本文属于类型b，是一篇综述性学术论文，主要对轴向磁通永磁电机（Axial Flux Permanent Magnet Machines, AFPM）技术进行了全面回顾。以下是对该文档的详细介绍。
本文由Fnu Nishanth（威斯康星大学麦迪逊分校电气与计算机工程系）、Joachim Van Verdeghem（比利时鲁汶大学机电、电能与动态系统系）和Eric L. Severson（威斯康星大学麦迪逊分校电气与计算机工程系）共同撰写，发表于2023年7月/8月的《IEEE Transactions on Industry Applications》第59卷第4期。
本文的主题是对轴向磁通永磁电机（AFPM）技术的全面回顾。AFPM因其高扭矩密度和轴向紧凑的结构，在轮毂驱动等应用中广受欢迎。尽管AFPM与径向磁通永磁电机（Radial Flux Permanent Magnet Machines, RFPM）的工作原理相同，但其几何结构的差异使得AFPM的分析更为复杂。本文回顾了AFPM的不同设计变体、尺寸设计方法、计算高效的设计优化技术以及制造技术，并探讨了新兴的AFPM变体和研究机会，如无轴承AFPM、磁齿轮AFPM以及径向-轴向磁通组合电机。
本文首先回顾了AFPM的不同设计变体，包括单侧、双转子、无铁芯和YASA（Yokeless and Segmented Armature）等结构。作者指出，尽管AFPM的设计变体多样，但其尺寸设计方程可以统一应用于多种变体。例如，单侧、YASA、环形绕组和无铁芯AFPM都可以使用相同的尺寸设计方程。这些设计变体的扭矩能力与转子外径的立方成正比，几何比λ（内径与外径之比）是关键设计参数，通常在0.65到0.75之间。
通过对比AFPM与RFPM的设计，作者发现，在RFPM转子长径比大于12时，AFPM的扭矩能力优于RFPM。此外，AFPM的结构更利于冷却，可以实现更高的电负荷，从而进一步提升其扭矩能力。
AFPM的设计优化需要考虑三维磁通路径和复杂的3D效应，如径向依赖性和边缘效应。本文回顾了多种优化技术，包括遗传算法（GA）、差分进化（DE）和粒子群优化（PSO）等。为了减少3D有限元分析（FEA）的计算量，作者介绍了两级代理辅助优化（2L-SAMODE）方法，该方法使用克里金代理模型估计电机性能参数，仅在每一代中对Pareto最优设计进行3D FEA评估。与传统的多目标差分进化（MODE）相比，2L-SAMODE在生成相同Pareto前沿的情况下，显著减少了FEA计算量。
此外，作者还介绍了2D FEA技术在AFPM设计评估中的应用。通过将AFPM划分为多个2D计算平面，可以显著减少计算时间，同时保持较高的精度。例如，线性电机模型（LMMA）方法在无铁芯设计中表现尤为出色。
AFPM的制造难度是其商业化应用的主要障碍之一。本文回顾了多种制造技术，包括层压钢、软磁复合材料（Soft Magnetic Composites, SMC）、印刷电路板（PCB）定子和增材制造（Additive Manufacturing）。层压钢是传统制造方法，通过缠绕薄钢带或使用冲压层压片制造定子。SMC具有高频下效率较高的优势，但初始模具成本较高。PCB定子因其紧凑性和高效性在低压、低电流应用中表现出色，但在高电压和高电流密度下存在热管理挑战。增材制造技术为AFPM的复杂几何结构制造提供了新的可能性，尤其是在定子核心和绕组的制造中。
本文还回顾了近十年内发表的商业化和原型AFPM设计，识别了其在扭矩密度、功率密度和速度-功率能力方面的趋势。大多数AFPM设计适用于低速、高扭矩应用，如风力发电和电动汽车驱动。YASA和无铁芯设计在原型中占主导地位，分别占23%和18%。大多数设计采用表面永磁（SPM）结构，少数使用Halbach阵列转子。定子材料以电工钢层压板为主，SMC定子和PCB定子也有一定应用。
AFPM的磁通弱化能力较差，限制了其在宽速范围恒功率运行中的应用。本文回顾了机械和电气两种磁通弱化技术。机械技术通过轴向移动转子或定子来改变气隙，而电气技术则通过绕组设计和转子几何结构优化来提高磁通弱化能力。例如，带有C型端部绕组的AFPM设计可以实现3:1的恒速功率比（CPSR）。
热管理是AFPM设计中的重要考虑因素，尤其是对于高功率密度设计。本文介绍了多种冷却技术，包括水套冷却、直接油冷却和空心转子轴水冷等。实验表明，直接油冷却可以将定子绕组的电流密度提高两倍。
本文还探讨了新兴的AFPM拓扑结构，如无轴承AFPM、磁齿轮AFPM和径向-轴向磁通组合电机。无轴承AFPM将电机和磁悬浮功能集成于单一结构，具有无机械磨损、无润滑和高转速范围的优势。磁齿轮AFPM结合了磁齿轮和电机的功能，显著提高了扭矩密度。径向-轴向磁通组合电机则通过同时利用径向和轴向磁通路径，进一步提升了扭矩密度。
本文为AFPM技术的研究和应用提供了全面的参考，涵盖了设计、优化、制造、商业化应用和新兴拓扑结构等多个方面。AFPM技术在低速高扭矩应用中具有显著优势，通过集成磁悬浮和磁齿轮等新兴技术，AFPM有望在可靠性、额定速度和功率密度方面推动电机技术的边界。
本文的亮点在于其全面性，不仅回顾了AFPM的传统设计和制造技术，还深入探讨了新兴拓扑结构和优化方法。特别是对无轴承AFPM、磁齿轮AFPM和径向-轴向磁通组合电机的介绍，为未来研究提供了新的方向。此外，本文还通过对比AFPM与RFPM的性能参数，明确了AFPM在低速高扭矩应用中的优势。