從材料強度的倍增到五大系統的協同作用，性能極限的每一次突破都源自於可分解和可複製的工程邏輯。

30,000 rpm 馬達的量產標誌著材料科學、電磁設計、熱管理、精密製造和控制演算法等領域工程技術的飛躍式發展。 PUMBAAEV 透過轉子材料強度增加一倍、採用雙層 U 型磁體拓撲結構、10 層不等距髮夾式繞組、超薄矽鋼片以及自主研發的 1500V SiC 晶片，系統性地重新定義了高性能永磁馬達驅動技術的邊界。

技術的邊界永遠超越下一個迭代。對工程師來說，這個案例的價值在於：每一個看似「極端」的性能指標背後，都存在著可分解、可複現的工程方法。

1 概述：高速的核心價值

隨著新能源汽車的廣泛應用，使用者對賽道場景和持續高速行駛的需求顯著增加。傳統汽車馬達在6000轉/分左右存在一個功率“拐點”，在恆功率區間扭矩持續衰減，導致時速超過120公里/小時的高速超車時加速感明顯減弱。

PUMBAAEV公司研發了一種轉速可達30,000轉/分的馬達驅動單元。其核心優勢不僅限於效能提升。從系統工程的角度來看，在相同的目標輸出功率下，將轉速從12,000轉/分提升至30,000轉/分，可以大幅減少馬達活性材料（銅、稀土磁體、矽鋼）的使用量。

根據 AVL 研究數據，轉速加倍可減少鐵心材料的使用量約 40%，從而實現體積、重量和成本的協同優化。

2 轉子系統：五大核心工程挑戰

在高速馬達中，轉子是最脆弱但至關重要的子系統。在30,000轉/分的轉速下，轉子外緣的離心加速度超過40,000g。任何設計缺陷都可能導致災難性故障。克服這項挑戰需要在五個技術領域取得突破。

挑戰一：材料強度翻倍，從 450MPa 提升至 1000MPa 高強度矽鋼

傳統轉子疊片採用屈服強度約 450 MPa 的無取向電工鋼，足以滿足 20,000 rpm 的轉速要求。轉速超過 30,000 rpm 時，轉子外徑處的環向拉應力將超過傳統材料的屈服極限。

號工程突破路徑：號

• 號材質升級採用高強度電工鋼（HS-ECS），提高抗拉強度至≥1000兆帕——是傳統產業水準的兩倍以上。

• 號流程支援以雷射焊接取代傳統的鉚接進行疊層連接，增強層間結合力，防止高速運轉時分離。精密外徑磨削實現了公差為±3微米，確保轉子圓度。

挑戰二：磁性固定，採用高膨脹黏合劑製程防止失效

嵌入轉子槽內的永久磁鐵在高速運轉時會受到強烈的離心衝擊。傳統的單面點黏製程在高速運轉時容易產生應力集中；在極端情況下，磁鐵可能從槽壁脫落甚至彈出，導致災難性故障。

關鍵技術：採用高膨脹率黏合劑塗層。固化後，塗層體積膨脹5倍以上，在磁鐵上下表面形成均勻的黏合界面，與點黏相比，顯著改善應力分佈。此塗層材料必須能夠承受180°C以上的高溫，其熱膨脹係數與磁鐵相符（~10×10⁻⁶/°C），且固化後剪切強度≥15 MPa。

挑戰3：轉子拓樸結構，雙層U形磁鐵排列優化磁路與強度

PUMBAAEV 採用「雙層 U 型」內部永久磁鐵 (IPM) 拓撲結構：一個內部 U 層疊加一個外部 U 層，每一層的磁鐵進一步分為多個部分。

號核心優勢：號

• 號扭力增強：最大化 q 軸/d 軸磁阻差，在不增加額外磁鐵材料的情況下，將峰值扭力提高約 10%。

• 號應力分佈分段式結構將應力分散到多個獨立單元中，防止整體式磁鐵塊開裂，並減輕磁化製造的挑戰。

• 號NVH優化雙U拓樸結構與斜槽設計結合，將基波氣隙磁通密度的總諧波失真(THD)控制在5%以下，抑制了高次諧波。

高速馬達轉子結構示意圖，圖中顯示了雙層U形磁鐵和分段式設計。

挑戰 4：高速動態平衡，殘餘不平衡抑制在 50 毫克以內

在 30,000 轉/分的轉速下，即使是微小的不平衡也會產生數百公斤的離心力。 PUMBAAEV 將殘餘不平衡量從典型的產業水準 ≤150 降低到更低的程度。 毫克至≤50毫克，減少了67%。

號動態平衡過程鏈粗加工 → 磁鐵熱組裝 → 初始平衡 → 精密加工 → 高速全速域動態平衡驗證（測試轉速為 30,500 rpm）。透過在端蓋上銑削減重孔來校正不平衡，精度為 ±1 mg。熱衝擊循環後的二次驗證確保了組裝後的穩定性。

挑戰5：臨界速度設計，15%安全裕度

當運行速度接近轉子的第一彎曲臨界速度時，振動會急劇放大。 PUMBAAEV 將第一彎曲臨界速度設計為 號35,000 轉速比最大額定運轉速度高出約 15%，從而提供了足夠的安全裕度。

實施路徑：增加軸承支撐跨距和預緊力以增強軸的彎曲剛度；同時使用氮化矽（Si₃N₄）陶瓷軸承，以在更高的 DN 值（速度 × 孔徑）下保持軸承剛度，同時提供防止軸電流腐蝕的天然絕緣。

