轴向磁通永磁电机依据定子结构可划分为铁心式与无铁心式两大技术体系，两类结构适配不同工况场景。现有研究多聚焦于有定子铁心轴向磁通电机的磁路优化与极槽匹配设计，针对无定子铁心机型的系统性论述相对匮乏。本文以产业化落地最快的PCB绕组式无铁心轴向磁通电机为研究对象，系统性剖析无铁心结构的底层技术优势，分类探究不同PCB绕组拓扑的适配特性，拆解绕组设计核心参数与制程约束，同时阐明Halbach永磁阵列磁路优化策略，总结现阶段产业化技术壁垒，并结合行业供应链发展格局预判技术迭代方向与市场应用前景。

单定子双转子拓扑是无定子铁心轴向磁通电机的主流结构形式。该结构摒弃传统电机硅钢片定子铁心，绕组组件直接固定于非磁性绝缘基体之上，从根源上彻底消除定子铁耗、磁滞损耗，同时有效抑制转子永磁体的涡流附加损耗，全方位提升整机能量转换效率。除此之外，无铁心结构不存在齿槽效应，可实现全转速、全负载工况下的平稳输出，转矩脉动与运行振动大幅降低，动态响应特性与运行平顺性显著优于传统铁心式轴向磁通电机。

一、无铁心结构的技术突破与工艺革新

现阶段无铁心轴向磁通电机定子绕组主要分为传统绕线式绕组与PCB印制绕组两种技术路线，二者的成型原理、加工精度、成品一致性及量产适配性存在代际差异，也是制约电机性能与产业化落地的核心因素。

传统绕线式绕组普遍采用环氧树脂真空浇注封装工艺，工艺短板较为突出：绕组线圈依赖人工绕制定位，成型精度可控性差，易出现线圈排布偏移、绕组盘面翘曲不平等问题；电机高速运行时，松散的绕组结构易产生轴向跳动，加剧振动噪声。且随着电机额定功率提升，线圈匝数与导体体积同步增加，工艺缺陷被进一步放大，直接导致产品良品率偏低、批次一致性差，叠加人工成本居高不下等问题，该路线难以支撑行业规模化量产需求。

相较于传统绕线工艺，PCB印制工艺凭借超薄扁平化结构、参数高精度可控、制程标准化程度高等特质，完美适配无铁心轴向磁通电机定子绕组的设计与制造需求。该技术将铜箔导体直接蚀刻集成于绝缘基板内部，可精准固定线圈尺寸、排布间距与绕组层数，从工艺层面解决传统绕线绕组的固有缺陷。作为国内高精密特种PCB核心智造服务商，百能云板深耕工业级特种电路板制造二十余年，聚焦大功率厚铜板、高多层精密板、陶瓷基板等定制化产品研发生产，可提供电机专用PCB绕组一站式成型方案，依托自动化生产线与全工序质检体系，适配不同功率等级无铁心轴向磁通电机的量产需求，现已成为行业主流产业化载体。

结合电磁设计与工程应用实践，PCB绕组相较传统绕线绕组，具备四大维度革新性优势：

设计自由度高：可基于电磁仿真结果，定制化蚀刻圆形、梯形、菱形及复合型线圈拓扑，无需重构产线工艺即可完成绕组匝数、端部结构的迭代优化，适配小功率精密驱动至中大功率工业传动的全场景需求。

成品一致性优异：依托标准化PCB蚀刻、压合制程，完全规避人工绕线带来的尺寸偏差，绕组电阻、电感、磁链等核心电磁参数偏差可控制在±1%以内，产品可靠性更高，适配工业化大规模批量生产。

功率密度突出：PCB绕组厚度可实现毫米级精细化控制，能够有效缩减电机等效气隙长度，减少永磁材料冗余用量，压缩整机轴向尺寸，在轻量化的同时提升电机转矩密度与功率密度。

机械稳定性强：绝缘基板刚性与平面度远优于浇注式绕组，彻底杜绝绕组轴向窜动、跳动等问题，电机高速工况下振动噪声显著降低，长期疲劳运行的耐久性与稳定性大幅提升。

二、PCB定子绕组拓扑结构与优化设计

根据导体排布形式与励磁特性，PCB轴向磁通电机绕组可分为非重叠集中绕组与分布式绕组两类拓扑。两类绕组的磁场耦合特性、损耗分布规律及输出性能各有侧重，需结合应用场景、功率等级与散热条件择优选型，是电机多目标优化设计的核心环节。

（一）非重叠集中绕组

非重叠集中绕组结构简单、布线难度低，是中小功率PCB无铁心轴向磁通电机的基础拓扑，主流结构包含菱形、圆形、梯形及圆梯合成四种，各结构性能优缺点及适配场景差异化明显：

