驱动电机技术突破指南：定子与绕组设计要素的全景解析

- 关于电驱动系统技术进展：聚焦定子与绕组技术解析

- 文字原创，素材来源：PEM, KIT, ENEDY, Vetisco, Hoganas, SWD等

- 本篇为知识星球节选，完整版报告与解读在知识星球发布

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导语：应星友们的建议，今天我们系统性的聊聊驱动电机技术突破的话题。

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？

图片来源：ENEDYM

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目录

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

2.2定子铁心材料选择的三大核心维度 ★

2.2.1物理特性：磁、热、机械性能的协同要求

2.2.2成本与可用性：量产场景的关键约束

2.2.3可制造性：与电机拓扑的适配性

2.3典型材料性能对比与应用场景匹配★

2.3.1五种代表性材料的性能参数表格（B-H特性、铁损、热导率等）

2.3.2基于应用目标的材料选择逻辑（扭矩密度、持续功率、效率、成本）

03定子铁心设计进展：分段式与软磁复合材料应用

3.1分段式定子铁心：突破传统结构的性能升级方案★

3.1.1分段式定子的结构特点：齿片分段与绕组适配

3.1.2分段式定子的性能优势：槽满率、材料利用率与效率提升

3.1.3分段式定子的制造优势：材料浪费减少与装配优化

3.1.4分段式定子的技术挑战：微气隙、公差与兼容性问题

3.2软磁复合材料（SMC）与增材制造：工艺驱动的拓扑创新★

3.2.1 SMC的材料特性：绝缘涂层与压制工艺的作用

3.2.2 SMC与增材制造的结合：复杂三维结构与集成冷却

3.2.3 SMC定子的性能优势：高温耐受、热导率与回收性

3.2.4 SMC定子的局限性与突破方向：磁性能与机械强度改进

04绕组设计技术创新与性能优化

4.1绕组与定子铁心的协同设计：槽数与绕组配置的匹配★

4.1.1分布式绕组（整数/分数槽）：波形与脉动控制

4.1.2集中绕组（分数槽齿集中）：扭矩与紧凑性提升

4.2 导线类型怎么选？★

4.2.1 高速电机的导线类型

4.2.2 低速高槽满率电机的导线类型

4.2.3 高速高扭矩电机的导线类型

4.3增材制造绕组：突破性能极限的创新方案★

4.3.1空心导体绕组：集成冷却与温度控制

4.3.2多截面导线绕组：集肤/邻近效应缓解与电阻降低

4.3.3增材制造绕组的性能参数：电流密度75 A/mm²与温度400℃的突破

05定子与绕组技术方案总结与启示★

5.1技术方案核心特征与效益梳理

5.2解决思路：多维度协同与场景化设计

5.3行业启示：材料、工艺与结构的一体化创新

注：以上内容节选，完整内容知识星球中发布（★）

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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。

图片来源：SysPro系统工程智库

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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

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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。

图片来源：SysPro系统工程智库

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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

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。

图片来源：SysPro系统工程智库

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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

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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。

图片来源：ENEDYM

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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。

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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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2.2定子铁心材料选择的三大核心维度

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知道了五种材料的特点后，怎么选才对呢？下面我们来看看，工程师在选择材料时，会从三个维度综合判断，少一个都不行。

2.2.1物理特性：磁、热、机械性能的协同要求

物理特性是“基础门槛”，主要包括三类：...

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2.2.2成本与可用性：量产场景的关键约束

再好的材料，如果“买不起”或“买不到”，也没法落地：...

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2.2.3可制造性：与电机拓扑的适配性

“能造出来”比“性能好”更实际：...

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2.3典型材料性能对比与应用场景匹配

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讲了这么多理论，下面我们看一些量化数据。

下面我们来看看五种代表性材料的具体性能对比，以及它们各自适合什么场景：M-2 Si-Fe GOES、M235-35A Si-Fe NGOES、Vacoflux48 CoFe、2605HB1M非晶电工钢、STX M7 SMC

2.3.1五种代表性材料的性能参数表格

下边我们通过图表来展示下五种代表性软磁材料的B-H 特性（磁密与磁场强度的关系）、铁损密度随频率的变化特性、磁动势与磁通量密度关系，以更好地理解材料磁性能的区别及选型逻：...

