当前，电动化浪潮已从汽车领域延伸至低空飞行、机器人、电动船舶等海陆空多个场景，电机作为电力传动系统的核心，其设计目标正从“单一高效率”向“高效率+高功率/扭矩密度”转变。即，既要在更小体积、更轻质量下输出更高动力，又需解决材料极限与散热难题。这一背景下，定子与绕组技术成为突破关键，其核心技术特征可概括为四点：
一是：定子铁心材料多样化，涵盖硅钢片、镍铁合金、钴铁合金、非晶合金及软磁复合材料（SMC），适配不同性能需求
二是：定子结构创新，分段式设计突破传统整体式铁心局限，实现材料优化与槽满率提升
三是：工艺融合，软磁复合材料与增材制造结合，支持复杂拓扑与集成冷却
四是：绕组技术升级，通过导线类型优化（多股线、扁线、压缩线）与增材制造，降低集肤/邻近效应，耐受更高温度（达400℃）与电流密度（达75 A/mm²）
这些技术背后的核心思考是：多学科协同优化——我们不再孤立看待电磁性能，而是将材料特性、结构设计、制造工艺与散热需求深度绑定，平衡性能、成本与量产性。
下面我们来系统性聊聊这个话题，主要回答以下关键技术问题：
定子铁心应如何选择材料，不同材料的性能参数与应用场景如何匹配？
分段式定子铁心的优势的具体表现是什么，又面临哪些技术挑战？
软磁复合材料与增材制造如何改变定子设计，其性能边界与突破方向在哪？
绕组技术如何通过结构与工艺创新，降低损耗并提升功率密度？
01 电力传动系统定子与绕组技术的发展背景
1.1 电机设计目标的转变：从“效率优先”到“多目标平衡”
1.2 定子与绕组的核心地位：多学科设计的交汇点
02 定子铁心材料选择与性能深度解析
2.1 定子铁心常用软磁材料类型及核心特性
2.1.1 硅钢片（Si-Fe electrical steel）：主流量产之选
2.1.2 镍铁合金（Ni-Fe合金）：严苛热环境适配材料
2.1.3 钴铁合金（Co-Fe合金）：高功率/扭矩密度专用材料
2.1.4 非晶合金（AA）：超低铁损与超高速场景优选
2.1.5 软磁复合材料（SMC）：工艺创新驱动的新型材料
01
电力传动系统 · 定子与绕组技术的发展背景
在深入解析定子与绕组技术前，我们首先要明白：为什么这两个部件如今成为电力传动系统的研发重点？这需要从电机设计目标的转变说起。
1.1 电机设计目标的转变：
——从“效率优先”到“多目标平衡”
过去几十年，电机与发电设备的设计核心是“高效率”——毕竟在这些场景中，长期运行的能耗成本远高于电机本身的体积或质量成本。
但现在不一样了，随着电动汽车、电动飞机、电动船舶等移动场景的普及，“高功率/扭矩密度”成为新的核心需求，简单说就是：要在更小的空间、更轻的重量里，输出更大的动力。这个转变带来了什么挑战呢？下面我们来看看：
一方面，材料性能被推到了极限，比如硅钢片的磁饱和、绝缘材料的耐温性；另一方面，散热压力急剧增加：相同体积下功率提升，意味着单位时间内产生的热量更多，必须在更小空间内散出去。
所以现在的电机设计，不再是“只看电磁性能”，而是要兼顾电磁、热、机械、成本等多个维度，这就是“多目标平衡”的核心含义。
1.2 定子与绕组的核心地位
——多学科设计的交汇点
为什么聚焦于定子与绕组？这个是什么意思呢？
简单来说：定子是电机磁路的核心，绕组是电流通路的核心。磁路决定了扭矩输出能力，电路决定了损耗与效率，而两者的结构又直接影响散热与制造难度。
比如，定子铁心的材料选择，会同时影响磁损（电磁维度）、热导率（热维度）与冲压难度（制造维度）；绕组的导线类型，会影响电流密度（功率维度）、集肤效应（损耗维度）与槽满率（空间维度）。
图片来源：PEM.RWTH
可以说，定子与绕组技术是多学科设计的“交汇点”，抓住这两个部件，就能抓住电机性能提升的关键。
图片来源：SysPro系统工程智库