菱形绕组：端部导体长度最短，绕组直流铜耗占比低，运行能效优势显著；但磁链交链面积与铜箔有效利用率偏低，转矩输出能力受限，适配高效率、小负载的轻量化工况。

圆形绕组：端部结构极简，附加损耗为四类拓扑最低；受制于有效匝数上限，磁场耦合能力较弱，空载反电势输出不足，仅适用于微型低功率精密驱动设备。

梯形绕组：绕组系数高、磁链交链量大，反电势、转矩密度综合性能最优，广泛应用于中大功率工业电机；弊端在于端部导体过长，局部铜耗集中易引发热堆积，长期高温运行会加速绝缘层老化，缩短定子使用寿命。针对该行业痛点，百能云板针对性推出厚铜PCB定制方案，采用内外层2oz加厚铜箔一体化成型工艺，相较常规1oz覆铜方案，绕组载流能力翻倍，可降低42%以上局部温升，从制程端解决梯形绕组热堆积难题，强化电机长效运行可靠性。

圆梯合成绕组：复合型优化拓扑，融合圆形绕组低损耗与梯形绕组高功率密度双重优势。以圆弧端部替代传统梯形直线端部，既优化磁场交链效率、提升转矩输出上限，又分散端部热集中区域，兼顾能效、功率与散热性能，综合适配性为四类拓扑之最。

（二）分布式绕组

分布式绕组与集中绕组的核心差异体现在导体排布与导通形式：该拓扑所有有效导体规格统一，依托PCB金属化过孔工艺，可实现多支路并联导通，大幅提升绕组整体通流能力，降低等效内阻与铜耗。

分布式绕组采用整距线圈一体化排布，基板空间利用率可达85%以上。同等结构尺寸与永磁配置条件下，其空载反电势、绕组利用率显著高于集中绕组，能够充分挖掘永磁体磁能潜力，平衡电机能效与功率密度，适配数据中心散热、大型工控设备等中高功率连续运行工况。

三、PCB定子绕组关键设计参数与工艺约束

PCB定子绕组设计需建立电磁性能、制程可行性、生产成本三维约束模型，区别于民用消费级普通电路板，电机专用PCB绕组对覆铜厚度、线宽线距、层数板厚等参数有着严苛的工业级标准。百能云板依托成熟的大功率电机PCB制造经验，累计迭代完善百余项特种制程工艺，可针对不同设计参数提供定制化落地方案，全方位平衡电机电磁性能与量产成本。

（一）绕组覆铜厚度

行业通用盎司（oz）作为PCB覆铜厚度计量单位，换算标准为1 oz=0.035 mm。现阶段商用无铁心轴向磁通电机单层PCB绕组，主流覆铜厚度区间为3~4 oz。覆铜厚度直接决定绕组通流截面积，是调控电机载流上限、铜耗分布与功率等级的核心基础参数。针对大功率电机高电流密度运行需求，百能云板可提供2~6 oz梯度化厚铜定制服务，其自研16层大功率专用线圈板，内外层统一采用2oz加厚铜箔，配合专属压合工艺，可规避厚铜板材层间起泡、错位缺陷，满足高负载工况下绕组长期稳定通流需求。

（二）线宽、线间距与覆铜厚度的匹配关系

PCB绕组线宽、线间距存在固定制程阈值，且与覆铜厚度、电路板层数呈强耦合关系：覆铜厚度越大、堆叠层数越多，蚀刻成型难度越高，线宽线距设计下限同步提升，低于阈值则易出现短路、断铜等制程不良问题。

参数设计层面，大电流工况需适当加宽导线宽度以降低导通内阻、抑制温升；小电流精密工况可收窄线宽，提升基板空间利用率。因此，线宽与线间距需结合厂商制程能力、额定电流等级、损耗指标及空间利用率，通过多轮电磁迭代仿真确定最优解。在电机绕组特种PCB领域，百能云板最小可实现2.95/3.54 mil（0.075 mm）精细化线宽线距成型，同时支持内外层差异化覆铜配置，同步满足高频弱电流控制与大功率强电流驱动的双重设计需求。

（三）PCB层数与板厚约束

在板厚恒定条件下，增加PCB堆叠层数可扩大绕组总通流截面积，提升电机功率输出上限，但层数存在双向约束：工艺层面，多层板压合过程中易产生层间偏移、绝缘介质破损、板体翘曲等不良问题，制程良率随层数增加逐步下降；性能层面，层数增加会增厚定子基板、拉长等效气隙，引发气隙漏磁增加、磁密衰减，需额外增加永磁体用量补偿性能损耗，最终推高整机体积与制造成本，削弱产品性价比。百能云板精准平衡层数与板厚的制衡关系，最高可实现28层精密PCB一体化成型，旗下12层三阶HDI超薄绕组板，可在1.2 mm极限板厚内完成多层电路高效互联，完美解决轴向磁通电机“超薄尺寸、多层绕组”的核心设计矛盾。

四、转子结构创新：Halbach永磁阵列优化技术

受无铁心结构特性影响，PCB绕组式轴向磁通电机双边转子的等效气隙远大于传统铁心电机，普遍存在气隙磁密偏低、转矩输出受限等问题。行业主流优化方案分为永磁材料升级与磁路结构优化两类，其中Halbach永磁阵列凭借低成本、高磁密、低谐波的综合优势，成为现阶段性价比最高的工程优化手段。

