- 關于電驅動系統技術進展：聚焦定子與繞組技術解析

- 文字原創，素材來源：PEM, KIT, ENEDY, Vetisco, Hoganas, SWD等

- 本篇為知識星球節選，完整版報告與解讀在知識星球發布

- 1500+全球前瞻技術報告與解析已上傳知識星球

導語：應星友們的建議，今天我們系統性的聊聊驅動電機技術突破的話題。

當前，電動化浪潮已從汽車領域延伸至低空飛行、機器人、電動船舶等海陸空多個場景，電機作為電力傳動系統的核心，其設計目標正從“單一高效率”向“高效率+高功率/扭矩密度”轉變。即，既要在更小體積、更輕質量下輸出更高動力，又需解決材料極限與散熱難題。這一背景下，定子與繞組技術成為突破關鍵，其核心技術特征可概括為四點：

一是：定子鐵心材料多樣化，涵蓋硅鋼片、鎳鐵合金、鈷鐵合金、非晶合金及軟磁復合材料（SMC），適配不同性能需求

二是：定子結構創新，分段式設計突破傳統整體式鐵心局限，實現材料優化與槽滿率提升

三是：工藝融合，軟磁復合材料與增材制造結合，支持復雜拓撲與集成冷卻

四是：繞組技術升級，通過導線類型優化（多股線、扁線、壓縮線）與增材制造，降低集膚/鄰近效應，耐受更高溫度（達400℃）與電流密度（達75 A/mm2）

這些技術背后的核心思考是：多學科協同優化——我們不再孤立看待電磁性能，而是將材料特性、結構設計、制造工藝與散熱需求深度綁定，平衡性能、成本與量產性。

下面我們來系統性聊聊這個話題，主要回答以下關鍵技術問題：

定子鐵心應如何選擇材料，不同材料的性能參數與應用場景如何匹配？

分段式定子鐵心的優勢的具體表現是什么，又面臨哪些技術挑戰？

軟磁復合材料與增材制造如何改變定子設計，其性能邊界與突破方向在哪？

繞組技術如何通過結構與工藝創新，降低損耗并提升功率密度？

圖片來源：ENEDYM

目錄

01電力傳動系統定子與繞組技術的發展背景

1.1電機設計目標的轉變：從“效率優先”到“多目標平衡”