3 定子與熱管理：協同解決高頻損耗問題

轉速達到 30,000 轉/分時，電頻率達 500 赫茲。傳統繞組中的趨膚效應會導致交流銅損激增，因此需要髮夾式繞組和直接油冷相結合的解決方案。

髮夾式繞組：10層不等距設計優化交流/直流銅損比

矩形截面扁線的銅填充率可超過 60%，遠高於圓形導線的 40-45%。 PUMBAAEV 的超級馬達定子採用 10 層不等距髮夾式繞組，每層銅帶的厚度各不相同。

• 號外層較薄在槽口附近，它們優先承載高頻電流成分。

• 號內層較厚：在插槽底部附近，它們主要承載直流分量。

該設計將交流/直流銅損耗比控制在 1.15 左右（行業典型值為 1.3-1.5），而不等的層間隙優化了冷卻油的流動橫截面。

核心材質：超薄疊片大幅降低高頻鐵損

鐵芯損耗隨頻率增加而增加。在 500 Hz 時，傳統 0.35 mm 矽鋼片的損耗會急遽上升。 PUMBAAEV 採用厚度 ≤0.2 mm 的超薄高頻電工鋼片，與 0.35 mm 鋼片相比，在 500 Hz 時可將鐵芯損耗降低 40-50%。較薄的疊片也增加了單位體積的散熱表面積。

冷卻系統：直接油冷實現高效散熱

定子在 30,000 rpm 轉速下的熱密度極高，遠超傳統外殼冷卻的能力。 PUMBAAEV 將冷卻油道整合在定子槽內，使冷卻油能夠在繞組間流動，從而實現與銅繞組的直接接觸冷卻。

號三重熱協同作用：

1. 號超薄覆膜減少鐵損耗並增加表面積。

2. 號不等距髮夾優化冷卻油流道。

3. 號直接油冷卻：提供直接接觸式冷卻。測量結果表明，穩態繞組溫差可控制在 5°C 以內，峰值溫度降低約 40°C。

4. NVH 控制：電動時代的靜謐追求

由於電動車的背景噪音較低，馬達噪音變得更加明顯。轉速 30,000 轉/分時的 500 赫茲基頻及其諧波落在人類聽覺最敏感的頻率範圍（500-4000 赫茲）內。

號主要噪音激勵源：

• 號電磁力諧波：由氣隙磁通量密度的空間諧波產生（由磁鐵形狀、繞組結構決定）。

• 號逆變器脈寬調變諧波開關頻率及其倍頻會引入電流波形諧波，進而激發磁力諧波。

• 號機械不平衡轉子殘餘不平衡會產生 1 倍旋轉頻率 (500 Hz) 的激勵，必須將其與軸承和殼體共振頻率分離。

號三重NVH控制策略：

1. 號電磁優化對槽形、傾斜角等進行多目標最佳化，以最小化電磁力諧波（例如6N階）的振幅。採用高精度螺旋堆疊實現傾斜。

2. 號結構加強與隔震：增強電驅動單元的整體剛度（外殼加強筋），使共振頻率遠離工作頻段；在安裝點使用高效隔振襯套，以減少通過結構路徑的振動傳遞。

3. 號高精度動態平衡殘餘不平衡量≤50mg可確保在1X（500Hz）激勵下的振動加速度

5 控制與電力電子：碳化矽晶片的關鍵作用

高頻和高效率是高速馬達的固有要求，直接取決於控制和功率裝置的進步。

公司自主研發的1500V SiC晶片是一項核心突破。與傳統的IGBT相比，SiC MOSFET具有以下優勢：

• 號更高的開關頻率支援更高的馬達轉速（電頻率）。

• 號降低轉換損失提高系統效率，尤其是在高速區域。

• 號更高的電壓額定值1500V 額定電壓為 800V 平台和未來發展提供了安全裕度。

控制演算法必須與馬達深度匹配，以確保在高速弱磁區穩定運作並達到最佳效率。

06 挑戰與未來發展

現有技術瓶頸

• 號材料成本高強度電工鋼和特殊塗層比傳統解決方案貴 20-30%。

• 號矽鋼極限較薄的疊片可以降低鐵損，但會降低剛度；鐵損與剛度之間的權衡是一個核心挑戰。

• 號軸承壽命可靠性：超高DN值的高速陶瓷軸承的全壽命週期可靠性需要更多的道路測試數據。

• 號SiC供應鏈內部 SiC 晶片（尤其是 4H-SiC 基板）的良率和成本是實現產業化的關鍵障礙。

未來技術發展路徑

• 號新材料非晶態/奈米晶態軟磁性材料的鐵芯損耗比矽鋼低約 60%，是下一代定子鐵芯的首選材料，但脆性材料的加工仍面臨挑戰。

• 號新拓撲軸向磁通馬達（AFM）的圓盤狀結構天然適合高速運轉，一些原始設備製造商（OEM）已將其納入發展路線圖，其理論功率密度比徑向磁通馬達高 20-40%。

• 號整合熱管理在定子和逆變器功率模組之間共用冷卻油，可降低約 30% 的熱阻，並簡化系統架構。

• 號人工智慧驅動的設計意圖多物理場協同模擬（電磁-熱-結構-NVH）與人工智慧/最佳化演算法結合，有可能將高速馬達開發週期從 24 個月壓縮到 12 個月以內。

技術的邊界永遠超越下一個迭代。 3萬轉/分電機的量產標誌著一個由系統工程方法、深度垂直整合和極致工程思維驅動的新技術週期的開啟。