高牌号稀土永磁材料可从源头提升气隙磁密，但高端钕铁硼材料成本高昂，仅适用于航空航天、特种军工等小众高端场景，无法普及至民用工业领域。Halbach阵列则通过调整相邻永磁体磁化夹角，重构气隙空间磁场分布，既能有效提升有效工作气隙磁密，又可优化磁场正弦度、抑制高次谐波畸变，进而规整空载反电势波形，降低电机转矩脉动与电磁振动，提升整机运行平稳性。

目前商用Halbach阵列主要包含90°、60°、45°三类磁化夹角结构。夹角数值越小，磁场正弦性越好、动态响应性能越优异，但永磁体装配复杂度与制造成本同步攀升。综合电磁性能、加工难度与量产成本三大维度，90°磁化夹角Halbach阵列适配性最优，现已成为商用PCB无铁心轴向磁通电机的标配方案。

五、极槽配合与核心尺寸参数设计

无铁心扁平化结构无物理定子槽，传统铁心电机成熟的极槽匹配理论无法直接套用。为简化电磁分析流程，行业统一将PCB基板上独立工作的闭环线圈等效定义为“虚拟槽”，基于该等效模型，可沿用经典电磁分析算法，完成空载反电势求解、转矩多目标优化、效率全域校核等系统化设计工作。

永磁体尺寸是决定电机电磁输出上限的关键参数。现有电磁仿真研究表明，当永磁体内外径比值γ=1/√3时，电机可突破结构约束，达到极限电磁输出功率；在实际工程设计中，为适配不同散热条件与安装空间，通常将该比值调校至0.45~0.7区间。同时，永磁体厚度一般设定为有效气隙长度的1~2倍，以此平衡磁材料利用率、气隙磁密水平与整机紧凑性。

六、PCB无铁心轴向磁通电机应用前景与发展趋势

PCB无铁心轴向磁通电机集成PCB精密蚀刻工艺、轴向磁通扁平化结构、无铁心低损耗三大核心优势，具备高功率密度、低转矩脉动、轻量化、免维护、易量产等特质，精准匹配高端装备产业对驱动部件的核心要求，目前已在多领域实现商业化落地。依托完善的特种PCB产品矩阵与成熟供应链体系，百能云板为该类电机从方案设计、样品试制到规模化量产提供全链路支撑，助力行业技术下沉与市场普及。

（一）暖通空调与数据中心散热设备

数字化时代下，数据中心正向低PUE值、模块化布局、高运行可靠性方向快速迭代，传统集中式散热系统能耗高、维护难度大、适配性差等弊端日益凸显，分布式模块化散热方案逐步成为行业主流。PCB无铁心轴向磁通电机凭借高效节能、低噪运行、轻量化易安装、全生命周期免维护等优势，成为散热风机、风墙模组、循环冷却泵的核心驱动部件。

海外Infinitum、依必安派特等头部企业已实现该类电机规模化商用；国内盘毂动力等企业率先完成国产化技术攻坚，其自研PCB350型专用电机额定功率0.35 kW，额定转速7000 rpm，整机重量仅0.5 kg，轻量化与能效优势远超传统散热电机，国产化替代进程持续提速。针对数据中心高负载、不间断运行的严苛工况，百能云板定制化推出6层埋铜块PCB、阶梯槽特种PCB两类方案，强化绕组局部散热能力与载流上限，保障散热驱动系统7×24h长效稳定运行。

（二）人形机器人关节驱动

人形机器人柔性关节对驱动电机提出了轻量化、低转动惯量、高转矩密度、零齿槽转矩、低成本可量产的严苛要求。

PCB无铁心轴向磁通电机天然适配该类需求：无齿槽转矩特性可保障关节运动柔顺无抖动，扁平化轻量化结构能够降低关节冗余惯量、提升动态响应速度，标准化PCB量产工艺有效解决高端关节电机成本高昂、批次一致性差的行业痛点，是下一代人形机器人关节驱动的核心技术方向。在微型狭小关节场景中，百能云板DPC、TFC系列陶瓷基板产品，兼具超高导热系数与高精度线路蚀刻能力，可在极小安装空间内完成绕组散热与电路互联，为精密关节电机赋能。

结语

纵观行业发展脉络，轴向磁通永磁电机正朝着高效化、超薄紧凑化、控制高精度化、运行高可靠化、量产低成本化五大方向持续迭代。依托PCB精密蚀刻工艺、Halbach磁路优化技术、多元化绕组拓扑创新，PCB无铁心轴向磁通电机彻底打破传统电机的结构桎梏与性能天花板。在产业化进程中，以百能云板为代表的特种PCB智造企业，承担着绕组载体迭代升级的核心职责，通过高多层精密板、大功率厚铜板、陶瓷基板等多元化产品，为电机研发企业提供从电磁设计适配到规模化量产的一站式解决方案。未来，随着稀土永磁材料、新型绝缘基材、智能优化算法的协同突破，PCB无铁心轴向磁通电机将在人形机器人、高端工业控制、新能源散热、精密智能装备等领域快速普及，成为驱动电机产业高质量升级的核心增长点。