eVTOL总体设计关键技术

eVTOL总体设计关键技术、电子/电气系统重要性及技术发展趋势分析详解

行业概述

（一）eVTOL行业发展现状

广东海鸥飞行汽车、峰飞航空、时的科技、零重力飞机、沃兰特、御风未来、沃极步耀、亿维特等也均进入“亿元俱乐部”。

（二）电子/电气系统在eVTOL中的重要性

eVTOL的核心子系统主要包括机体、综合航电系统、飞控系统、能源系统、动力系统以及电气系统六大类。根据Lilium的数据，其eVTOL成本中，推进系统占比约40%，结构和内饰占比约25%，航电和飞控占比约20%，能源系统占比约10%，装配件占比约5%。

电气系统在eVTOL中的作用主要体现在以下几个方面：

1.为电机提供动力：电机作为eVTOL的动力心脏，其性能直接决定了eVTOL在起降、悬停、巡航等过程中表现的优劣。在eVTOL技术的发展过程中，电机驱动器在遭遇外部扰动后速度急剧跌落的问题成为亟待解决的技术难题。在实际应用中，eVTOL面对城市高楼穿梭中的强风、极端雨雪天气、飞鸟撞击等外部干扰时，基于现有技术方案的电机驱动会产生速度的瞬时跌落，这将导致eVTOL运行不稳、空中打转等问题，甚至会有倾覆等严重安全事故的风险。

2.保障电子元件的正常运行：作为电能驱动的飞行器，eVTOL的电子元件占据整个飞行器总重量的27%-68%。每个电子元件尽可能小型化和轻量化才能够提供更大的空间和动力。同时，eVTOL的起飞和降落次数较为频繁，这就要求eVTOL内部连接系统必须可靠耐用，能承受频繁起飞降落带来的振动和冲击。此外，产品迭代升级速度快，需求不断变化，eVTOL研发阶段需充分考虑可扩展性。

3.影响eVTOL的安全性和可靠性：eVTOL电气连接面临诸多挑战，安全是最重要的因素。设计组件网络需要考虑eVTOL的形状、尺寸、重量和功率要求。从充电开始，热管理就很重要，因为想快速充电就意味着更多的热量。如果电池变热，它们的安全性就会受到影响。电气火灾与化石燃料火灾有很大不同，燃烧得很快，也很难熄灭。此外，配电系统需要考虑不同的电力系统的隔离、电缆的标识和保护、轻量化等问题。TE在许多不同的市场运营，可以利用这种多样化的经验来制造更好的eVTOL系统。

4.优化eVTOL的巡航性能：考虑电系统热限制对倾转翼eVTOL巡航性能的影响，可以帮助减少事故的发生，还可以降低运营商的运营成本。通过建立倾转翼eVTOL巡航仿真模型，以飞机巡航速度作为控制变量，以巡航时间和电能消耗作为目标函数，结合实际飞行条件设定不同权重，基于改进粒子群算法进行优化求解，可以得出性能参数并对比分析，对减少飞机巡航时间和降低电能消耗均有良好的优化效果。

Donut Lab的甜甜圈电机（donut motor）可以直接放入轮胎中，现已扩展为电机系列。

845hp 轮毂电机 

Semi-truck 轮毂电机

Titanium Zero 

Quark DM 1.2电机（代号1.2指电机重量仅为1.2kg）

3D 打印钛合金车架

整车还配备了优质零配件，包括碳纤维轮组、碳纤维前叉和钛合金座杆

转子结构优化设计：松正优化结构设计，取消轴承止推端部件，集成在电机轴上。简化轴承结构，使得轴向尺寸更短，电机轴稳定性更高，同时降低了安装难度，提高了生产效率。

扭矩传感器集成技术：传统工艺结构下的扭矩光电传感器，无法承受转子超高转速下的巨大离心力，松正大胆创新，将扭矩传感器集成到电机轴内，大幅降低离心力的破坏，并通过配套电路获取准确的扭矩数值，同时支持多量程输出，以达到不同的精度要求。

转子动平衡验证技术：转子铁芯由多个铁芯叠加组成，单个铁芯做独立静平衡，合装后的整体转子再做动平衡，从而极大的提高转子在超高速运转下的稳定性。

次序如下：电机轴独立做去重动平衡、转子单片独立做增重静平衡、转子总成再做去重动平衡。

热塑PEEK碳纤激光超高预紧力缠绕技术：转子表面进行热塑激光超高预紧力碳纤维缠绕，实际测量成型后的预紧力保持在不低于800Mpa水平，电机转子的强度和高速运行中的稳定性得以有效保证，从而也极大提高了转子上限转速。

