电机轴向磁通 vs 径向磁通：谁更适合未来氢能长航时---壹倍达电机小课堂

一、功率密度：AFM 的“立方定律”

扭矩公式最能说明问题：

RFM 扭矩 T∝D²·L，想翻倍就得把直径或叠厚线性加码；

AFM 扭矩 T∝D³，直径放大 1.3 倍，扭矩即可翻倍。

在 200 kW 氢能燃料电池系统里，AFM 可在 4 kg/kW 以内完成指标，而 RFM 通常 6–7 kg/kW。对于 32 t 长途重卡，电机每轻 100 kg，就能多带 6–8 kg 氢气，等效续航 60–80 km——这是 AFM 在“长航时”场景下的第一笔账。

二、效率地图：高速巡航区谁更宽？

氢能系统追求“电堆-电机”综合效率 >50%，意味着电机需在 20%–100% 负载、1 500–6 000 r/min 区间保持 95% 以上。AFM 采用 Halbach 阵列 + 无槽定子，铁损占比可压到 1% 以下；RFM 通过 6 极 54 槽分布绕组，铁损 1.5%–2%，但高速（>8 000 r/min）时转子轭部涡流显著上升。实测 200 kW 平台：

AFM 95% 以上高效区占 87%；

RFM 占 78%。

别小看 9 个百分点，以 1 000 km 氢耗 42 kg 计算，全寿命 120 万 km 可多省 450 kg 氢气，折合碳排 4.5 t——这是第二笔账。

三、散热：扁平盘的“两面煎” vs 圆柱的“穿堂风”

AFM 绕组位于双转子夹缝，热流路径短但表面积小，热点温度常比 R

FM 高 15–20 K；RFM 定子外圆可直接水套，对流系数 8 000 W/(m²·K) 是 AFM 的 1.8 倍。解决思路：

AFM 采用“定子中空+喷油冷却”，在 200 W/kg 热流下，温升 85 K→65 K；

RFM 维持水套即可，但轴向长度增加 40 mm，与“短机身”诉求冲突。

结论：AFM 需额外 1.5 kW 油泵功耗，但换来长度缩短 120 mm，对氢能客车底盘中置电机而言，布置灵活度反超 RFM。

四、高速化：转子机械极限

氢能长航时要求电机峰值 12 000 r/min，对应车速 120 km/h，速比 <8，省去 2 挡变速箱。

RFM 转子外径 220 mm，周向速度 138 m/s，40CrNiMoA 保持架强度余量 2.3 倍；

AFM 转子平均半径 160 mm，周向速度 100 m/s，碳纤维绑扎余量 3.5 倍。

看似 AFM 更稳，但扁平结构带来“伞形”振动模态，0 阶固有频率 1 800 Hz，与 12 000 r/min 的 200 阶电磁力频率 2 000 Hz 仅差 10%，需用 45° 斜极+阻尼环降振幅。RFM 圆柱壳体 0 阶模态 2 400 Hz，天然错频。

因此，>10 000 r/min 场景，RFM 机械可靠性更高；8 000 r/min 以下，AFM 优势扩大。

五、系统级耦合：氢气=“体重监督员”

氢燃料电池系统能量密度 700 Wh/kg，看似高，但 70 MPa 瓶组、阀组、冷却回路合计占 38% 质量。电机若不能同步减重，就会吃掉航时红利。

AFM 扁平形态可嵌入瓶组底部“真空地带”，使整车质心下降 45 mm，侧倾角速度降低 6%，等效提升高速过弯稳定性；RFM 需纵置或横置，占用 200 L 行李舱空间，对 49 t 牵引车不算事，对 8.5 m 城客却影响座椅排布。

一句话：越大越长的车型，越倾向于 RFM；越紧凑、越低入口的车型，越给 AFM 开绿灯。

六、成本曲线：2025 年交汇点

2023 年数据，200 kW AFM 原材料成本比 RFM 高 22%：

高性能钕铁硼用量 1.8 倍；

碳纤维绑扎带 1.2 kg；

无槽环氧绕组手工占比 35%。

但规模化正在抹平差距：

钕铁硼价格 2023–2025 年预计再降 18%；

自动绕线机突破 6 轴联动，AFM 绕组工时缩至 12 min；

碳纤维回收料再用于绑扎带，成本-30%。

模型预测：2025 年 200 kW 平台，AFM 与 RFM 材料成本差 <8%，而 AFM 多出 1.5% 效率红利，对 120 万 km 寿命的 49 t 重卡，全周期节省氢费 4.2 万元，已覆盖初始差价。

七、标准与法规：谁先拿到“入场券”

ISO 26262 功能安全：AFM 扁平结构让旋变安装面离磁极更近，EMI 风险高 6 dB，需额外屏蔽环；

UN GTR No.13 氢安全：AFM 可布置于瓶组下方，但需满足 5 m 跌落无裂纹，碳纤维机壳成为必选项，成本再+3%；

IEC 60034-18-42 高速电机耐久：RFM 已有大量认证数据，AFM 需重新跑 2 000 h 超速试验，周期 8 个月。

法规层面，RFM 先行一步；AFM 正加速补齐短板。

八、一张决策表，把“选谁”写进 Excel

指标	权重	RFM 得分	AFM 得分
功率密度	25%	7	10
高速能力	20%	10	7
效率区间	20%	8	9
散热难度	15%	9	7
布置灵活	10%	6	9
成本 2025	10%	9	7
加权总分	100%	8.2	8.4

 

结论：AFM 以 0.2 分微弱优势领先，但高速、成本、法规三项仍是 RFM 护城河。未来 5 年，两种拓扑将按场景分流——

49 t 长途重卡、10 m 以上客车：RFM 主流，AFM 做旗舰；

8.5 m 城客、中卡、物流 Van：AFM 率先普及；

15 000 r/min 电驱超高速：RFM 独占；

<8 000 r/min 低入口、低地板：AFM 横扫。

九、写在最后

氢能长航时不是单点技术秀，而是“电堆-电机-储氢-整车”四维耦合。轴向磁通用“扁平”换“轻量”，径向磁通用“圆柱”换“高速”；谁更适合未来？答案不是非黑即白，而是“让场景自己说话”。当 2025 年碳纸价格下探、碳纤维回收闭环成型，AFM 的加权总分也许会涨到 9 分；当 RFM 把 0.3 mm 超薄硅钢片、油冷定子绕组玩到极致，同样能把功率密度追平到 5 kg/kW。

电机世界的有趣之处正在于此——没有永远的赢家，只有持续迭代的“阶段性最优解”。对于氢能这条超长赛道，选对拓扑只是第一步，把效率地图跑宽、把成本曲线跑平，才是真正的“长航时”要义。

推荐阅读：