電機的核心由轉子和定子組成，轉子圍繞定子旋轉。傳統的定子是鐵制的，往往很重，約占傳統電機重量的2/3。為了減輕定子重量，有人提議改用印刷電路板（PCB）來制作定子。 從一開始，用重量輕、體積薄、易于制造、耐用的印刷電路板代替鐵質材料的想法就很有吸引力，但十多年來，它在草坪設備和風力渦輪機等產品中并沒有得到廣泛采用。不過，如今印刷電路板定子獲得新生。你可以期待印刷電路板電機為所有電力驅動產品減輕重量和能耗。

其起到的能源節約作用至關重要：軟件可能正在吞噬世界，但電力越來越成為推動世界運轉的動力。電動機消耗了全球總電力的一半多一點。據市場研究機構Imarc稱，目前全球每年售出約8億臺電動機，而且這一數字還在以每年10%的速度增長。電動機廣泛應用于汽車、火車、飛機、工業設備，以及暖通、通風、空調系統。交通、建筑和暖通空調的溫室氣體排放總量共占美國總排放量的60%左右；高效的電機有助于減少這些部門的排放。 盡管印刷電路板定子有很多優勢，但由于幾個誤解，人們未能很快地接受它。 首先，人們誤以為印刷電路板僅適用于精密應用。但在2011年，CORE Outdoor Power推出了吹葉機和除草機，二者均使用了印刷電路板定子，堅固耐用且沒有噪聲。 其次，有些人又覺得印刷電路板定子只能用于低功率機器。但在2012年，Boulder Wind Power將印刷電路板定子放入直徑為12米的直驅式發電機中，用于驅動輸出功率為3兆瓦、扭矩超過200萬牛頓米的風力渦輪機。它是有史以來運行最平穩的大功率發電機之一。

然而，兩家公司都沒能堅持下來。Boulder Wind Power耗盡了資金，未能獲得可靠的商業合同，而CORE Outdoor Power不得不在擁擠的市場中與更廉價的競品搏殺，最終敗下陣來。盡管如此，他們的開創性成果仍然展示了印刷電路板定子的可行性。 時至今日，我的公司Infinitum Electric（位于美國得克薩斯州奧斯汀）開發了一種具有多用途印刷電路板定子的電機。這款電機產生的動力可媲美傳統的交流感應電機，但重量和尺寸減少了一半，噪聲很小，而且碳排放至少可以減少25%。該電機現已廣泛應用于暖通空調、制造業、重工業以及電動汽車等。接下來說一說它的工作原理。

Infinitum Electric的電機是一種軸向磁通電機，其中定子的電磁接線與包含永磁體的盤形轉子平行。接通交流電流后，定子驅動轉子旋轉。電機是空心的，就是說沒有鐵質部件來調節磁通量，電機的磁性部件之間只有一層稀薄的空氣。所有這些零部件組合起來就是一個空心軸向磁通永磁電機。

在過去，要制造這種電機面臨著嚴重的實際困難。定子的制造過程很繁復，銅線繞組體積龐大，線圈的支撐結構復雜，氣隙非常寬，只有大型磁體才能產生足夠的磁通量。 Infinitum Electric放棄使用銅繞組，改用光刻技術來蝕刻薄銅片，銅片間有環氧樹脂玻璃層壓板相襯隔，實現線圈與相鄰線圈間絕緣。與同等的傳統鐵芯電機相比，棄用鐵芯并減少使用銅材可減輕電機50%~65%的重量并減少50%~67%的體積。此外，銅和層壓板可隨溫度升降同樣地膨脹和收縮，避免產生應力慢慢導致部件解體。 因為沒有定子鐵芯，我們可以在定子的兩側面對面放置兩個的相同轉子，每個轉子都帶有強大的永磁體。這可以產生恒定的磁通量。與其他軸向磁通電機一樣，磁通平行于旋轉軸，而非徑向軸。

因為磁性氣隙很窄，我們只需要一個小磁體，這就是我們可以在給定的質量和體積中獲得更多能量的原因。 更重要的是，印刷電路板是通過自動化工藝流程制造的，這意味著其比手動繞線機的一致性和可靠性更高。我們通過簡化它們的拓撲結構，使它們更加可靠。拓撲結構與電機的相位有關。 相電壓是指一路正弦波的交流電壓，可相對于另一相電壓在時間上發生相位偏移。多個相電壓的變化是同步的，因此電流之和始終為零。當一個多相電壓系統作用于應用電機時，每相電壓都對應單獨的繞組，多路電流在空間產生旋轉磁場。該旋轉磁場和轉子磁體產生的磁場相互作用，驅動轉子轉動。 以前的印刷電路板定子在同一層結構中混有不同相位電壓的銅線，這可能會產生短路。因此，我們選擇每一層結構只對應一相電壓，并且最大限度地減少層與層之間電連接的數量。這種布局提供了連續的電流路徑并降低了電氣故障的風險。