松正自研热塑碳纤激光超高预紧力缠绕技术，通过匀化光斑激光系统加热、热塑性纤维复合带超高预紧力调控、水冷缠绕压辊压紧、卷绕以及往复伺服电机PLC闭环控制，实现电机转子纤维复合带超高预紧力自动卷绕及激光原位固化，该项技术凭借其卓越的技术性能在业界领先。热塑碳纤激光超高预紧力缠绕技术与传统碳纤维缠绕技术相比，在纤维利用率、预紧力保证、缠绕层耐温性、缠绕层精控、生产效率上，都有着显著的进步。

碳纤维缠绕预紧力测试技术：松正自研碳纤维缠绕预紧力测试设备，精确测量1200MPa超高预紧力缠绕后的剩余预紧力不低于800Mpa。该项技术可以有效指导碳纤维缠绕过程中的各项工艺数值设定，确保缠绕效果。

高速电机转子圆周跳动验证技术：利用专用设备检测电机转子的圆周跳动并记录，高速运行一段时间后，再次测试高速电机转子的圆周跳动，比对运行前后的差异数值，并据此优化设计增强转子稳定性，使得运行前后圆周跳动相同。

高速电机轴承方案选择多样化：松正根据不同需求可匹配相对应的轴承方案。磁浮轴承完全将转子和定子分隔开，其间没有直接接触，直接避免了磨损，理论寿命接近无限，在载荷波动情况较小和较轻负载的工况下使用效果非常好；油浮轴承可以承受更多的载荷波动和重型负载，使用效果稳定可靠。

关键技术分析

（一）总体设计能力

现代飞行器的总体设计是eVTOL主机厂核心竞争力的重要来源。在eVTOL方兴未艾的当下，其总体设计需要更深入地耦合气动、控制、结构、动力、操稳等专业，尤其是对于倾转翼、倾转旋翼等飞行器气动布局和推进系统的综合优化。在模态转换过程中，eVTOL的重心、气动力/力矩、机身结构载荷、控制策略、功率需求均有显著变化，需配合准确全面的数学模型和实体样机完成设计迭代。

总体设计能力不仅影响样机到产品的性能，还会影响研制成本和生命周期成本。在保证足够安全性的前提下，降低购买、耗电、维修、保险、机库等成本的能力，是eVTOL主机厂竞争力的重要来源。例如，维护成本方面，减少频繁检查、更换的部件，可降低维护占用的时间、人力和航材成本。最理想的情况是绝大多数部件在较长的运行周期内免维护，且关键故障能够自诊断、隔离甚至恢复。

除了传统的人工迭代设计-仿真验证，多学科优化设计工具也在不断发展，基于给定的代理模型、设计约束和优化目标，可以快速得出优化的设计参数集。在UAM市场远未成熟，eVTOL构型尚无公认最优化方案的今天，随着市场逐步成熟、应用场景逐渐清晰以及各项技术的发展，整机构型探索和优化仍是总体设计的重点工作。

（二）高敏度的态势感知与空中避障技术

eVTOL需要具备高敏度的态势感知与空中避障技术，以确保飞行安全。该技术具有实时机动避障决策功能，主要包括空间复杂环境下的多障碍物探测和分类、障碍物定位及路径预测与碰撞风险分析、避障策略选择和航线重新规划等技术，涉及感知传感器构型设计、多源信息融合、智能目标识别、障碍物危险评估与避障决策等诸多领域。

现有eVTOL制造商一般通过加装ADS-B、TCAS等空中防撞设备来解决自动安全间隔保持能力、规避周围危险能力。但针对城市地形地貌复杂、建筑物及附属设施众多、局部气象条件多变、电磁环境恶劣、鸟群飞行等情况，根据几何空间相对运动矢量进行避障决策、利用无碰撞路径规划代替避障决策、人工智能算法进行避障决策、建立城市低空环境仿真模型等技术路线还需攻克，通过快速监控检测潜在障碍物、及时提前改变航向避开障碍物等eVTOL避障技术还不成熟。

（三）高精度的低空智能驾驶技术

eVTOL智能驾驶技术应具备无人驾驶的自主飞行能力，是一个从辅助驾驶、半自动飞行再到全自主飞行的递进过程。该技术应能借助视觉、红外、激光雷达和毫米波雷达等新型传感器，采取极简操控方式（SVO），通过融合多种传感器增强飞机的环境感知能力，综合运用AI、大数据等新兴技术对已感知的环境进行智能决策分析，并利用电传操纵系统建立的良好控制基础。

eVTOL自动飞行性能，可在空中不确定的复杂气象环境条件下实现自动驾驶、安全操作的智能驾驶技术还需逐渐演变进阶。

（四）高韧性的低空航路规划设计

eVTOL要安全运行必须解决低空航路规划与设计问题，创建灵活机动、富有韧性的低空航线网络系统。国内外相关机构或专家基于风险规避、四维航迹、城区风险地图、融合人员密度因素等角度对无人机路径规划方面开展了探索，为拓展城际摆渡、低空旅游、空中快递、应急救援等民用场景，精确规划建设低空导航点和导航路线提供了参考。

