扶摇直上九万里——华涧新能源应用超高速电机技术助力低空经济

2024年10月31日，在嘉定区低空经济产业化与高质量发展大会上，华涧新能源联合创始人兼总经理周磊指出，随着电动汽车技术的成熟，电机电池和电控技术为飞行器电动化提供了可能。然而，电池能量密度仍是限制电动飞行器航程的主要瓶颈。

华涧新能源基于高速电机技术，提供用于增程的高速发电机，有效提升了电动飞行器的航程和载重能力。华涧新能源也推出了小体积、高能效的超高速离心压缩机，为电动飞行器提供了更高效的制冷解决方案。周磊展示了公司在高速电机所达到的行业先进水平，其转速最高可达每分钟25万转，功率密度达15千瓦每千克。 

周  磊｜华涧新能源联合创始人兼总经理

以下为演讲内容整理：

更远：高速发电助力增程

近年来，飞行器的电动化得到了迅速普及。特别是随着电动汽车的快速发展，电机、电池和电控技术日益成熟，且成本降低。这极大地促进了低空飞行器的发展。根据国际逻辑推断，包括航空在内的整个交通系统，其碳排放需控制在一定范围内。美国NASA也计划使用电动化技术，商用飞机因此将大幅降低碳排放，甚至可达90%。

行业对飞行器电动化持乐观态度，并做出了积极预测。从2025年起，飞行器的电动化功率将从几十个千瓦增长至几百个千瓦，甚至上千万千瓦。尽管其中存在不确定性，如电池密度等，但整体而言，行业对其发展前景充满信心。特别是参考特斯拉电动汽车过去十几年的发展趋势，人们对电动飞行器的发展也给予了高度评价和期望。

然而，我们也不得不正视其面临的瓶颈。 目前电池的能量密度是限制电动飞行器航程的主要因素。无论是电动汽车还是电动飞行器，其能量密度均约为200-300瓦时/公斤，与传统航空燃油的一万多瓦时/公斤相比，差距巨大，这极大地限制了电动飞行器的行驶里程。

因此，人们开始思考如何在保留电动化优势的同时，增加其续航里程。增程器，特别是分布式混合电推系统，成为了解决方案。纯电推进系统由一套电池带动分布式电机驱动功能。而混合电推系统则通过增加航空发动机来产生电能，为驱动电机提供电能，这一概念与电动车中的增程式概念相似。基于现有技术条件，油电混合电推的功率密度约为纯电的三倍左右，能在有限条件下有效提高飞机的航程。

目前，新能源航空器包括混合动力和纯电动两种类型。纯电动航空器主要适用于300公里以内的航程。而在300公里以上的航程中，混合动力，特别是分布式增程方案将占据较大比例。

例如，某项目通过高速电机增程器的应用，在飞机机身重量、起飞重量和动力源重量不变的情况下，最大载重从原来的15公斤增加到了19.2公斤，即增加了约25%。或在15公斤载重不变的情况下，飞行时间从25分钟增加到了60多分钟。

在另外一个项目中，原纯电动版本的电池重量为510公斤，而通过使用增程器，电池重量降为了21公斤，即使考虑增程器的重量，仍能省下的约300公斤的重量转化为了额外的载重能力。如果载重不变，则可以提供额外的约8小时续航时间。这充分展示了高速电机技术在提高电动飞行器载重或续航里程方面的有效性。

将高速电机应用于飞行器的增程系统，可以实现电机与航空发动机的直连，省掉了中间的变速机构。另一方面，由于电机自身速度的提升，其功率与能量密度得到进一步增强，而体积和重量则相应减少。采用华涧新能源高速电机技术的APU系统重量较传统系统减轻了约42%左右，电机功率密度可达15千克每公斤。对于飞行器而言，每一分重量都至关重要，这一减重对于提升飞行器的载重能力及续航里程具有显著帮助。

更轻：离心制冷紧凑安静

在介绍了如何让电动飞行器飞得更远后，接下来我们将探讨如何使其变得更轻。除了续航里程外，热管理也是飞行器设计中的重要参数。与电动汽车相似，电动飞行器同样需要考虑电池、电机及乘员舱的温控需求，即对其三电系统及乘员舱进行温度控制。

相较于传统电动汽车，电动飞行器具有更大的制冷需求，主要因为其电池功率及放电速率均高于电动汽车。

在温控领域，常见的制冷压缩机方案主要有几种。目前地面交通领域常采用涡旋式压缩机。涡旋式压缩机通过动盘与静盘之间的回转产生压缩作用，实现制冷功能。然而，当前车载涡旋压缩机的功率往往无法满足飞行器的更大的制冷需求。

为了解决大制冷量需求与体积重量的矛盾，华涧新能源推出了离心式解决方案——超高速离心压缩机。与常见的涡旋压缩机相比，其主要差异在于转速和油润滑系统。常规涡旋压缩机转速约为每分钟7000转，而我们的产品则高达每分钟25万转。此外，华涧的压缩机为无油系统，带来了诸多额外优势。

