双转子电机如何解决无人机大载重场景下的散热难题？--壹倍达电机小课堂

  首先被推到技术拷问席：功率做大了，热密度随之飙升；翼展和机舱体积却受限于起降场地与法规，无法像地面电机那样随意放大外壳、加装风道。大载重无人机必须让一台“小个头”电机长时间输出数倍于自身重量的拉力，同时把热量迅速带走，否则磁钢退磁、绕组绝缘老化、传感器漂移等连锁反应会在数分钟内出现，飞行安全无从谈起。近几年，双转子架构被频繁写入各类技术白皮书，其散热思路与传统单转子方案显著不同，本文尝试用通俗语言拆解这条技术路径，为设计端与采购端提供参考。

一、大载重无人机的“热”困境

工况更苛刻

农业植保、应急吊装、山地运输等任务普遍要求无人机在30kg-100kg 起飞重量下持续悬停或慢速爬升，电机几乎全程处于高扭矩、低转速区间，效率曲线远离最佳点，铜损、铁损占比同步升高。

空间被极致压缩

为了折叠便携和通过性，多数机型桨毂距离机身不足0.4m，电机外径被锁死；同时机臂内部还要走线、埋灯、藏折叠机构，留给散热片的“无效体积”几乎为零。

环境对流弱

悬停阶段，桨下洗气流主要沿桨尖甩出，电机外壁面附近反而出现“风影区”，表面换热系数比前飞工况下降40%以上；夜间作业或高湿度环境进一步削弱辐射散热效果。

二、单转子方案为何“治不了根”

传统外转子无刷电机把定子固定在中心轴，转子包裹在外，通过机壳旋转产生微弱离心风，但热源（定子铁芯与绕组）深埋内部，需经过气隙—转子轭—外壳三层导热，热阻链路过长。业内常用的“铝壳加鳍片”“定子灌胶”只能把热点温度延缓5-8℃，当环境温度升至45℃ 时，绕组温升仍可能突破H级绝缘限值。若强行放大线径降低铜损，又会增加重量和反电动势，陷入“功率—重量—温度”三角困局。

三、双转子架构的散热逻辑：把“热源”搬到风口

双转子电机并非简单叠加两套转子，而是在同一磁路中设置内、外两个旋转部件，定子被移至中间夹层，形成“内气隙—定子—外气隙”三明治结构。该布局带来三点本质变化：

热源外移

定子铁芯与绕组位于电机最大半径附近，距离外壳只有几毫米，热流路径缩短60%以上；外壳可直接与桨叶下洗流接触，不再需要透过转子轭传热。

双侧风冷

内、外转子旋转时，各自在气隙中产生独立环流，相当于用两套风扇同时扫过定子齿顶与轭背。实验数据显示，在相同的0.4m直径桨叶、6m/s下洗速度下，双转子方案的气隙对流换热系数可达单转子的2.3倍。

磁负荷与热负荷解耦

单转子为了提高功率，只能增加槽满率或极对数，结果热密度同步放大；双转子可在保持槽电流不变的情况下，用双侧永磁体共同励磁，分担每侧磁负荷，降低铁芯损耗，使“热—磁”曲线不再死死捆绑。

四、关键细节：如何让“风”真正吹到“芯”

定子支架镂空

中间定子需要承担扭矩输出，又要保证气流穿透。工程上常用碳纤维辐条+铝毂的混合支架，辐条宽度小于4mm，既满足结构强度，也把通风阻塞控制在8%以内。

气隙宽度动态平衡

气隙越大，风阻越小，但磁阻随之上升。经验值显示，当内外气隙各取0.8-1mm时，综合效率与散热收益最佳；若再放大到1.5mm，功率因数下降带来的铜损增量会抵消换热收益。

转子端环导流

高速旋转时，端部绕组往往是温度最高点。在转子端面增加30°倾斜角的离心叶片，可把10%—15%的气流引向端部，实测可降低端部温差12℃。

相变导热垫片

中间定子与机臂固定座之间可填充8W/(m·K)以上的相变材料，当温度超过55℃ 时材料软化，填充微观空隙，热界面阻抗下降40%，适合短时过载场景。

五、系统级验证：悬停45分钟，温升不足80K

国内某研究所曾公布一组对比实验：在55kg起飞重量、海拔1500m、35℃ 环境条件下，单转子90kV外转子电机运行20分钟后绕组温升达到108K，磁钢出现5%不可逆退磁；而同等扭矩输出的双转子75kV电机，绕组稳态温升仅76K，磁钢温升低于65K，45分钟后效率衰减小于2%，满足植保、吊运等长时悬停任务。

六、局限与未来方向

结构复杂度提升

双转子需要两套轴承、两套位置传感器，装配公差链更长，对量产一致性提出更高要求。

控制策略更敏感

内外转子惯量不同，突加负载时易出现微小速差，需要控制器实时补偿，否则会产生附加谐波损耗。

成本仍高于单转子约20%—30%

随着高剩磁低重稀土磁钢价格回落、碳纤维量产规模扩大，该差距有望缩小至10%以内。

液冷混合方案

对100kg以上超大型多旋翼，部分厂商尝试在双转子外壳内埋设微通道，结合冷却液循环，悬停时间可突破2小时，但代价是系统重量增加800-1200g，仍需在载荷与续航之间权衡。

七、写在最后

散热不是孤立学科，它像一条暗线，串联着电磁、结构、材料、控制、空气动力学等多个环节。双转子架构之所以被寄予厚望，并非因为“多一个转子”本身有多神秘，而是它用空间重构的方式，把热源搬到风能吹到的地方，让磁、热、力三场解耦，给“小体积、大扭矩、长寿命”提供了一条可量化的技术通道。随着低空经济进入规模化运营，电机不再只是“能转就行”，而是必须给出全生命周期的热安全边界。双转子方案不是终点，却为行业提供了值得深入挖掘的散热范式——先把热搬出来，再让风带走它，大载重无人机的商业天花板或许就此被悄悄抬高。

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