在这篇深度报道中，布里斯托大学的尼克·辛普森教授探讨了增材制造如何重新定义电气设备的性能极限，并阐述了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领域，工程师们被要求打造不仅效率更高，而且重量更轻、功率更强的机器。满足这些需求需要实现远超当今尖端水平的功率密度。作为CWIEME柏林教育合作伙伴，布里斯托大学电机教授尼克·辛普森在此阐释了为何实现这一目标意味着必须突破当前功率密度上限。
亲临现场见证高功率密度创新成果，与工程师、制造商及技术领袖齐聚2026柏林国际线圈材料展（CWIEME Berlin 2026），共同探索增材制造、先进材料、绕线技术创新及新一代生产策略的前沿动态。
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根据英国先进推进中心和航空航天技术研究所的技术路线图，到2035年，电动机的功率密度需达到9至25千瓦/千克。这意味着当前技术水平需提升五倍。仅靠渐进式改进无法实现这一目标，必须采取更具突破性的措施。
重新思考功率密度
质量功率密度是机器可产生的功率与其自身质量之比，通常以kW/kg为单位。传统制造方法受限于几何结构和材料特性，导致该比值难以提升。相比之下，增材制造（AM）为设计师提供了更大自由度。
电动机由被动部件（如外壳和结构元件）与主动部件（包括绕组、电工钢和永磁体）共同构成。 在被动组件领域，增材制造通过格子结构和螺旋体结构实现先进轻量化。这些结构可在非机械承载区域去除材料，在保持刚度的同时显著减轻质量。
同时，增材制造能将冷却通道和冷却套直接集成到结构中，并精确部署于热源位置。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因素。然而最具变革性的机遇在于主动组件领域。
新几何形状
传统电机设计深受制造工艺的限制。例如绕组通常采用圆形或矩形导体绕制而成，这种高度自动化的工艺本身存在诸多局限。
增材制造彻底改变了这一现状。当绕组能够被打印时，几乎任何几何形状都能实现。单根导体可被塑形并精准定位，从而同时优化电磁性能、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，以传统制造技术无法企及的方式引导磁通和电流。增材制造不再要求设计适应工艺，而是让工艺服从设计。
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从原型设计到量产
增材制造通常主要被视为一种原型制作工具，其在此领域的价值无可否认。由于增材制造是完全数字化的工艺流程，模具成本得以大幅降低。设计可快速迭代，通过数字化更新并进行实体测试，其成本仅为传统方法的零头。
然而增材制造正日益突破原型制作范畴，迈向最终用途生产领域，尤其适用于高性能、小批量应用场景。在电机制造领域，这种转变源于彻底消除制造限制、从空白设计图纸出发的迫切需求。
当将增材制造视为具备量产能力的工艺而非实验性技术时，研究人员和工程师便能探索：若几何结构不再是限制因素，电机将呈现何种形态。
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在柏林国际线圈、电机、电气设备及相关工业展览会上，探索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实现规模化应用。
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材料突破
历史上，材料性能一直是增材制造技术在电气应用领域普及的重要障碍。虽然铝、钢等结构材料已达到与传统制造工艺相当的水平，但铜等高导电材料却带来了更大挑战。
铜的高反射率和导热性使其难以通过传统激光粉末床熔融技术加工。 然而近几年，高功率激光器、替代波长及新型增材制造工艺（包括粘结剂喷射技术）的突破性进展已攻克诸多限制。
如今，增材制造的铜铝导体性能可媲美拉制材料，消除了关键应用障碍。这至关重要：若无法匹配现有材料性能，即便是最具创新性的几何结构也难以获得工业认可。
软磁与硬磁材料仍具挑战性。传统叠片电工钢专为降低涡流损耗而设计，通过增材制造复现这种特性极为复杂。尽管全球研究持续推进，该领域仍处于积极开发阶段，尚未彻底解决。
收养挑战
尽管前景广阔，增材制造在电机领域的应用却相对缓慢。这并非源于对创新的抵触，而是工业决策的现实考量。
增材制造需要大量资本投入、专业知识、新的健康安全规范以及复杂的后处理步骤。由于电机领域鲜有大规模商业成功案例，众多制造商仍持谨慎态度。
技能缺口构成另一挑战。面向增材制造的设计（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专业知识。虽然可将生产外包给第三方打印服务商，但若缺乏内部技术理解，则难以实现稳定的高性能成果。
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行业协作
大学在应对增材制造相关技术与技能挑战方面发挥着关键作用。除了开发新工艺和新材料，它们还肩负着培养能够在数字设计与数字制造范式下工作的工程师的责任。
增材制造正日益以计算和算法设计方法取代传统的人工CAD设计方式。 这标志着工程师构思、设计和优化部件方式的深刻变革，产业与教育体系的全面协调尚需时日。
CWIEME柏林展等行业盛会为此协调提供了关键平台。它们使研究人员、制造商和供应商得以交流知识、识别瓶颈，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
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具，尤其在航空航天、高端汽车和船舶应用等领域。
大型增材制造系统、提升的生产效率以及更高的工艺可重复性，将拓宽可生产部件的范围。特别是增材制造的绕组，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。它将作为互补技术，在特定需求场景下实现极致性能，同时推动更具可制造性的设计——以更低成本实现大部分效益。
从这个意义上说，增材制造不仅是制造解决方案。 它如同透镜，让电气工程界得以重新构想电机设备的潜力边界，探索其满足全面电气化未来需求的可能性。
增材制造将成为2026年5月19日至21日在柏林展览中心举办的CWIEME柏林展会的焦点领域。欲深入了解并把握行业趋势，请立即注册参观门票。
