国外高密度电机技术最新进展（上）- 大数跨境

电动车千人会

2024-10-31

导读：本文介绍高功率密度、高扭矩电机的最新技术发展。阐述H3X、magnix、Archer等标杆电机的技术策略，希望对业内人士有所启发。

“ 随着电动汽车、电动飞机等新能源交通工具的兴盛，市场对电驱功率密度的要求逐渐提高。这种需求是如此旺盛，使得无论是国外还是国内，无论是企业还是高校院所，相关的电驱动厂家都积极参与密度竞赛。电机的功率密度从1kw/kg到5kw/kg，从5kw到10kw/kg，你追我赶，技术竞争态势为之焦灼。传统的电机行业一时竟然也有“波澜壮阔，大江东去”的新兴气息。

本文介绍杰出国外先进企业在功率密度、扭矩密度方面的技术进展。一方面让参与其中的同行对标杆产品有全方位的了解，一方面也为了广大从业者对当今技术态势有个轮廓印象。

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H3X-高功率密度电机系统

H3X的的产品号称是EVTOL领域最理想的电驱系统，它的出现是电动飞机技术的一次重大的图突破。其核心产品以HPDM-250为代表，体积小到能放入行李箱中，却能产生持续200kw的功率，让人耳目一新。

这款产品的是电机+电控+减速器的集成产品，单电机输出95.5Nm的力矩20000rpm的转速，加上减速器后系统能产生640Nm的持续力矩，其系统的持续功率密度达到12kw/kg，持续扭矩密度38.5Nm/kg。抛掉减速器，电机本体的也有15.3kw/kg的持续功率密度和7.3Nm/Kg的持续扭矩密度。这是个什么概念呢，目前电动汽车电机持续功率密度大概是3-5kw/kg，持续扭矩密度是3-4Nm/kg。从功率角度来看同样的重量，这款电机能出3倍以上的功率。从扭矩角度来看这款电机搭配上减速器，同样的重量能出10倍以上的扭矩。这意味着，这不是渐进式技术，这是颠覆性技术！

我们仔细拆解了H3X的路线，总的来说在系统、工艺、设计、材料四大方面都有创新。其中最大的亮点：1是电机、电控、减速器的集成方式；2是采用了全增材技术制造铜线和壳体；3是电机电控的共享型液冷基础框架；4采用了耐高温的陶瓷基绝缘材料。限于篇幅我这里仅介绍第1点和第2点。

H3X的集成技术非常有特色，电机在最内侧是占据着主体位置，电机内壳为一个接近正六边型的结构，它是通过增材制造工艺生产出的铝合金结构，内设置了冷却水道，即承担了支撑和冷却作用，同时也是电控电力电子器件的安装平台。正六边形的每个面都设置了一个驱动单元。每个单元独立控制电机一个象限。这样既实现了电控的分布式冷却，又具备了容错功能。其中一个单元失效时，仍然具备运行能力。

电控功率板和电机两个热源之间有水冷结构作为间隔，保护了电控的安全运行。这就是“共享型冷却基础构架”的内涵。

H3X采用了一个6.7：1的一级减速设计，它放置在电机最前端。

H3X的另一个特色的绕组为3D打印制造，他们采用的打印技术有效的改善了铜线疏松问题，实现了93%标准铜的电导率。同时受益于3D成型的技术，铜线在拐弯处，尖角处可以和定子槽无死角配合，这样即达到了70%的纯铜满率，又减小了铜线端部尺寸，使得整个电机的有效用铜量占比大幅度上升。原文翻译如此：“在我们绕组或定子槽的横截面中没有死角。它要么是铜，要么是绝缘材料，以非常明确的厚度安装。”

H3X的技术创新点非常多，这和他们的90后年轻团队有关。这个团队的三个创始人都是威斯康星大学毕业，在学校期间三人，设计、开发和制造了一辆小型赛车，参加了与世界各地大学的年度短跑比赛。毕业以后各自折腾，直到2020年又合并成H3X公司，获得投资机构启动资金400万美元，于2022年完成了第一台原型机的开发。初出茅庐就一鸣惊人，不得不为这个团队和美国的创业环境点赞。

【小结】H3X的产品非常小巧，其采用的高速内转子电机+减速器的技术路线，获得了超高的扭矩密度和功率密度。

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MagniX-高转矩密度电机

MagniX也是一家美国公司，主要产品为电驱动系统，专门针对固定翼、旋翼机、垂直起降飞机开发产品，其电驱产品也有出色的表现。

这家公司的产品特殊的高扭矩密度，走的是无齿轮直接驱动的路子，其电机转速较低但扭矩很大。以其中Magni500为例，其连续扭矩有2800Nm，重量仅仅135kg，连续扭矩密度达到20Nm/kg。这种低速的应用，在功率密度上并不突出，连续功率密度为4.15kw/kg，这和直驱的技术路线相关。