1.2定子與繞組的核心地位：多學科設計的交匯點

02定子鐵心材料選擇與性能深度解析

2.1定子鐵心常用軟磁材料類型及核心特性

2.1.1硅鋼片（Si-Fe electrical steel）：主流量產之選

2.1.2鎳鐵合金（Ni-Fe合金）：嚴苛熱環境適配材料

2.1.3鈷鐵合金（Co-Fe合金）：高功率/扭矩密度專用材料

2.1.4非晶合金（AA）：超低鐵損與超高速場景優選

2.1.5軟磁復合材料（SMC）：工藝創新驅動的新型材料

2.2定子鐵心材料選擇的三大核心維度 ★

2.2.1物理特性：磁、熱、機械性能的協同要求

2.2.2成本與可用性：量產場景的關鍵約束

2.2.3可制造性：與電機拓撲的適配性

2.3典型材料性能對比與應用場景匹配★

2.3.1五種代表性材料的性能參數表格（B-H特性、鐵損、熱導率等）

2.3.2基于應用目標的材料選擇邏輯（扭矩密度、持續功率、效率、成本）

03定子鐵心設計進展：分段式與軟磁復合材料應用

3.1分段式定子鐵心：突破傳統結構的性能升級方案★

3.1.1分段式定子的結構特點：齒片分段與繞組適配

3.1.2分段式定子的性能優勢：槽滿率、材料利用率與效率提升

3.1.3分段式定子的制造優勢：材料浪費減少與裝配優化

3.1.4分段式定子的技術挑戰：微氣隙、公差與兼容性問題

3.2軟磁復合材料（SMC）與增材制造：工藝驅動的拓撲創新★

3.2.1 SMC的材料特性：絕緣涂層與壓制工藝的作用

3.2.2 SMC與增材制造的結合：復雜三維結構與集成冷卻

3.2.3 SMC定子的性能優勢：高溫耐受、熱導率與回收性

3.2.4 SMC定子的局限性與突破方向：磁性能與機械強度改進

04繞組設計技術創新與性能優化

4.1繞組與定子鐵心的協同設計：槽數與繞組配置的匹配★

4.1.1分布式繞組（整數/分數槽）：波形與脈動控制

4.1.2集中繞組（分數槽齒集中）：扭矩與緊湊性提升

4.2 導線類型怎么選？★

4.2.1 高速電機的導線類型

4.2.2 低速高槽滿率電機的導線類型

4.2.3 高速高扭矩電機的導線類型

4.3增材制造繞組：突破性能極限的創新方案★

4.3.1空心導體繞組：集成冷卻與溫度控制

4.3.2多截面導線繞組：集膚/鄰近效應緩解與電阻降低

4.3.3增材制造繞組的性能參數：電流密度75 A/mm2與溫度400℃的突破

05定子與繞組技術方案總結與啟示★

5.1技術方案核心特征與效益梳理

5.2解決思路：多維度協同與場景化設計

5.3行業啟示：材料、工藝與結構的一體化創新

注：以上內容節選，完整內容知識星球中發布（★）

01

電力傳動系統 · 定子與繞組技術的發展背景

在深入解析定子與繞組技術前，我們首先要明白：為什么這兩個部件如今成為電力傳動系統的研發重點？這需要從電機設計目標的轉變說起。

1.1電機設計目標的轉變：
——從“效率優先”到“多目標平衡”

過去幾十年，電機與發電設備的設計核心是“高效率”——畢竟在這些場景中，長期運行的能耗成本遠高于電機本身的體積或質量成本。

但現在不一樣了，隨著電動汽車、電動飛機、電動船舶等移動場景的普及，“高功率/扭矩密度”成為新的核心需求，簡單說就是：要在更小的空間、更輕的重量里，輸出更大的動力。這個轉變帶來了什么挑戰呢？下面我們來看看：

一方面，材料性能被推到了極限，比如硅鋼片的磁飽和、絕緣材料的耐溫性；另一方面，散熱壓力急劇增加：相同體積下功率提升，意味著單位時間內產生的熱量更多，必須在更小空間內散出去。

所以現在的電機設計，不再是“只看電磁性能”，而是要兼顧電磁、熱、機械、成本等多個維度，這就是“多目標平衡”的核心含義。

圖片來源：SysPro系統工程智庫

1.2定子與繞組的核心地位

——多學科設計的交匯點

為什么聚焦于定子與繞組？這個是什么意思呢？

簡單來說：定子是電機磁路的核心，繞組是電流通路的核心。磁路決定了扭矩輸出能力，電路決定了損耗與效率，而兩者的結構又直接影響散熱與制造難度。

比如，定子鐵心的材料選擇，會同時影響磁損（電磁維度）、熱導率（熱維度）與沖壓難度（制造維度）；繞組的導線類型，會影響電流密度（功率維度）、集膚效應（損耗維度）與槽滿率（空間維度）。

圖片來源：PEM.RWTH

可以說，定子與繞組技術是多學科設計的“交匯點”，抓住這兩個部件，就能抓住電機性能提升的關鍵。

圖片來源：SysPro系統工程智庫

了解了電機設計目標的轉變和定子、繞組的核心地位后，我們首先要解決的第一個問題就是：定子鐵心用什么材料才合適？不同材料的性能參數有什么差異，又該怎么選？下面我們來詳細解析定子鐵心的材料體系。