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2.3.2基于应用目标的材料选择逻辑

有了性能数据，怎么对应到实际应用呢？下面我们来分场景说明下不同材料的适配原则：...

以上我们知道了定子铁心材料的选择逻辑，解决了“用什么材料”的问题。但光有好材料还不够——怎么通过结构设计，让材料性能发挥到极致？分段式定子和软磁复合材料的创新设计，就是为了这个目标。下面我们一起来看看定子铁心结构的两大核心进展。

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03

定子铁心设计进展：分段式与软磁复合材料应用

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3.1分段式定子铁心：突破传统结构的性能升级方案

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3.1.1分段式定子的结构特点：齿片分段与绕组适配...

3.1.2分段式定子的性能优势：槽满率、材料利用率与效率提升...

3.1.3分段式定子的制造优势：材料浪费减少与装配优化...

3.1.4分段式定子的技术挑战：微气隙、公差与兼容性问题...

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3.2软磁复合材料（SMC）与增材制造：工艺驱动的拓扑创新

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分段式定子解决了“材料优化”和“槽满率”问题，但如果面对更复杂的结构（比如定子齿里直接集成冷却管），传统叠片和分段式都很难实现。这时候，软磁复合材料（SMC）和增材制造就派上用场了。

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3.2.1 SMC的材料特性：绝缘涂层与压制工艺的作用...

3.2.2 SMC与增材制造的结合：复杂三维结构与集成冷却...

3.2.3 SMC定子的性能优势：高温耐受、热导率与回收性...

3.2.4 SMC定子的局限性与突破方向：磁性能与机械强度改进...

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图片来源：Höganäs

了解了定子铁心的材料和结构设计后，我们自然会问：绕组作为“电流的通路”，怎么和定子铁心配合，才能进一步降低损耗、提升功率密度？下面我们来解析绕组设计的技术创新。

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04

绕组设计技术创新与性能优化

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绕组和定子铁心是“相辅相成”的——定子的槽数决定了绕组的配置，绕组的类型决定了电流密度和损耗，而两者的协同设计直接影响电机的整体性能。我们先从绕组与定子的协同设计说起，再看导线类型和增材制造的创新。

4.1绕组与定子铁心的协同设计：槽数与绕组配置的匹配

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定子的槽数不是随便定的，而是要和绕组配置对应：不同的配置，适合不同的性能需求。下面我们来看看两种主流配置：

4.1.1分布式绕组（整数/分数槽）：波形与脉动控制...

4.1.2集中绕组（分数槽齿集中）：扭矩与紧凑性提升...

图片来源：东南大学

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4.2导线类型怎么选？

(知识星球发布)

选好绕组配置后，导线类型怎么定？

核心看电机的最高转速。因为转速越高、频率越高，集肤效应和邻近效应越明显（这两种效应会导致导线电阻增大，损耗增加）。下面我们来分三种情况说明：高速电机、低速高扭电机、高速高扭电机。

4.2.1高速电机的导线类型...

4.2.2低速高槽满率电机的导线类型...

4.2.3高速高扭矩电机的导线类型...

图片来源：Litzwire

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4.3增材制造绕组：突破性能极限的创新方案

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传统导线的性能有两个“天花板”：一是电流密度（普通铜线最大20~25 A/mm²），二是耐温性（普通绝缘材料最大220℃）。增材制造绕组，就是为了突破这两个天花板。下面我们一起来看看。

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4.3.1空心导体绕组：集成冷却与温度控制...

4.3.2多截面导线绕组：集肤/邻近效应缓解与电阻降低...

4.3.3增材制造绕组的性能参数：电流密度75 A/mm²与温度400℃的突破...

图片来源：PEM.RWTH

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05

技术方案总结与启示

(知识星球发布)

5.1技术方案核心特征与效益梳理...

5.2解决思路：多维度协同与场景化设计...

5.3行业启示：材料、工艺与结构的一体化创新...

感谢阅读，希望有所帮助！