通常来说，电机的功率范围取决于它所应用的领域：小型执行器的电机功率仅几毫瓦，而电动汽车却能达到几百千瓦。但这是极限么？答案为否。“兆瓦级电机”已经出现，它能让飞机、轮船、火车和大型工程机械更加气候友好和高效。
兆瓦级电机：铸就工业神话
兆瓦级电机是一种能够将 1 兆瓦的电能转化为动能的驱动系统。一兆瓦（MW）即百万瓦特，也等于一千千瓦，常见于工业领域的传输系统、研磨机或隧道挖掘机等大型建筑设备所需要的功率量级。
舍弗勒集团旗下专注电机开发的子公司 Compact Dynamics 总经理Johannes Klötzl解释道：“兆瓦级机器在很多情况下不是用作电机，而是用作发电机。电机将电能转化为机械能，而发电机恰恰相反。例如，在风力发电机中，转子的旋转运动的动能被转化为电力。"
20兆瓦
这是目前最强风力发电机的功率。发电厂的发电机功率远超于此，电机直径超10米，输出功率达几千兆瓦。
兆瓦级电机已经在众多领域展现出了卓越的性能和独特的优势：它效率高、扭矩大、技术相对简单，铸就了不少工业神话。
铁路猛兽：德国铁路103型电力机车（BR103）于1970至2003年间服役，搭载6个兆瓦级电机，总输出功率高达7,440千瓦，至今仍保持世界上功率最大的一体式电力机车这一记录，也是德国铁路线上使用过的动力最强的车辆。
海上巨轮：豪华邮轮"玛丽皇后2号"（RMS Queen Mary 2）在船底螺旋桨吊舱中搭载了4台与人同高的21.5兆瓦吊舱电机，总功率足以支撑一座30万人口城市的用电需求。
无论是小型还是大型电机，在基本原理上都是相同的——近200年来一直采用定子与转子之间的电磁吸引力和排斥力来产生旋转运动。唯一较大的差异在于使用寿命，正如Klötzl所说，“汽车电机的使用寿命约为30万公里（约8000个小时），而一台位置优越的风机一年就能达到这一水平。”
飞向蓝天，航空电机需克服技术难题
近年来，在全球大力推行碳减排、碳中和政策的大背景下，航空业同样呈现绿色化、电动化趋势，电动飞机迎来了发展热潮。许多用于短途航班、可搭载10名左右乘客的小型电动螺旋桨飞机已经或即将上市。Klötzl 表示，“乘用车级的电机并联使用，已经足够覆盖这类飞机所需的功率。” 不过，Compact Dynamics同样开始聚焦兆瓦级电机的开发，以应对中程飞机的动力需求。
氢动力飞机
飞机制造商空客启动氢动力飞机ZEROe项目，预计在2035年实现零排放飞行。其名为铁吊舱（Iron Pod）的推进系统包含了一个1.2兆瓦氢燃料电池系统，两个电机和冷却装置。
然而，飞机的负载循环与轮船、机车或风力发电机等相对稳定的系统全然不同。Klötzl 指出，“飞机在起飞时承受了巨大的负载，着陆时又有反向推力。此外，飞机所处的环境温度在短短一日内就会经历数次大幅变化。在10,000米及以上的高度巡航时，平流层边缘温度最低可达-55℃。兆瓦级电机必须年复一年地经历这些考验。”
Johannes Klötzl和其在Compact Dynamics的同事都清楚这样一个事实：设备与电机越大，挑战就越大。“相对轮船和风机来说，飞机对重量和空间有着更高的要求。重量越轻，所占空间越小，飞机能够搭载的乘客或货物就越多，飞行距离也越长。在一个效率上分毫必争的领域，这些因素至关重要。”这是Klötzl与飞机工程师多次交流后得到的结论，“难点在于，既要保证航空兆瓦级电机有超高输出功率，也要控制它们的重量和尺寸。”
超高转速的核心：材料与热管理
提高输出功率一个关键在于提升电机速度，“功率=转速×扭矩，但增加扭矩会提升重量和所需空间，” Klötzl表示。因此航空兆瓦级电机需实现每分钟数万转的转速来输出足够动力，但材料所能承受的离心力极限、如何散热冷却等难题成为了悬顶之剑。