圖片來源：H?gan?s

02

定子鐵心材料選擇與性能深度解析

首先，定子鐵心的性能，本質上由材料決定。

磁導率高不高、鐵損大不大、能不能耐高溫、成本貴不貴，這些都是材料自帶的“基因”。所以，我們先從五種主流軟磁材料說起，看看它們各自的特點。

圖片來源：SysPro系統工程智庫

2.1定子鐵心常用軟磁材料類型及核心特性

2.1.1 硅鋼片（Si-Fe electrical steel）：主流量產之選

硅鋼片是目前電機領域的主力軍，使用率超過97%。那么，TA為什么這么普及？核心原因是“性價比最高”，而且到處都能買到，非常適合量產。

它分為兩種類型：一種是取向硅鋼（GOES），比如牌號M-2的硅鋼；另一種是無取向硅鋼（NGOES），比如M235-35A型號

這里面我們需要了解的一個基本概念是：

取向硅鋼的磁特性是各向異性的——沿軋制方向的磁導率特別高，磁損低

而無取向硅鋼是各向同性的——各個方向的磁性能都差不多，適合復雜磁路。

簡單理解：取向硅鋼就像“單向車道”，磁場沿一個方向走時阻力小；無取向硅鋼像“雙向車道”，磁場從哪個方向走都差不多，靈活性更高。

圖片來源：SysPro系統工程智庫

2.1.2鎳鐵合金（Ni-Fe合金）：嚴苛熱環境適配材料

我們知道，電機經常需要在高溫環境下工作，該選什么材料更合適呢？

下面我們來看看鎳鐵合金——它的鎳含量通常在45%~50%，其最大優勢是磁導率高、鐵損低，而且在高溫下性能很穩定，不會因為溫度升高就大幅衰減。

但它的局限也很明顯：成本比硅鋼片高，而且主要適配小功率、高要求的場景，比如醫療設備，不太適合汽車這類量產且功率需求大的領域。

圖片來源：PEM.RWTH

2.1.3鈷鐵合金（Co-Fe合金）：高功率/扭矩密度專用材料

要是電機追求“極限扭矩密度”，比如高性能電動汽車或航空電機，鈷鐵合金就是優選。

它的鐵含量通常是35%或65%，在相同磁場強度下，磁飽和水平比其他材料都高——這意味著什么呢？磁飽和高，氣隙磁通密度就高，而扭矩和磁通密度是直接成正比的，所以能輸出更大扭矩。

但這里有個關鍵問題：鈷是稀有金屬，所以鈷鐵合金不僅“不好買”（供應量有限），而且“超貴”。所以，這就決定了它只能用在“性能優先、成本其次”的高端場景，沒法大規模普及。

圖片來源：ENEDYM

2.1.4非晶合金（AA）：超低鐵損與超高速場景優選

下面聊聊非晶合金，這也是2025年參加專業研討會被重點討論的一個話題。

非晶合金是近年來的“新星”，尤其在“超低鐵損”和“超高速電機”中特別受歡迎。它的特點有兩個：一是矯頑力極低，矯頑力小，意味著磁化和退磁更容易，磁損就小；二是厚度極薄，只有傳統硅鋼片的1/20。這兩個特點加起來，讓它成為目前鐵損最低的材料。

此外，有兩點要特別說明：

優勢：它的磁導率受頻率影響很小。這個是什么意思呢？超高速電機的頻率很高（比如每分鐘幾萬轉），普通材料的磁導率會隨頻率升高而下降，導致性能衰減，但非晶合金不會，所以特別適合超高速場景，比如高速主軸電機。

缺點：機械性能比較脆，沖壓加工難度大，而且成本比硅鋼片高，目前主要用在對效率要求極高的場景。

2.1.5軟磁復合材料（SMC）：工藝創新驅動的新型材料

最后一種是軟磁復合材料，簡稱SMC。這個是什么意思呢？

簡單來說，它是把表面帶有“電絕緣涂層”的鐵粉，通過壓制、粘結制成的材料。和傳統的疊片鐵心（比如硅鋼片疊起來）比，它最大的優勢是“制造靈活”——可以做成復雜的三維形狀，而且回收起來更方便。

比如，我們可以直接把SMC壓制成帶冷卻通道的定子齒，不用像疊片那樣還要額外鉆孔——這就為集成冷卻設計提供了可能。不過它的磁性能目前還不如硅鋼片：磁導率和磁化強度較低，鐵損也相對高一些，所以暫時還不能完全替代硅鋼片。

圖片來源：H?gan?s

2.2定子鐵心材料選擇的三大核心維度

(知識星球發布)

知道了五種材料的特點后，怎么選才對呢？下面我們來看看，工程師在選擇材料時，會從三個維度綜合判斷，少一個都不行。

2.2.1物理特性：磁、熱、機械性能的協同要求

物理特性是“基礎門檻”，主要包括三類：...

2.2.2成本與可用性：量產場景的關鍵約束

再好的材料，如果“買不起”或“買不到”，也沒法落地：...

2.2.3可制造性：與電機拓撲的適配性

“能造出來”比“性能好”更實際：...

2.3典型材料性能對比與應用場景匹配

(知識星球發布)

講了這么多理論，下面我們看一些量化數據。

下面我們來看看五種代表性材料的具體性能對比，以及它們各自適合什么場景：M-2 Si-Fe GOES、M235-35A Si-Fe NGOES、Vacoflux48 CoFe、2605HB1M非晶電工鋼、STX M7 SMC

2.3.1五種代表性材料的性能參數表格

下邊我們通過圖表來展示下五種代表性軟磁材料的B-H 特性（磁密與磁場強度的關系）、鐵損密度隨頻率的變化特性、磁動勢與磁通量密度關系，以更好地理解材料磁性能的區別及選型邏：...