创造多层级叠加的空中高速公路，既考量安全裕度的城市环境模型，也要能在飞行中再依据风险环境的变化动态调整飞行路线，还要对低空航线及路径进行风险评估，并能够及时响应需求、数量、技术、商业模式和应用的变化，使获得适航认证的eVTOL与无人机、民用客机在同一空域融合运行，eVTOL低空航路规划设计仍在技术开发完善阶段。

（五）高能量密度的新能源电池技术

电池性能是制约eVTOL发展的关键因素。现有的电池技术仍有欠缺，其密度与安全性都需要进一步突破。当前电池技术还不能完全达到满足eVTOL对运行场景的航程、生命周期、快充技术和能量密度等技术要素，电池供应商追求高能量密度、高功率密度、快速充电、长循环寿命和高安全性等多方面平衡，eVTOL主机厂商开发人员研发时需权衡各种指标。

目前，锂电池技术相对氢燃料电池技术更成熟稳定，能量密度比最高，绝大多数制造商采用锂电池，但锂电池能量密度的提升需要持续技术攻关。氢燃料电池能量密度要高于锂电池，但其功率密度较低，瞬间放电能力较差，还需要继续发展。另外，由于太阳能辐射限制较多，实用性不高。

众所周知，新能源汽车驱动系统的核心是——驱动电机。为了在有限的体积内，提升车辆的动力性、经济性，驱动电机不断地朝着高功率密度、高电机效率方向发展。

用工程师的语言来说，就是——传统的圆形漆包线绕组，往往存在有效铜面积低，绕组铜耗较大等问题。为提高有效铜面积，需要槽内铜线排列更为规整，提高槽满率。因此，Hair-pin发卡绕组方式得以应用。

或者用更直白的话来说——通过改进绕组形状和编排方式，相比原本略显凌乱的漆包线绕组，Hair-pin发卡绕组能在同样的体积里塞进更多的导线。这样，电机的效率和功率密度就上升了。

雪佛兰Volt与丰田第四代Pruis已经开始应用Hair-pin电机，国内这方面的研究虽起步较晚，但发展迅速。

MG EZS 搭载高功率电机：

·扭矩密度比同类竞品高约10%-15%；

·电机效率比同类竞品高约0.5%-1%；

·最大扭矩350N·m；最大电机功率110kW；

·0-50km加速仅需3.1s。

领先动力的秘诀，也要归功于Hair-pin定子绕组设计。

·什么是Hair-pin绕组？

·和传统绕组相比，结构上有何不同？

·Hair-pin绕组“强”在哪里？为什么如此“高能”？

为使大家便于理解，我们先带大家了解电机结构和工作原理。

1.电机结构：

以绝大部分新能源汽车采用的永磁同步电机为例，下图为结构图：

（典型永磁同步电机电机总成内部结构展示）

永磁同步电机的结构包括定子组件、转子组件以及端盖、机座和其他辅助结构件。

定子组件，就是固定不动的部分。包括了定子铁芯、铜线绕组、引出线和绝缘材料，一般与电机壳体固定。

转子组件，就是电机中旋转的部件。包含转子铁芯、永磁体、转轴轴承等部件。和输出转轴相连，带动齿轮驱动车辆行驶。

2.电机为什么会“转”？

电机的作用是将电能转变为机械能，基本原理是利用磁场间的相互作用。

定子组件的功能——由电生磁。

高中物理老师或许给你讲过，麦克斯韦大神，和他留下的精美绝伦的方程组。看到这路径积分符号就一脸懵逼？没关系，我们只要知道，这个方程式的第四条的第一部分告诉我们，导线通过电流，就会产生相对应的磁场。

那么给定子绕组中通入电流时，定子周围就会产生磁场。而且，磁场方向与电流方向相关，可以根据“安培定则”，也就是右手螺旋定则判定。

给定子绕组通入交流电时， 绕组周围将会因电流方向变化，而产生变化的磁场。

（定子磁场随电流变化图）

转子组件的功能——跟随定子磁场而旋转。

转子中包含永磁体，其自身带有稳定的磁场。磁场间的相互作用：“同性相斥、异性相吸”

对于永磁同步电机而言，当定子磁场与转子磁场磁性相反时，两者之间相互吸引力会推动转子旋转。而且，如果定子磁场方向不断改变，就可以控制转子不断受到磁场力的作用发生运动。

最终转子磁场与定子磁场以相同的转速与稳定的夹角（相位差）进行旋转。推动转子组件和电机输出轴产生持续的旋转，完成机械能与电能之间的转换。电机就转起来了。

3.什么是Hair-pin绕组

Hair-pin绕组设计电机，是指在驱动电机定子绕组采用扁铜发卡线代替传统的细圆线的一种技术。Hair-pin因为定子绕组的线圈形状像发卡，又俗称发卡电机，或者扁线电机。

