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在这篇深度特写中，布里斯托尔大学的尼克·辛普森教授探讨了增材制造如何重新定义电机所能达到的性能，以及为何渐进式改进不足以实现未来十年设定的功率密度目标。
在电动航空、高性能汽车和船舶等各个领域，工程师们被要求研发出不仅效率更高，而且重量大幅减轻、功率显著提升的电机。要满足这些需求，所需的功率密度必须远超当今公认的尖端水平。在此，布里斯托尔大学（CWIEME柏林的教育合作伙伴）电机专业教授尼克·辛普森将解释，为何实现这一目标意味着必须将功率密度提升至当前水平之上。
亲眼见证高功率密度创新技术的实际应用，并参加2026年柏林CWIEME展会，与工程师、制造商和科技领军人物齐聚一堂，共同探索增材制造（AM）、先进材料、绕组创新以及下一代生产策略领域的最新进展。
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根据英国先进推进中心和航空航天技术研究所发布的英国技术路线图，到2035年，电动机的功率密度需达到9至25千瓦/千克。这比目前的技术水平高出近五倍。仅靠渐进式改进无法使该行业达到这一目标，需要采取更激进的措施。
重新审视功率密度
质量功率密度是指机器所能产生的功率与其自身质量之比，通常以 kW/kg 为单位。传统制造方法受几何和材料限制，导致该比值的提升空间有限。相比之下，增材制造（AM）为设计师提供了更大的自由度。
电机既包含被动组件（如外壳和结构元件），也包含主动组件（包括绕组、电工钢和永磁体）。 在被动部件方面，AM 技术通过采用晶格结构和旋回结构实现了先进的轻量化设计。这些结构允许在无需机械强度的部位去除材料，在保持刚性的同时显著降低质量。
与此同时，AM 技术还允许将冷却通道和冷却套直接集成到结构中，并精确布置在热量产生的部位。改进热管理至关重要，因为温度限制往往是决定功率密度的关键约束条件。然而，最具变革性的机遇在于有源部件。
新几何形状
传统电机设计在很大程度上受到部件制造方式的影响。例如，绕组通常是通过将圆形或矩形导体绕制而成，这一过程虽然高度自动化，但本质上存在诸多限制。
增材制造彻底改变了这一现状。如果绕组可以“打印”出来，那么几乎可以制造出任何几何形状的绕组。可以通过对单根导体的塑形和定位，同时优化电磁性能、热行为和机械完整性。
这种几何自由度使工程师能够探索全新的电机拓扑结构，以传统制造技术根本无法实现的方式引导磁通和电流。增材制造不再迫使设计适应工艺，而是让工艺顺应设计。
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从原型制作到量产
增材制造通常主要被视为一种原型制作工具，其在这一领域的价值毋庸置疑。由于增材制造是一种完全数字化的工艺，模具成本得以大幅降低。设计可以快速迭代、数字化更新，并在物理层面进行测试，其成本仅为传统方法的一小部分。
然而，增材制造正日益超越原型制作，迈向终端产品生产，特别是在高性能、小批量应用领域。在电机领域，这一转变的驱动力在于彻底消除制造限制，并从一张空白的设计图纸开始。
通过将增材制造视为一种可投入生产的工艺而非实验性工艺，研究人员和工程师能够评估：当几何形状不再是限制因素时，电机可能会呈现怎样的形态。
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在柏林CWIEME展会上，了解增材制造及其他先进生产技术如何在电气制造生态系统中得到广泛应用。
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材料领域的突破
从历史上看，材料性能一直是增材制造在电气应用中推广应用的一大障碍。虽然铝和钢等结构材料已达到与传统制造工艺所产材料相当的水平，但铜等高导电性材料却带来了更大的挑战。
铜的高反射率和高导热性使其难以通过传统的激光粉末床熔融技术进行加工。 然而，在过去几年中，随着高功率激光器、替代波长以及包括粘结剂喷射在内的新增材制造工艺等技术的进步，许多此类限制已被克服。
如今，通过增材制造生产的铜和铝导体已能达到与拉丝材料相当的性能，从而消除了一个关键的采用障碍。这一点至关重要：如果无法达到现有材料的性能水平，即使是最具创新性的几何形状也难以获得工业界的认可。
软磁和硬磁材料仍面临更大挑战。传统的叠片电工钢是专门为降低涡流损耗而设计的，通过增材制造复制这种特性非常复杂。尽管全球范围内相关研究正在推进，但这仍是一个正在积极发展的领域，而非已解决的问题。
收养面临的挑战
尽管前景广阔，但增材制造在电气设备领域的应用进展相对缓慢。这并非源于对创新的抵触，而是工业决策的现实所致。
增材制造需要大量的资本投入、专业知识、新的健康与安全规范以及复杂的后处理步骤。由于在电气设备领域取得大规模商业成功案例相对较少，许多制造商仍持谨慎态度。
另一个挑战在于技能缺口。针对增材制造进行设计——尤其是针对有源电气元件——需要涵盖电磁学、材料科学、热管理及计算设计等多领域的专业知识。虽然可以将生产外包给第三方打印服务商，但如果缺乏内部技术理解，要获得一致且高性能的结果将十分困难。
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行业合作
在应对增材制造带来的技术和技能挑战方面，大学发挥着至关重要的作用。除了开发新的工艺和材料外，大学还肩负着培养能够适应数字设计和数字制造范式的工程师的责任。
增材制造正日益以计算和算法设计方法取代传统的人工驱动的CAD方法。 这标志着工程师在构思、设计和优化零部件方面发生了深刻转变，而产业界与教育界要实现全面对接仍需时日。
像柏林CWIEME展这样的行业盛会为这种对接提供了至关重要的平台。它们使研究人员、制造商和供应商能够交流知识、找出瓶颈，并探索如何将新兴技术转化为实际应用。
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展望未来
在未来五到十年内，增材制造有望成为生产高性能电机部件的标准工艺，特别是在航空航天、高端汽车和船舶应用等领域。
大尺寸增材制造系统、生产效率的提升以及更高的工艺重复性将扩大可生产的部件范围。尤其是通过增材制造生产的绕组，有望在效率、热性能和功率密度方面实现显著提升。
然而，增材制造不太可能完全取代传统工艺。相反，它将作为一项互补技术，在需要时实现极致性能，同时为更易于制造的设计提供参考，从而以更低的成本实现大部分效益。
从这个意义上说，增材制造不仅仅是一种制造解决方案。 它是电气工程界重新构想电气设备能力边界、以及它们能多大程度上满足全面电气化未来需求的视角。
增材制造将成为2026年5月19日至21日在柏林展览中心（Messe Berlin）举办的CWIEME柏林展会的重点领域。如需了解更多信息并抢占趋势先机，请立即注册参观门票。
