eVTOL推进电机谁在做？

德国Lilium Jet涵道式eVTOL由36台电动机提供动力，其中两个前鸭翼各有6个电动机，每个后翼有12个电动机。由DENSO公司和Honeywell公司共同开发，推进电机为一台24槽永磁同步电机，如下图1所示，质量约4 kg，输出功率为100 kW，连续功率密度可达25 kW/kg。由下图1中可以看出，定子绕组端部采用了灌封工艺，可有效增强散热。

图1   Lilium Jet涵道式eVTOL推进电机总成

美国H3X公司推出了电动机、逆变器和齿轮集成设计的HPDM-250高功率密度电动机，如下图2所示。可用于高功率密度驱动场合，其峰值转矩可达802 N·m，峰值功率为250 kW，质量仅为18.7 kg，系统效率达95.4%，可以在13 kW/kg功率密度下连续工作，在多个领域实现创新性设计，包括电磁优化、3D打印冷却系统和绕组、容错设计、SiC控制技术等。

图2 H3X公司HPDM-250高功率密度电动机总成

法国Airbus公司研发了City Airbus NextGen，采用MAGicALL的电机]，如图3所示。推进电机功率接近200 kW，采用大直径、内转子、直驱式PMSM方案，悬停时的电机转速小于1 000 r/min，为了能够输出100 kW甚至更高功率，对应的转矩不低于950 N·m，定子外机壳上增加了散热翅片，增强了电机的散热能力。通过集成电机和控制器设计，电驱动系统转矩密度高达50 N·m/kg，效率大于95%。

图3 Airbus公司City Airbus NextGen 推进电机

英国Vertical Aerospace公司研发了一款单人eVTOL，并成功试飞，其采用的推进电机EMRAX268为一款径向外转子PMSM电机，如图4所示。峰值功率可达117 kW，功率密度为5.24 kW/kg。2023年7月，又研发了下一代eVTOL原型机VX4，整个电驱动单元（Electric Propulsion Unit, EPU）全部由英国Equipmake公司自主设计、研发和生产，包含高功率密度电机、高性能逆变器。其电机仍旧为内转子结构，采用Halbach永磁结构以提升电机转矩密度。

图4 Vertical Aerospace外转子PMSM电机EMRAX268

由NASA主导研制X-57 Maxwell，根据设计需求，采用分布式电力推进技术，如图5所示为该款机型所用的推进电机结构示意图。电机为一台最大功率60 kW的外转子PMSM，用于代替发动机，内部定子铁心嵌入散热翅片增强电机散热，巡航功率可达42～45 kW。

图5 NASA研制X-57 Maxwell外转子PMSM推进电机

美国Joby S4电推进系统采用直驱方案，螺旋桨工作转速要求非常低。因此，Joby S4螺旋桨的悬停转速仅为800 r/min左右，巡航时的转速更是只有250 r/min，起飞质量可达2400 kg，电机的峰值功率为236 kW，峰值转矩高达1800 N·m，转矩密度为49 N·m/kg，其推进电机为一台外转子PMSM，电机直径约为400 mm，如图6所示，Joby S4的推进电机定子铁心采用了1J22软磁合金，集中式绕组间预留风冷通道，转子采用Halbach结构。Joby S4的电机峰值功率密度可达8.4 kW/kg，为了提高电驱动系统的可靠性，还采用了双逆变器结构。

图6   Joby S4外转子PMSM推进电机

此外，Joby公司还申请了带有通风道的3D打印转子结构相关专利，如图7所示。电机的外转子以及电机内部设计有多路风道，电机下方有一个轴流式散热风扇。在风扇和来流空气的作用下，可以实现对电机的散热，控制器、散热片等其他附属部件内嵌在转子内空腔位置。

图7   Joby公司3D打印转子结构及冷却风路示意图

直驱型eVTOL推进电机转速低、转矩大，但电机体积也较大，电机成本较高。不同于Joby公司采用的直驱式技术路线，另外一家eVTOL公司美国Archer则采用了电机+减速器的半直驱技术路线，来获得低转速大转矩的动力输出，2022年，Archer公司宣布为美国联合航空生产空中出租车Midnight。所设计的推进电机峰值功率125 kW，采用了扁线定子绕组、Halbach内转子PMSM半直驱设计方案，总质量为25 kg。

由于整机采用倾转旋翼结构，倾转电机和升力电机采用两种不同的规格型号，可以复用95%的部件。如图8所示为Archer的eVTOL推进电机与Tesla的EV驱动电机对比情况，根据Archer公布的数据，其电机峰值功率密度为5 kW/kg，但缺点是机械结构相对复杂，系统效率降低。

此外，为了增加电推进系统可靠性，防止电机失效引起事故，Archer还采用多绕组和多逆变器设计方案。相比于Tesla Model3的EV驱动电机，该款eVTOL推进电机实现了较大的性能提升。

图8   Archer的eVTOL推进电机

中国时的科技（TCab Tech）研发的E20载人eVTOL及其推进电机如图9所示，该款型号为ENGINeUS 100的推进电机，集成了控制器和空冷系统，在起飞阶段可以提供超过100 kW的输出功率。E20采用6轴4倾转布局，构型以及最大起飞质量均和Joby S4接近。其电推进系统包括电机和冷却系统在内的功率密度高于10 kW/kg，转矩密度大于15 N·m/kg（仅电机有效质量），电机转速为2 500 r/min，采用DC 540 V电压等级供电。

图9   时的科技（TCab Tech）E20及其推进电机

国内另一家eVTOL公司沃飞长空，设计研发的AE200倾转旋翼式eVTOL已经完成了全流程转换飞行。预计2026年完成型号合格证取证，加速产品落地。AE200采用4倾转旋翼设计，如图10所示，AE200倾转动力推进电机采用外转子PMSM直驱电机方案。

图10  沃飞长空AE200

英国Evolito公司提出如图11所示的eVTOL构型，采用双转子轴向磁通PMSM推进电机，该电机定子为无轭、槽内直冷结构设计。Evolito电机涵盖从峰值功率密度为28 kW/kg的低转矩型号D250和峰值功率密度为12 kW/kg的中转矩型号D500，以及轴向级联的Evolito D1500，可增加至高达1 MW的输出功率，并经过了超过1 000 h的飞行测试。这个概念与H3X提出的HPDM 1500方案类似，只是H3X公司采用的是径向磁通电机方案。

图11 Evolito公司eVTOL构型及其轴向磁通推进电机

值得注意的是，以上公开可见的eVTOL推进电机普遍采用了PMSM，然而，英国Magnomatics公司设计了一款轻型风冷磁齿轮（Magnetic Gear, MG）推进电机，如图12所示，最大功率可达86 kW，最大转矩为465 N·m，最大转矩密度可达31.8 N·m/kg，连续工作转矩密度也能达到19.2 N·m/kg。其优异的性能指标使得NASA已确定磁性齿轮是电动飞机的一项潜在技术，并认为磁齿轮和永磁电机的同心组合将是eVTOL的理想选择。华中科技大学研究也发现该类磁场调制电机可有效提高电机转矩密度。因此，MG电机应用于eVTOL场合具有一定的可行性，但有待进一步验证和深入研究。

图12 Magnomatics公司磁齿轮推进电机