是不是长得比较像？

定子组件制造时，首先把绕组做成像发卡一样的形状，穿进预制的定子槽；然后，在另一端将绕组扭曲，焊接在一起，形成完整绕组。

4.结构上有何不同？为何如此“高能”？ 

Hair-pin绕组与传统圆导线绕组结构如图所示：

Hair-pin绕组方式带来的优势，是显而易见的：

槽满率更高：从圆线变为扁线，可以在相同的空间填充更多的铜材，槽满率可以提升20%以上。从而提升电机的功率密度，提高性能。

热性能更好：扁导线与铁芯以及导线之间的接触面积更大，散热性能更好；导线电阻与导线横截面积反比，相同的空间下扁导线的面积更大，所以电机运行时导线上的直流铜耗更小。电机温升可以降低，效率得到提升。 

运行噪音更低：Hair-pin绕组采用的扁导线较圆导线绕组刚度更高，可以有效降低电机运行时的电磁噪声与机械噪声。

电子/电气系统开发案例

（一）英搏尔与亿航智能合作

2024年11月11日，英搏尔与亿航智能在广州举行战略合作签约仪式。双方达成长期战略合作及技术开发合作，将共同开发适用于亿航智能电动垂直起降航空器系列产品的高性能电机和电机控制器产品。英搏尔创新的“集成芯”技术将有助于进一步优化亿航智能eVTOL的电机解决方案，从而实现轻量化、高功率以及更好的散热性能，且适用于亿航智能的多种eVTOL产品。

此外，英搏尔拟1260万美元参与亿航智能定向增发。本次认购是在保证日常经营资金使用需求和现金管理资金安全的前提下实施的，不会影响公司主营业务发展。公司通过参与亿航智能定增，双方将进一步建立全面、深入的战略合作伙伴关系。

（二）赛峰集团和Pyroalliance公司合作

赛峰集团与电气设备供应商Pyroalliance公司合作，为包括电动垂直起降（eVTOL）飞机在内的未来电动飞机上的大功率电网开发紧急电气停机解决方案。高压断路器解决方案适用于带有电动推进系统的飞机，其电网的电压范围为800-1200伏。这些解决方案具备“毫秒级”超快速使用特性，可在发生电力故障的情况下为机载电网提供瞬时保护。

TEConnectivity推出高功率高电压平的电气互连解决方案，应对eVTOL飞行器在电气连接方面的挑战，包括为飞机减重、选择高性能连接器件等。

TE面向eVTOL的产品范围涵盖高性能的电源分配方案、航电飞控系统、以及轻型且高效的电线电缆和连接器。这些解决方案不仅强调减轻重量、节省空间，还在提升安全性方面起到关键作用，能有效保障eVTOL的连续运行和乘客的安全。

TE的继电器和接触器产品展现出重量轻、体积小、效率高等优势，能有效管理电气负载，减少飞行器负担。

发展趋势与展望

（一）技术发展趋势

eVTOL行业电子/电气系统开发将朝着更高性能、更安全、更智能的方向发展，具体表现如下：

1.提高电池能量密度：当前电池技术仍有欠缺，其密度与安全性都需要进一步突破。现有的锂电池技术相对氢燃料电池技术更成熟稳定，能量密度比最高，绝大多数制造商采用锂电池，但锂电池能量密度的提升需要持续技术攻关。氢燃料电池能量密度要高于锂电池，但其功率密度较低，瞬间放电能力较差，还需要继续发展。

此外，固态电池在安全和能量密度方面具备显著优势，其使用固态电解质替代了液态锂电池中的电解液和隔膜，具备不可燃、无腐蚀、无挥发、无漏液、可抑制锂枝晶形成等特点，安全性较高。

同时，固态电池可使用锂金属作为负极以提高电池的能量密度，目前液态锂电池能量密度的天花板是300Wh/kg，而固态锂电池的理论能量密度是700Wh/kg，是液态锂电池的2倍以上，更适用于eVTOL。例如，宁德时代发布凝聚态电池，单体能量密度最高500Wh/kg，公司表示正在进行民用电动载人飞机项目合作开发；亿航智能宣布完成对锂金属固态电池公司欣视界的战略投资，二者将合作开展适用于亿航智能自动驾驶飞行器产品的固态锂电池研发与生产；国轩高科也已表明与亿航智能签订战略合作协议，致力于共同开发eVTOL的动力电芯、电池包、储能系统和充电基础设施。

2.优化航电及飞控系统：飞控系统承担航迹控制、姿态控制和飞行增稳等核心功能，是eVTOL中最为关键的系统之一。飞控系统包括传感器，飞控计算机、作动器和控制显示四大子系统，其中计算机子系统是飞控系统的控制计算核心。

载人eVTOL飞控系统多要求采用多余度技术提高可靠性和安全性，也对载人飞控行业构成了极高的技术壁垒。简化飞行操纵（SVO）是有人驾驶eVTOL的重要发展方向，在SVO趋势下飞控价值量有望提升；同时，随着汽车业巨头入局eVTOL，智能座舱、自动驾驶等先进汽车电子技术也有望推动航空电子（包括飞控）行业发展。

