坚韧脊梁与高效散热保障，确保关节动力澎湃、运行可靠。

                                                                                                                                                                                                         文章出自：百能信息研究院