高功率密度電機綜述

Shaofeng Jia*,1; Yuchen Xu1; Jun Lin1; Deliang Liang1; Ronghai Qu2; Jinjun Liu1

1.Xi'an Jiaotong University, Xi'an, China

2.Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, China

S. Jia, Y. Xu, J. Lin, D. Liang, R. Qu and J. Liu, "Overview of High Power Density Machines," in CES Transactions on Electrical Machines and Systems, Vol. 9, No. 4, pp. 390-406, December 2025, DOI: 10.30941/CESTEMS.2025.00030.

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內容

本文系統梳理了高功率密度電機（HPDMs）的關鍵實現策略，如圖所示的多物理場耦合機制決定了關鍵性能指標，并限制了電機設計的靈活性。

這篇綜述系統地探討了克服這些限制的三種技術途徑：

1）基于先進理論的電磁設計；

2）針對性的高效熱管理策略；

3）兼顧結構強化及先進制造工藝的機械優化方法。

首先，文章概述了高功率密度電機的產業化需求以及提升功率密度的理論基礎，

1.定性建立并分析了功率密度的理論模型

2.以電動汽車與航空航天領域為典型代表，梳理并總結了高功率密度電機的現狀與需求

在電磁設計方面，文章分析了

1.電磁拓撲設計中的熱-電磁、機械-電磁耦合約束

2.基于磁場調制理論、磁阻調控理論、功率貢獻度理論、軸向磁通分布等新型電磁理論指導的拓撲設計

3.基于多物理場的HPDMs電磁優化進展

4.超導電機及新型鐵芯材料電機的核心性能指標及局限性

在熱管理方面，文章總結了

1.熱管理中的電磁-熱、機械-熱耦合約束

2.定子、繞組、轉子等關鍵部件的針對性熱設計及強化冷卻策略

3.電動汽車及航空航天電機的系統級熱管理方案及性能指標

4.相變材料、智能熱監測與控制系統等先進熱管理技術的研究進展

在機械與結構設計方面，文章回顧了

1.機械結構設計中的電磁-機械、熱-機械耦合約束；

2.磁橋與磁肋的設計優化、轉子護套設計與材料優化

3.增材制造技術在鐵芯、線圈與絕緣材料、永磁體等部件制造過程的應用

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亮點

本文基于最新的文獻材料，系統梳理及分析了多物理場耦合下高功率密度電機最具代表性的核心技術及其發展趨勢，并對未來高功率密度電機系統的發展的趨勢進行了概括性的思考、總結與展望。

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思考

1.現有的模型過于簡化高功率密度電機系統的多物理場耦合過程，缺乏對其強非線性特性的有效分析。綜合的設計框架可以在系統層面量化多物理場之間的強耦合對電磁設計、熱管理能力和結構穩定性的影響。

2.需進一步推進先進電磁理論發展，以指導針對性和精細化的磁路設計，并可結合先進的控制策略充分發揮性能潛力。

3.高負載條件下熱瓶頸仍然存在，可進一步將高導熱材料、高效的冷卻結構與溫升預測控制相結合，以實現可靠、高效的熱管理能力。

4.未來工作應追求結構設計與先進材料的協同優化，通過輕量化拓撲優化與增材制造技術，在提升功率密度的同時，確保電機系統的結構可靠性。

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團隊介紹

西安交通大學電氣工程學院梁得亮教授團隊，現擁有教師10余名、碩博研究生70余名。是中國電工技術學會直線電機專業委員會副主任委員，磁場調制電機、永磁電機、科技傳播與出版等專委會委員所在單位。多年來在電機及電磁裝置集成設計、特種電機理論與控制、精密運動控制與磁懸浮技術、先進變壓器等領域進行了大量的研究，取得了豐碩成果。團隊主持和參與了國家自然科學基金重點項目、原創項目、面上項目、國家重點研發計劃課題等。部分研究成果已經在風電、航空、機器人、煤礦等領域推廣應用。