（二）市场前景展望

随着技术的不断进步和市场需求的增长，eVTOL有望在未来交通中发挥重要作用，电子/电气系统开发企业将迎来广阔的市场前景。

1.技术进步推动市场发展：eVTOL技术的不断进步，如分布式推进系统、高能效的电动推进系统、创新的气动构型设计等，为其在未来交通中的应用提供了可能。

同时，电子/电气系统的不断优化，如提高电池能量密度、优化航电及飞控系统等，也将进一步提升eVTOL的性能和安全性，满足市场需求。例如，英搏尔与亿航智能合作，共同致力于发展在城市空中交通的低空经济领域中eVTOL产品动力系统的研发及产业化；赛峰集团与Pyroalliance公司合作，为包括电动垂直起降（eVTOL）飞机在内的未来电动飞机上的大功率电网开发紧急电气停机解决方案。

2.市场需求增长带来机遇：随着城市交通拥堵问题的日益严重，人们对高效、便捷的交通方式的需求不断增长。eVTOL作为一种新型的交通方式，具有垂直起降、快捷机动、低噪音、零排放等优点，有望在未来交通中发挥重要作用。

eVTOL的应用场景也在不断拓展，除了城市空中交通、短途旅行等领域，还可以应用于应急救援、物流运输、观光旅游等领域，市场需求增长带来了广阔的机遇。

eVTOL与分布式推进系统概述

（一）eVTOL简介

电动垂直起降（eVTOL）飞行器，是一种以电力作为飞行动力来源，具备垂直起飞和降落能力的新型飞行器。这种飞行器融合了直升机垂直起降的灵活性与固定翼飞机的高效巡航能力，同时借助电力驱动，实现了低噪音、零排放的环保优势，为城市交通拥堵问题提供了创新性的解决方案。行器如V-22鱼鹰等相继出现，但这些飞行器多依赖燃油驱动，存在噪音大、排放多、维护成本高等问题。

（二）分布式推进系统介绍

1.工作原理：分布式推进系统的核心工作原理是在飞行器的不同部位，如机翼、机身、尾翼等，分散安装多个小型推进器。这些推进器协同工作，通过各自产生的推力，为飞行器提供所需的动力，实现垂直起降、悬停、巡航等飞行状态。

在垂直起降阶段，多个推进器同时产生向上的推力，合力克服飞行器的重力，使其能够垂直离开地面或降落到指定位置。通过精确控制各个推进器的推力大小和方向，可以实现飞行器的稳定悬停，保持在特定高度且位置不变。在巡航阶段，推进器的推力方向和大小进行调整，以提供水平方向的动力，推动飞行器向前飞行。部分推进器可能还会参与调整飞行器的姿态，确保飞行过程中的稳定性和操控性。

2.结构组成：分布式推进系统主要由电机、螺旋桨、能源管理系统、控制系统等部分组成。

电机是分布式推进系统的核心动力部件，负责将电能转化为机械能，为螺旋桨提供旋转动力。目前，eVTOL中常用的电机类型包括永磁同步电机和无刷直流电机。永磁同步电机具有较高的功率密度和效率，能够在较小的体积和重量下提供强大的动力输出，适用于对动力性能要求较高的eVTOL。无刷直流电机则具有结构简单、可靠性高、维护方便等优点，在一些对成本和可靠性较为敏感的应用场景中得到广泛应用。

螺旋桨是将电机的旋转机械能转化为推力的关键部件。其设计和性能对推进系统的效率和推力输出起着重要作用。螺旋桨的形状、尺寸、叶片数量和螺距等参数需要根据eVTOL的具体需求进行优化设计。

能源管理系统负责对飞行器的电能进行管理和分配。它连接着电池组与各个电机，确保电池能够稳定、高效地为电机提供电能。能源管理系统需要实时监测电池的电量、电压、电流等参数，根据飞行需求动态调整电能的输出，以实现能源的优化利用，延长飞行器的续航里程。

控制系统是分布式推进系统的“大脑”，负责协调各个推进器的工作，实现飞行器的精确控制。它通过传感器实时获取飞行器的姿态、速度、位置等信息，根据预设的飞行轨迹和控制算法，向各个电机发送指令，精确调整每个推进器的推力大小和方向。

分布式推进系统关键技术解析

（一）能源管理技术

1.电池技术要求：高能量密度是首要需求。能量密度直接关系到飞行器的续航能力，更高的能量密度意味着在相同的电池重量或体积下，eVTOL能够存储更多的能量，从而实现更远的航程。

安全性也是至关重要的指标。由于eVTOL在飞行过程中，电池处于高负荷工作状态，一旦发生安全事故，后果将不堪设想。因此，在电池设计和制造过程中，需要采用先进的电池管理系统（BMS）和安全防护技术，确保电池在安全的工作范围内运行。