高速离心压缩机的基本结构包括高速运转的转子，在气浮轴承支撑下零摩擦运行，驱动冷媒从入口进入后经过多级压缩后排出，实现高效制冷。同时该压缩机还可作为热泵工作，为冬季制热提供了良好基础。该压缩机体积小巧，仅比一瓶可乐稍大，但凭借25万转的超高转速，其重量较同等制冷量的涡旋压缩机减轻了约40%，对于飞行器而言具有重要意义。  

华涧新能源离心制冷压缩机，适用于低空飞行器与新能源汽车

华涧在制冷压缩机领域并非初涉，而是已开发了一系列产品。刚才所述的是我们近期研发的两款15kW冷量级产品，它们适用于新能源汽车与飞行器领域。华涧还拥有一系列30~400kW冷量级产品，已广泛应用于电化学储能系统及数据中心的热管理。

华涧新能源超高速离心制冷压缩机在效率与体积方面展现出的优势，可以概括为“更快、更强、更高”。

首先，“更快”体现在其转速上，约为常规产品的30倍，叶轮线速度已接近子弹速度。 

其次，“更高”体现在节能效果上。我们的产品在数据中心、储能等领域的应用中，相比同类产品节能约30~50%。在飞行器与车辆领域的应用中，也达到了相近的节能效果。这主要得益于我们的气浮无油悬浮技术以及离心压缩机的补气增焓应用。

再者，“更高”还体现在功率密度上。在工业领域应用中，我们的压缩机体积相比传统产品减小了约80%。在飞行器与车辆应用中，也能将传统方案体积减小40%，这一成果极为显著。同时，其制冷能力提升了44%，且由于无油设计，避免了润滑油在低温下凝固、高温下变稀等导致的性能限制，特别适用对低温与高温环境有性能要求的场景。

此外，华涧的产品采用气悬浮设计，工作过程中无摩擦，从而拥有更长的使用寿命。而且，一旦悬浮起来，压缩机运行变得非常安静。传统压缩机的噪音通常在75分贝左右，而我们的无油气浮压缩机实测噪音仅为58分贝，非常适合电动化应用场景下对噪音要求越来越高的终端市场。

更快：华涧新能源及其高速电机技术简介

关于高速电机的评价标准，行业内存在若干定义。一种简单直观的定义是根据转速或线速度来区分。也有更全面的评价综合考虑电机的转速与功率，形成的系数指标来评价电机性能，这一综合考量方式更为科学。

根据这一综合评价标准，我们可以看出当前行业内高速电机的发展水平。在特定功率下，达到特定转速即代表较高技术水平。华涧新能源开发的一系列用于增程系统的高速发电机及热管理的离心压缩机，在行业内均处于最高技术水平。 

高速电机所面临的主要挑战可概括为以下几个方面：首先是其高速电磁设计与热设计的复杂性，以及高速运转产生的磁滞损耗的优化问题；其次是电机的模态分析与强度设计，尤其是当电机的转速从原先的七千余转提升至二十余万转，即转速增加了近三十倍时，离心力增至原来的九百倍，这对转子的结构设计强度提出了极为严苛的要求。

华涧新能源公司孵化于主板上市公司华培数能，依托上市公司在精密加工与集成电路制造领域的深厚基础，成功开发出一系列高速离心产品。公司的生产主要集中在无锡、上海和武汉，同时也在墨西哥和法国设有业务，正积极拓展海外市场。公司的销售网络遍布全球，亚洲、欧洲和美洲各占约三分之一的市场份额。

华涧新能源的核心竞争力在于其从上至下的垂直整合能力。在高速电机的研发过程中，核心的流体动力学、电机、控制器及关键材料成型等均自主完成。华涧的核心团队由一批来自主机厂和热管理领域的资深工程师组成，他们拥有丰富的行业经验和深厚的专业技术。

在过去的四年多时间里，华涧团队申请了近四百项知识产权，其中发明专利占比高达40%。这些成果的取得，充分展示了团队在技术研发和创新方面的实力。

华涧新能源凭借高速电机的技术优势，成功开发了用于电动飞行器的增程器高速发电机和高速离心压缩机，为电动飞行器的远程飞行和高效热管理提供了有力支持。我们致力于帮助飞行器飞得更远、更轻盈。在此，借用古诗“大鹏一日同风起”的意境，祝愿大家也能如大鹏一般扶摇直上九万里，飞得更高、更远！

（以上内容来自华涧新能源联合创始人兼总经理周磊于2024年10月31日在嘉定区低空经济产业化与高质量发展大会发表的《扶摇直上九万里——华涧新能源应用超高速电机技术助力低空经济》主题演讲。）