2.3.2基于應用目標的材料選擇邏輯

有了性能數據，怎么對應到實際應用呢？下面我們來分場景說明下不同材料的適配原則：...

以上我們知道了定子鐵心材料的選擇邏輯，解決了“用什么材料”的問題。但光有好材料還不夠——怎么通過結構設計，讓材料性能發揮到極致？分段式定子和軟磁復合材料的創新設計，就是為了這個目標。下面我們一起來看看定子鐵心結構的兩大核心進展。

03

定子鐵心設計進展：分段式與軟磁復合材料應用

(知識星球發布)

3.1分段式定子鐵心：突破傳統結構的性能升級方案

(知識星球發布)

3.1.1分段式定子的結構特點：齒片分段與繞組適配...

3.1.2分段式定子的性能優勢：槽滿率、材料利用率與效率提升...

3.1.3分段式定子的制造優勢：材料浪費減少與裝配優化...

3.1.4分段式定子的技術挑戰：微氣隙、公差與兼容性問題...

3.2軟磁復合材料（SMC）與增材制造：工藝驅動的拓撲創新

(知識星球發布)

分段式定子解決了“材料優化”和“槽滿率”問題，但如果面對更復雜的結構（比如定子齒里直接集成冷卻管），傳統疊片和分段式都很難實現。這時候，軟磁復合材料（SMC）和增材制造就派上用場了。

3.2.1 SMC的材料特性：絕緣涂層與壓制工藝的作用...

3.2.2 SMC與增材制造的結合：復雜三維結構與集成冷卻...

3.2.3 SMC定子的性能優勢：高溫耐受、熱導率與回收性...

3.2.4 SMC定子的局限性與突破方向：磁性能與機械強度改進...

...

圖片來源：H?gan?s

了解了定子鐵心的材料和結構設計后，我們自然會問：繞組作為“電流的通路”，怎么和定子鐵心配合，才能進一步降低損耗、提升功率密度？下面我們來解析繞組設計的技術創新。

04

繞組設計技術創新與性能優化

(知識星球發布)

繞組和定子鐵心是“相輔相成”的——定子的槽數決定了繞組的配置，繞組的類型決定了電流密度和損耗，而兩者的協同設計直接影響電機的整體性能。我們先從繞組與定子的協同設計說起，再看導線類型和增材制造的創新。

4.1繞組與定子鐵心的協同設計：槽數與繞組配置的匹配

(知識星球發布)

定子的槽數不是隨便定的，而是要和繞組配置對應：不同的配置，適合不同的性能需求。下面我們來看看兩種主流配置：

4.1.1分布式繞組（整數/分數槽）：波形與脈動控制...

4.1.2集中繞組（分數槽齒集中）：扭矩與緊湊性提升...

圖片來源：東南大學

4.2導線類型怎么選？

(知識星球發布)

選好繞組配置后，導線類型怎么定？

核心看電機的最高轉速。因為轉速越高、頻率越高，集膚效應和鄰近效應越明顯（這兩種效應會導致導線電阻增大，損耗增加）。下面我們來分三種情況說明：高速電機、低速高扭電機、高速高扭電機。

4.2.1高速電機的導線類型...

4.2.2低速高槽滿率電機的導線類型...

4.2.3高速高扭矩電機的導線類型...

圖片來源：Litzwire

4.3增材制造繞組：突破性能極限的創新方案

(知識星球發布)

傳統導線的性能有兩個“天花板”：一是電流密度（普通銅線最大20~25 A/mm2），二是耐溫性（普通絕緣材料最大220℃）。增材制造繞組，就是為了突破這兩個天花板。下面我們一起來看看。

4.3.1空心導體繞組：集成冷卻與溫度控制...

4.3.2多截面導線繞組：集膚/鄰近效應緩解與電阻降低...

4.3.3增材制造繞組的性能參數：電流密度75 A/mm2與溫度400℃的突破...

圖片來源：PEM.RWTH

05

技術方案總結與啟示

(知識星球發布)

5.1技術方案核心特征與效益梳理...

5.2解決思路：多維度協同與場景化設計...

5.3行業啟示：材料、工藝與結構的一體化創新...

感謝閱讀，希望有所幫助！