快速充电能力对于eVTOL的商业化运营至关重要。如果充电时间过长，将严重影响eVTOL的运营效率和经济效益。

2.能源分配与优化策略：能源分配系统负责将电池存储的电能合理地分配到各个推进器的电机中，以满足不同飞行阶段的动力需求。

在垂直起降阶段，飞行器需要克服重力实现垂直上升和稳定悬停，此时各推进器需要较大的推力，能源分配系统会将较多的电能分配给这些推进器的电机，以确保足够的升力产生。在起飞瞬间，靠近机身重心位置的推进器电机可能会获得相对更多的电能，以保证飞行器在垂直方向上的稳定性，避免出现倾斜或翻滚等情况。

进入巡航阶段后，飞行器主要需要维持水平方向的动力，能源分配会相应调整。此时，位于机翼或机身两侧的推进器电机可能会得到更多电能，以提供向前的推力，而用于垂直稳定的部分推进器电机则会减少电能供应，以优化能源利用效率。

为实现能源的优化分配，通常采用先进的控制算法。这些算法会综合考虑飞行器的飞行状态、各推进器的工作效率、电池电量等多种因素。基于模型预测控制（MPC）的算法，该算法会根据飞行器的动力学模型和当前状态，预测未来一段时间内的飞行需求，并提前调整能源分配策略，以实现最佳的能源利用效果。

（二）电机性能指标与要求

电机作为分布式推进系统中的核心动力转换部件，其性能指标直接关系到eVTOL的飞行性能和安全性。

转矩密度是衡量电机性能的重要指标之一。高转矩密度意味着电机在较小的体积和重量下，能够产生较大的转矩，为推进器提供强大的旋转动力。对于eVTOL而言，高转矩密度的电机能够使飞行器在垂直起降阶段迅速产生足够的升力，并且在飞行过程中能够快速响应各种飞行姿态调整的需求，确保飞行器的机动性和稳定性。

安全性也是电机性能的关键要求。由于eVTOL在飞行过程中，电机一旦出现故障，可能会导致严重的安全事故。

环境适应性也是电机需要考虑的重要因素。eVTOL的飞行环境复杂多变，电机需要能够在不同的温度、湿度、气压等环境条件下正常工作。

电机的效率对eVTOL的续航能力有着重要影响。高效率的电机能够将更多的电能转化为机械能，减少能量损耗，从而延长飞行器的续航里程。在设计电机时，需要优化电机的电磁结构、选用高性能的磁性材料等，以提高电机的效率。

（三）空气动力学设计

1.分布式推进对气动特性的影响：分布式推进系统的应用给eVTOL的空气动力学特性带来了多方面的显著影响。

在分布式推进系统中，多个推进器分散布置在飞行器的不同部位，这种布局方式改变了飞行器周围的空气流场。

分布式推进系统对飞行器的阻力和升力特性也产生了重要影响。多个推进器的存在增加了飞行器的迎风面积，理论上会导致阻力增大。但通过合理的设计，如优化推进器的外形和布局，可以利用推进器产生的气流对机翼边界层进行控制，减少机翼表面的气流分离，从而降低阻力。

2.优化气动性能的设计方法：采用特殊的机翼设计是提升气动性能的重要手段。在一些eVTOL设计中，采用了可变后掠翼技术，在垂直起降阶段，机翼后掠角较小，以增加升力；在巡航阶段，机翼后掠角增大，以降低阻力，提高飞行速度。

优化推进器的布局也是关键。合理选择推进器在飞行器上的安装位置和角度，可以减少各推进器之间的气流干扰，提高推进效率。将推进器布置在机翼的前缘或后缘，可以利用机翼的气流来增强推进器的工作效率。

采用一体化设计理念，将推进器与飞行器的机体结构进行有机融合，也能有效提升气动性能。这种设计可以减少飞行器表面的突出物和缝隙，降低空气阻力。在一些eVTOL设计中，将推进器集成到机翼内部，使机翼表面更加光滑，减少了气流的扰动。通过一体化设计，可以优化飞行器的整体空气动力学外形，提高飞行器的升阻比，降低能耗，延长续航里程。

（四）飞行控制算法

飞行控制算法是eVTOL控制系统技术的核心，其主要目标是实现飞行器的稳定飞行和精确的姿态控制。在eVTOL的飞行过程中，面临着复杂多变的飞行环境和各种飞行状态的转换，如垂直起降、悬停、巡航、转向等，这就要求飞行控制算法具备高度的智能性和适应性。

一种常用的飞行控制算法是基于模型预测控制（MPC）的方法。该算法通过建立飞行器的动力学模型，实时预测飞行器在未来一段时间内的状态变化，并根据预设的飞行目标和约束条件，优化计算出最佳的控制输入，如各推进器的推力大小和方向。

自适应控制算法在eVTOL的飞行控制中也具有重要应用。由于eVTOL在飞行过程中，其自身的动力学特性可能会随着飞行状态、载重、电池电量等因素的变化而发生改变，自适应控制算法能够实时监测这些变化，并自动调整控制参数，以适应不同的飞行条件。