新布局的另一個優點是它讓設計人員可以自由選擇線圈串聯或并聯。串聯線圈適用于三相電工業應用和下一代電動汽車；并聯線圈更適合低壓應用，例如電動汽車的輔助電機等。

與其他永磁電機類似，我們的軸向磁通電機同樣需要變頻驅動裝置（VFD）來實現電機的平穩啟動并按要求加速。變頻驅動裝置還可根據應用需求來控制電機的速度和扭矩。 ? 但是，空心設計使電機的阻抗極低（通常僅為傳統鐵芯電機的5%~7%），因為空氣容納的磁能要比鐵少得多，因而只有很少的磁能可用于平滑變頻驅動裝置給電機帶來的電壓變化。

為了彌補這一缺陷，我們添加了另一個部件：集成變頻驅動裝置，精準操作低阻抗電機。我們的變頻驅動裝置使用高效碳化硅金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET），降低損耗并提高整體效率。 此外，變頻驅動裝置還可以監控電機的性能，如果客戶愿意，還可以通過云功能上報結果；也可以用這種方式更新電機的軟件。這種遠程監控提供了多種方法節約能源、管理性能并預測何時需要維護。 超薄印刷電路板能提供較高的表面積與體積比，可提高冷卻效率，我們能在銅用量一定的情況下，施加2～3倍的電流。可通過電機外部和電子元件之間的散熱片來實現空氣冷卻。

去除鐵芯可避免鐵的周期性磁化和退磁所導致的損耗，同時還避免了金屬中的渦流損耗。因此，我們的空心電機可以在額定功率的25%~100%范圍內高效運轉。去除鐵芯同時意味著在轉子轉動時，轉子上的磁鐵將面對恒定磁阻和恒定磁場。這種設計消除了磁體和轉子的渦流損耗，因此可以采用標準的非層壓復合低碳鋼板來制造轉子。

對于普通電動機而言，其定子和轉子均由鐵磁材料制成。一旦施加電流并形成旋轉磁場，這些磁場就會產生兩個作用力：一個是有用的扭力，使轉子旋轉；另一個是徑向力，將轉子拉向定子，使放置銅線圈的定子槽位產生跳動。其中的徑向力不僅沒有用，還會加劇噪聲和振動。

接下來說一說這是如何發生的。磁通量產生的作用力一開始都指向轉子運動的相同方向，然后隨著轉子旋轉，轉子磁極位置相對于定子槽位發生了變化，直到作用力轉向相反的方向。這種交變力會產生扭矩波動，導致電機及其驅動的機械發生金屬疲勞。 而Infinitum Electric的電機則不會產生這種交變磁力。這一優勢和其他效能特征是Infinitum電機的噪聲平均比傳統電機低約5分貝的原因。看起來這可能并沒有減少很多，但這部分噪聲往往特別刺耳，特別煩人。

Infinitum Electric的電機結合了空心電機的輕便性和軸向磁通電機的高轉矩密度的優點，非常適用于建筑的通風和暖通空調系統。現在新冠疫情使室內空氣凈化成為當務之急，電機也變得特別有用。用于供熱供冷的熱泵是電機的另一項應用，電機不僅可以節省能源、簡化安裝，還能夠降低噪聲。據美國總務管理局（GSA）與美國能源部的最新試驗，如果美國總務管理局的暖通空調工廠配備Infinitum Electric的電機，每年可節省高達800萬美元。 電動汽車是這種新型電機的另一個大市場。美國能源信息署預計，到2050年，電動汽車將占全球汽車總量的31%。 我們公司正在與一家領先的汽車供應商合作，共同開發一種遠程油電混合動力汽車的油冷電機。

與傳統電機相比，我們的電機設計可以提高油冷工作效率，因為冷卻劑可以很容易地施加在電路印刷版的整個表面。利用油冷技術，我們風冷電機的功率密度提高了3倍，達到8~12千瓦/千克。這使油冷電機可適用于另一個有前途的市場——電動航空領域。 此外，我們還與專門從事物料裝卸的公司合作，例如叉車、傳送帶系統以及用于食品飲料制造的混合設備等。卡特彼勒風險投資已投資Infinitum Electric，開發新型系列的交流發電機，其尺寸和重量僅為現有產品的1/3，而且更安靜、更高效。據估計，交流發電機市場的年成交額高達170億美元，并且還在不斷增長。 據我們估計，如果全世界的每臺電機都換成Infinitum Electric電機，每年將減少8.6億噸的碳排放，相當于2億輛汽車一年的排放量。電機在生活中隨處可見，即使是微小的效能改進，也有能力為今天和下個世紀的地球帶來巨大的改變。

編輯：黃飛