20Nm/kg的技术指标大概是什么水平呢？要对比才能有感觉，目前比较火的高密度电机英国的YASA持续扭矩密度是10Nm/kg，斯洛文尼亚的EMR大概是7.3Nm/kg，而在电动车领域的龙头特斯拉，持续扭矩密度是5Nm/kg。也就是说这款产品扭矩密度是YASA的2倍、特斯拉的4倍。

这么高的扭密是如何实现的？MagniX的技术路线特点是什么？。首先它是一个多路模块控制的思路，一个电机分成若干个象限，每个象限由一个单独的400A控制器驱动，这个是类似H3X的技术。多路控制能够提供很好的冗余度和可拓展性，他们的产品有的有4个电控模块驱动，有的有2个电控模块驱动，调整比较灵活。

具体在电机侧，它的技术特点有如下四个：

首先他们走的直驱的电机路线，电机采用大裂比的多极多槽方案；
其次是全油冷，包括定转子、轴承都采用油冷冷却；
再次，采用了扁线定子和内转子IPM技术方案，前者提高了定子载流量，后者提高了转子磁通量，两种结合提高了扭矩密度；
最后，采用非硅钢铁芯材料，大幅度提高了铁芯的导磁能力，类似钴钢等铁芯材料，其饱和磁密超过硅钢的20%以上，因此能大幅度推高电机扭矩密度。

【小结】MagniX的技术指标并不怎么突出原因在还在于它有所取舍，专注低速大扭矩特性的火力发挥，在evtol领域取得了瞩目的成绩，是目前世界上第一个也是唯一一个经过飞行验证的通勤/商用飞机全电动推进系统。MagniX对我们有较大的启发意义，国内高密度电机的积累主要来源于电动汽车领域，其油冷和扁线技术已经趋于成熟，在采用特殊设计手段和多目标算法极限优化后，达到20Nm/kg的技术指标是跳起来就能摘到的苹果。

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Archer-高功率密度电机

Archer也是一家美国公司总部位于加利福尼亚，和MagniX不一样的是，它是主机厂，即做飞机也做电驱，2018 年创立，专注于设计、开发 eVTOL 。

Archer的电机参数是连续功率125kw，重量25kg，功率密度为5kw/kg,它和MagniX直驱方案不同走的是带减速器的高速路线，电机转速达到12000rpm，这个路线和车用驱动系统类似。但相较特斯拉这类车用驱动电机功率密度有较大的提升，下图左是Archer的三合一驱动右图是Tesla的三合一驱动，两者体型和重量都有较大的差异。

Archer做到较高的功率密度受益于它特有的设计特点。第一它做到了电机、减速器、逆变器的同轴集成。

它的集成方案如下图所述，其中电机有A、B两组可实现冗余运行，同时电控驱动模组也是6组独立安装。这种将电机和电控拆解到2个或者更多个单元的方式几乎是航空电驱的标配，目的是提高工作可靠性，在部分损坏的情况下，仍然能够独立运行。

具体到Archer的电机设计上，它采用的是扁线定子绕组+halbach转子的技术路线。扁线定子能够提高用铜量，halbach转子通过聚磁作用提高了磁场强度，两者技术组合我们在车用驱动电机中有过应用，能够大幅度提高功率密度，并改善效率。同时相较IPM的转子结构，其感抗线性度好，控制稳定性高，非常适合evtol这类应用场景。

在热管理方面，Archer做的非常紧凑，实现了油冷内循环，这个内循环的关键在电机壳外设置了冷凝器，螺旋桨产生的风能够通过此给冷凝器中的油温冷却。油在油泵的作用在减速器、电机的腔体内循环，实现高效散热。

【小结】Archer走的路子基本上和车用电驱动相同，为同类技术的延拓，虽然相对特斯拉等驱动产品有较大的提升，但和其它飞机用高密度电驱相比，就没有那么惊艳，并不是他不优秀，是有比他更优秀的选手，我们在下一期文章中为大家介绍。

最后理清一组概念，功率密度和扭矩密度，有些产品突出功率密度、有些产品突出扭矩密度，这和应用场景和技术路线有关的。一般而言转速较低的应用扭矩较高，比如直驱的系统扭矩密度是关键指标。转速较高的系统，比如带齿轮减速的乘用车电机或者类似H3X这类高速比evtol电机，核心指标是功率密度。追求功率密度和追求扭矩密度是两条不同的路子，在产品上会有很大的差异性。

最后自我介绍一下，伏特动力科技是我们创办的一家电机公司，长期以来在专注高功率密度、高扭矩密度电驱系统研发。研发过的产品包括对标YASA的轴向磁场电机、应用于evtol的外转子电机、30000rpm高转速电机、扁线油冷电机、关节驱动电机等。先后服务过东风、奇瑞、宇通汽车、广汽、401、627所等主机企业。欢迎业内外人士一起 open地交流探讨技术，为国产电驱技术跨越式发展添砖加瓦。

死磕自己，服务大家，我是核动力蜗牛，希望和大家一起交流。

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