模糊控制算法也是一种有效的飞行控制手段。它通过将人类的控制经验和知识转化为模糊规则，利用模糊逻辑进行推理和决策。

在实际应用中，往往会将多种控制算法相结合，形成复合控制策略。将MPC算法与自适应控制算法相结合，利用MPC算法的预测和优化能力，以及自适应控制算法的自适应性，实现对eVTOL的更加精确和稳定的控制。这种复合控制策略能够充分发挥各种算法的优势，提高飞行器的飞行性能和安全性。

分应用案例分析

（一）案例一:JobyS4

JobyS4采用了分布式推进系统，在飞行器的机翼两端和尾部共布置了六个电动推进器。这种分布式推进系统的应用为飞行器带来了多方面的显著效果。

在飞行性能方面，分布式推进系统极大地提升了JobyS4的机动性和灵活性。多个推进器协同工作，能够精确控制飞行器的姿态和飞行方向。在垂直起降阶段，六个推进器同时提供强大的升力，使飞行器能够快速、平稳地离开地面或降落到指定位置。在飞行过程中，通过调整不同推进器的推力大小和方向，可以实现飞行器的快速转弯、加速和减速等操作，满足各种复杂飞行任务的需求。

（二）案例二:亿航EH216-S

亿航EH216-S采用了分布式推进系统，在飞行器的顶部均匀分布着16个独立的电动推进器。这种分布式推进系统的应用为飞行器带来了诸多显著效果。

在飞行稳定性方面，16个推进器的协同工作为亿航EH216-S提供了强大的稳定性支持。每个推进器都能够精确控制推力大小和方向，通过智能控制系统的协调，能够在各种复杂的飞行条件下保持飞行器的稳定姿态。在强风天气下，推进器能够自动调整推力，抵消风力的影响，确保飞行器平稳飞行。在垂直起降和悬停过程中，分布式推进系统能够实现高精度的姿态控制，使飞行器保持在指定位置，误差极小。

挑战与市场前景

（一）面临的技术难题

电池技术方面，当前电池的能量密度仍难以满足eVTOL长航程、高载重的需求。以目前主流的锂离子电池为例，其能量密度上限在250-300Wh/kg左右，这限制了eVTOL的飞行范围和有效载荷。

电机技术上，针对eVTOL的专用电机尚未实现大规模量产，这使得电机成本居高不下，增加了eVTOL的整体制造成本。现有电机的效率和功率密度有待进一步提高，以满足eVTOL对高性能动力的需求。

能源管理系统需要进一步优化，以实现更高效的能源分配和利用。在不同飞行状态下，如何精确地为各个推进器分配电能，确保能源的合理使用，仍是一个挑战。在复杂的飞行环境中，能源管理系统还需要具备更强的适应性和可靠性，以应对各种突发情况。

空气动力学设计也面临挑战，分布式推进系统改变了飞行器周围的空气流场，增加了空气动力学分析和设计的复杂性。如何优化推进器的布局和飞行器的外形，以减少空气阻力，提高飞行效率，是需要解决的关键问题。

（二）市场应用前景

eVTOL在多个领域展现出广阔的市场应用前景。

在城市交通领域，eVTOL有望成为缓解城市交通拥堵的重要手段。随着城市化进程的加速，城市人口不断增加，交通拥堵问题日益严重。eVTOL能够在城市中垂直起降，无需依赖传统的跑道，可灵活穿梭于高楼大厦之间，实现快速的点对点运输。

物流配送领域，eVTOL可实现货物的快速、高效运输。对于一些紧急物资和高价值货物的配送，eVTOL能够凭借其快速响应和灵活运输的特点，在短时间内将货物送达目的地。

旅游观光方面，eVTOL为游客提供了全新的旅游体验。乘客可以乘坐eVTOL从空中俯瞰美丽的自然风光和城市景观，欣赏到传统旅游方式无法看到的美景。

随着技术的不断进步和成本的逐渐降低，eVTOL的市场应用范围将不断扩大。预计未来eVTOL将在更多领域得到应用，如紧急救援、农业植保、电力巡检等，为社会经济的发展和人们的生活带来更多便利和价值。

eVTOL技术发展路径分析

（一）构型演变

eVTOL的商业化将经历三个阶段，其中倾转翼设计将成为主导。

（二）动力发展

动力源将从液态电池逐步过渡到半固态和全固态电池，预计到2030年固态电池将成为eVTOL的主要动力来源。

（三）应用拓展

eVTOL的应用将从货物运输和人员运输开始，逐步发展到私人飞行器，最终目标是私人消费市场。

 eVTOL市场发展预测

或将依次经历导入→爆发→普及三大阶段：

根据《客运eVTOL应用与市场》，eVTOL发展预计可分为三个阶段：

（一）导入期（2025-2030）

特殊场景如空中游览和医疗救援将率先应用。

（二）爆发期（2030-2035）

城市空中交通（UAM）快速发展，空中出租车和小巴服务将普及。

（三）普及期（2035-）

eVTOL将进入个人和家庭消费市场。

eVTOL与新能源汽车发展比较：当前或处于新能源车2010-2012年

发展阶段:当前eVTOL的发展阶段类似于2010-2012年的新能源汽车，此时新能源汽车处第一轮推广应用实施。该阶段国家战略层面提出汽车业电动化技术转型战略，明确新能源汽车为战略新兴产业。