了解了电机设计目标的转变和定子、绕组的核心地位后，我们首先要解决的第一个问题就是：定子铁心用什么材料才合适？不同材料的性能参数有什么差异，又该怎么选？下面我们来详细解析定子铁心的材料体系。
图片来源：Höganäs
02
定子铁心材料选择与性能深度解析
首先，定子铁心的性能，本质上由材料决定。
磁导率高不高、铁损大不大、能不能耐高温、成本贵不贵，这些都是材料自带的“基因”。所以，我们先从五种主流软磁材料说起，看看它们各自的特点。
2.1 定子铁心常用软磁材料类型及核心特性
硅钢片是目前电机领域的主力军，使用率超过97%。那么，TA为什么这么普及？核心原因是“性价比最高”，而且到处都能买到，非常适合量产。
它分为两种类型：一种是取向硅钢（GOES），比如牌号M-2的硅钢；另一种是无取向硅钢（NGOES），比如M235-35A型号
这里面我们需要了解的一个基本概念是：
取向硅钢的磁特性是各向异性的——沿轧制方向的磁导率特别高，磁损低
而无取向硅钢是各向同性的——各个方向的磁性能都差不多，适合复杂磁路。
简单理解：取向硅钢就像“单向车道”，磁场沿一个方向走时阻力小；无取向硅钢像“双向车道”，磁场从哪个方向走都差不多，灵活性更高。
2.1.2 镍铁合金（Ni-Fe合金）：严苛热环境适配材料
我们知道，电机经常需要在高温环境下工作，该选什么材料更合适呢？
下面我们来看看镍铁合金——它的镍含量通常在45%~50%，其最大优势是磁导率高、铁损低，而且在高温下性能很稳定，不会因为温度升高就大幅衰减。
但它的局限也很明显：成本比硅钢片高，而且主要适配小功率、高要求的场景，比如医疗设备，不太适合汽车这类量产且功率需求大的领域。
图片来源：PEM.RWTH
2.1.3 钴铁合金（Co-Fe合金）：高功率/扭矩密度专用材料
要是电机追求“极限扭矩密度”，比如高性能电动汽车或航空电机，钴铁合金就是优选。
它的铁含量通常是35%或65%，在相同磁场强度下，磁饱和水平比其他材料都高——这意味着什么呢？磁饱和高，气隙磁通密度就高，而扭矩和磁通密度是直接成正比的，所以能输出更大扭矩。
但这里有个关键问题：钴是稀有金属，所以钴铁合金不仅“不好买”（供应量有限），而且“超贵”。所以，这就决定了它只能用在“性能优先、成本其次”的高端场景，没法大规模普及。
2.1.4 非晶合金（AA）：超低铁损与超高速场景优选
下面聊聊非晶合金，这也是2025年参加专业研讨会被重点讨论的一个话题。
非晶合金是近年来的“新星”，尤其在“超低铁损”和“超高速电机”中特别受欢迎。它的特点有两个：一是矫顽力极低，矫顽力小，意味着磁化和退磁更容易，磁损就小；二是厚度极薄，只有传统硅钢片的1/20。这两个特点加起来，让它成为目前铁损最低的材料。
此外，有两点要特别说明：
优势：它的磁导率受频率影响很小。这个是什么意思呢？超高速电机的频率很高（比如每分钟几万转），普通材料的磁导率会随频率升高而下降，导致性能衰减，但非晶合金不会，所以特别适合超高速场景，比如高速主轴电机。
缺点：机械性能比较脆，冲压加工难度大，而且成本比硅钢片高，目前主要用在对效率要求极高的场景。
2.1.5 软磁复合材料（SMC）：工艺创新驱动的新型材料
最后一种是软磁复合材料，简称SMC。这个是什么意思呢？
简单来说，它是把表面带有“电绝缘涂层”的铁粉，通过压制、粘结制成的材料。和传统的叠片铁心（比如硅钢片叠起来）比，它最大的优势是“制造灵活”——可以做成复杂的三维形状，而且回收起来更方便。
比如，我们可以直接把SMC压制成带冷却通道的定子齿，不用像叠片那样还要额外钻孔——这就为集成冷却设计提供了可能。不过它的磁性能目前还不如硅钢片：磁导率和磁化强度较低，铁损也相对高一些，所以暂时还不能完全替代硅钢片。
图片来源：Höganäs
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