“功率=转速×扭矩，但增加扭矩会提升重量和所需空间。”
—— Johannes Klötzl
舍弗勒集团旗下子公司 Compact Dynamics 总经理
一方面，超高转速下的离心力限制了材料的选择范围。“组件必须更小、更轻以防分崩离析。这就给支撑传动的轴承部件带来了巨大挑战。”当然，变速箱或许能解决部分问题，但以牺牲设计空间和重量为代价。
另一方面，更高的功率也意味着更多的电流，即更多的热量，这就关系到开发过程中的另一个关键要素：热管理。用于冷却的额外组件同样占用空间并增加重量。无论是普通储能电池还是燃料电池，都面临着同样的热管理难题。
面向现实：采用合理的驱动技术方案
考虑到输出功率与重量、尺寸和稳定性之间的复杂博弈，尤其在大功率兆瓦级电动飞机电机领域，Klötzl表示：“尽管Compact Dynamics通过使用新的制造工艺、先进的材料、高效的热管理和更好的电子控制器，已经实现了越来越高的电机功率密度，但即使以当今业界顶尖水平而言，输出功率不可能无限扩展。比起把电机越造越大，更现实合理的方案是通过多个体积更小的单元去输出所需要的动力，或者走其他技术路线，例如为内燃机寻找可持续的燃料。”
Schaeffler
除了技术难题需要攻关，还有来自监管层面的挑战，“在航天领域，你必须确保每个螺栓、每个连接器、每个组装部件都是合格的。审批工作量很大，一定程度上导致在技术开发上采取保守主义。”
超导体：未来电机发展的突破性技术
面对航空电机领域，超导技术的研究或许可以弥补高功率和低重量之间的两难。Klötzl明确道：“就大幅提升驱动电机的功率和效率而言，超导体确实可以称为一项突破性的技术。”由于这类材料的电阻趋近于零，因此在不扩大横截面的前提下，超导体的载流能力比当下常用的铜线大得多。这也让兆瓦级电机可以保持紧凑和轻量化。
这项技术最大的问题是：要大规模使用超导体还是成本太高、技术太复杂了。目前，超导体只能在极低气温和/或千兆帕级（超过正常气压的100万倍以上）的高压环境下工作。
风力发电机行业正在测试一种通过氦气冷却到零下269摄氏度的超导导线，其优势是冷却所需要的能量可以直接在现场产生。船舶领域也取得了一些初步的、令人印象深刻的进展：美国诺思罗普·格鲁曼公司（Northrop Grumman）在2022年成功通过了世界上第一个36.5兆瓦高温超导体船舶推进电机的测试。这里“高温”一词或许惹人误解：毕竟在超导体的研究领域，零下243摄氏度就足以被称为“高温”了。其优势在于，这种 “超级冷冻 ”方式消除了大功率传统电机在正常运行时所承受的热负荷。毫无疑问，诺思罗普·格鲁曼开发的“猛兽”是强大的：除了此前提到的36.5兆瓦功率，它能以120转/分钟的速度输出290万牛米的扭矩。
这项研究的目的就是找到一种在成本和技术方面都能适合量产的超导材料。“这将把驱动电机的发展带到新的高度，” Johannes Klötzl说，“不过，传统技术方面取得的进步也为兆瓦级电机成为工业和环境转型的关键支柱提供了潜力。”
关于Compact Dynamics
舍弗勒旗下电驱动技术专家
位于施塔恩贝格的舍弗勒子公司Compact Dynamics GmbH是电驱动领域的技术专家。无论是单件生产、小批量生产（多达1000件），还是与舍弗勒集团协作进行大批量生产；无论是赛车队、汽车制造商还是供应商；无论是寻求卓越概念的梦想家，还是研究和预开发项目的合作伙伴：25多年来，Compact Dynamics一直为来自赛车运动、航空、电动出行、海事和工业领域的全球客户提供服务。该公司还为一级方程式赛车、电动方程式赛车、世界拉力锦标赛和耐力赛（如勒芒24小时耐力赛）开发驱动系统和发电机/电动发电机组。