对于eVTOL，后续有望复制新能源汽车发展路径：

（一）政策支持

政府可能会出台政策支持eVTOL的研发和应用。

（二）示范项目

可能会出现示范项目和试点运行，展示eVTOL的可行性。

（三）或建立相应的基础设施

如垂直起降场、充电站和维护设施。

eVTOL电机和新能源汽车电机对比

驱动电机技术要求:

（一）安全性

需具备紧急情况下50%额外功率输出的安全性设计，作为关键指标。

（二）环境适应性

需适应极端海拔和极端温度（-90°C至70°C）。

（三）功率密度

高功率密度是设计中的重要因素，特别是电机重量。

（四）螺旋桨驱动要求

必须承受来自不同方向的突发载荷。

无人机普遍使用无刷直流电机， 而永磁同步电机因其高效率和功率密度成为eVTOL的首选。eVTOL电机特点：低速高扭矩，高转速控制带宽，发展目标是提升功率密度，同时满足低转速、大扭矩、高裕度、良好散热和高效率的需求。

电机材料：硅钢为目前主流，CoFe合金性能提升显著但价格较贵。

（一）硅钢

当前在中国，硅钢是电机制造的主流材料。对于新能源汽车的驱动电机，硅钢片的厚度一般介于0.25至0.30毫米之间。行业正朝着使用更薄的硅钢片发展，目的是减少涡流损耗。然而，这种做法在提升电机的功率密度方面存在一定的局限性。

（二）CoFe合金

这种合金在所有可选材料中展现出最高的磁通密度，鉴于电机定子与转子间的功率传递效率与磁通密度的平方成正比，采用CoFe合金替代传统电工钢能够显著提升电机的功率密度达20%至30%。在保持相同性能的情况下，电机的重量也能减少20%至30%。尽管如此，CoFe合金的成本相对较高，主要用于国外高端eVTOL主机厂的电机制造。

（三）非晶材料

与硅钢相比，非晶合金的电阻率高、磁导率高、矫顽力低，这些特性使得它在高速电机应用中能够显著降低铁损。尽管非晶材料在理论上适合高速电机环境，但鉴于eVTOL电机通常工作在较低转速，非晶材料的优势在这一领域并不明显。

竞争格局：电机第三方外采为主流，国内电机厂商缺少适航经验，卧龙电驱具先发优势

目前，大多数eVTOL企业倾向于从第三方采购电机，而非自行生产。

尽管国内电机制造商在新能源汽车电机技术上有所积累，但在适航认证方面经验不足。在eVTOL行业的初期，由于缺乏成熟的供应链，一些公司如Joby选择自主研发电机。随着eVTOL行业的发展，新成立的公司普遍选择与外部电机供应商合作。国内电机制造商正在逐步提高eVTOL电机的性能，但目前最大的挑战是缺乏适航认证经验。国内主要的eVTOL整机制造商目前依赖于进口电机和驱动系统，例如Safan Engine US和Magnix的产品，以确保研发和测试的顺利进行。

卧龙电驱在资金、技术和规模方面具有显著优势，与其他国内电机制造商相比，它拥有先发优势。该公司与商飞合作，建立了航空电动力系统创新中心，致力于开发广泛的电动航空动力系统，包括为4座和19座电动飞机提供动力系统，构建了“3+1”航空动力产品体系。

电推进系统操控和动力融合，适航工作量大且关键，牵引电机、电控等独立取证大势所趋

电推进系统的操控和动力融合在适航认证中构成了一项重要挑战，因为它们可能导致飞行控制和推力之间的耦合问题，这在eVTOL、eSTOL和eCTOL的适航过程中尤为关键。

为了降低整机制造商的适航成本和技术难度，电机和电控系统等关键部件的独立适航认证正逐渐成为一种行业趋势。通过为这些通用部件制定CTSO，可以减轻制造商的适航负担，从而促进航空产业的发展。

在国际上，美国联邦航空管理局（FAA）已于2024年3月20日就Safran Engine US的100电机适航认证标准征求公众意见，同时Safran也在进行欧洲航空安全局（EASA）的适航认证。2023年，Safran Electrical & Power已获得EASA的设计组织批准（DOA），并开始了适航认证测试。

在中国，eVTOL的电机制造商目前通常与整机一同进行适航认证。国内的电机和控制系统的CTSO草案已经完成，目前正在民航局进行审查，未来可能会根据情况推进后续的适航安排。