團隊成員賈少鋒教授及所指導的研究生

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作者介紹

賈少鋒（IEEE Senior Member），出生于陜西省。他于2012年獲得西安交通大學電氣工程學士學位，并于2017年獲得華中科技大學電氣工程博士學位。 他目前是西安交通大學電氣工程學院教授。擔任IEEE JESTPE期刊副編輯。他已發表或合作發表約100篇IEEE技術論文。他的研究興趣包括新型與特種電機系統的設計與控制。

徐宇晨，出生于福建省。他于2024年獲得華北電力大學新能源科學與工程學士學位。目前，他正在西安交通大學攻讀電氣工程碩士學位。 他的研究興趣集中在永磁電機設計領域。

林俊，出生于湖北省。他于2023年獲得西安交通大學工學學士學位。目前，他正在西安交通大學攻讀電氣工程博士學位。 他的研究興趣包括雙饋感應發電機和永磁電機的設計。

梁得亮（IEEE Senior Member），分別于1989年、1992年和1996年獲得西安交通大學電氣工程學士、碩士和博士學位。自1999年以來，他一直在西安交通大學電氣工程學院任教，目前是該學院的二級教授。2001年至2002年，他曾在日本東京的Science Solution International Laboratory擔任訪問學者。 他的研究領域包括電機優化設計、控制和仿真以及可再生能源領域的電機技術。

曲榮海（IEEE Fellow），分別于1993年和1996年獲得清華大學電機工程學士和碩士學位，并于2002年獲得美國威斯康星大學麥迪遜分校電機工程博士學位。他目前擔任新型電機國家與地方聯合工程研究中心主任，以及中國武漢華中科技大學先進電機與驅動中心（CAEMD）主任。2003年至2010年，他曾在美國紐約州尼斯卡尤納的通用電氣（GE）全球研究中心電機與驅動實驗室擔任高級電氣工程師。2010年，他加入華中科技大學。2012年至2016年，他擔任華中科技大學電氣與電子工程學院副院長。他的研究方向包括電機設計和驅動。他已發表400多篇技術論文，其中包括14篇IEEE獲獎論文，并擁有170多項專利。

劉進軍（IEEE Fellow），于1992年和1997年分別獲得西安交通大學電氣工程學士學位和博士學位。 他任職于西安交通大學電氣工程學院。1999年底至2002年初，他在美國弗吉尼亞州布萊克斯堡的弗吉尼亞理工學院暨州立大學電力電子系統中心擔任訪問學者。2002年底，他晉升為教授，并擔任西安交通大學電力電子與可再生能源中心主任。該中心目前擁有30多名教職員工和約300名研究生，是中國領先的電力電子研究機構之一。2005年至2010年初，他擔任西安交通大學電氣工程學院副院長；2009年至2015年初，擔任西安交通大學本科生院院長。他目前是西安交通大學教授。他合著了三本專著（包括一本教材），在同行評審期刊和會議論文集上發表了500多篇技術論文，并擁有包括90多項發明專利（中國/美國/歐盟）。他的研究興趣包括電力轉換器和電力系統的建模、控制、設計方法以及可靠性評估和監測，電力電子的電能質量控制和應用，以及用于可持續能源和分布式發電的微電網技術。

《中國電工技術學會電機與系統學報（英文）》(CES TEMS)是中國電工技術學會和中國科學院電工研究所共同主辦、IEEE PELS學會技術支持的英文學術期刊。期刊發表國內外有關高性能電機系統、電機驅動、電力電子、可再生能源系統、電氣化交通等研發及應用領域中原創、前沿學術論文。中國工程院院士馬偉明擔任主編，IEEE的執委Don Tan博士為國際主編。目前已被ESCI、EI、Scopus、 Inspec、Google scholar、IEEE Xplore、中國科學引文數據庫(CSCD) 核心版、DOAJ、CSTPCD、知網、萬方、維普等數據庫收錄。

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