颠覆性电机：无需金属线圈即可运行

韩国科学技术研究院（KIST）的科学家们开发出一种新型轻质、高导电性的碳纳米管（CNT）导线，完全取代了铜和铝。他们利用一种名为“溶致液晶辅助表面织构化”（LAST）的工艺，制造出芯鞘复合电缆（CSCEC）。这种电缆不仅导电，而且柔韧，最重要的是极其轻便。

每根CSCEC导线（含绝缘层）仅约0.3毫米厚。具体来说，其导体芯直径约为256微米，鞘层厚10微米。这大约相当于一张名片的厚度，却仍能为旋转的电机供电。

迄今为止，这些CSCEC导线已足以替代一辆模型车上基于碳纳米管的小型电机的所有铜线圈。

KIST的金大润博士表示：“通过开发前所未有的新型碳纳米管高质量技术概念，我们得以最大化碳纳米管线圈的电气性能，从而驱动无需金属的电机。”

关键就在于LAST工艺。利用溶致液晶（一种具有液体流动性但保留晶体方向有序性的物相）有助于将原本聚集的单个碳纳米管排列并分离。结合化学冲洗，该工艺还能去除制造过程中产生的金属催化剂杂质，同时保留使碳纳米管如此独特的关键一维纳米结构。

LAST工艺将导电率提升了130%以上，大幅减轻了重量，并保持了CSCEC性能的长期稳定。

在关乎效率、电池寿命、续航里程以及一切“更远、更快、更高”等指标方面，重量至关重要。

传统的电机虽然通常比内燃机（ICE）轻得多，但仍然相对较重。其中相当一部分重量可归因于定子中的铜绕组，更不用说车辆线束中所有相关的铜导线了。

KIST的最新进展虽特指电机应用，但人们希望这项技术也能应用于通用电气布线。

以纯电动汽车（BEV）为例：特斯拉Model S的前电机重约70磅（31.8公斤），后电机重约80磅（36.3公斤）。其中约25%的重量来自铜绕组。如果改用CSCEC导线，前后电机的总重有望从150磅（68公斤）降至约115磅（52.2公斤）。

对于一辆自重已达4561磅（2069公斤）的汽车来说，这似乎不算巨大减重，但还需考虑转动惯量的降低。更小的旋转质量意味着更快的加速响应、更好的油门响应、更高效的扭矩传递以及更低的机械损耗。热负荷也会降低，因此冷却系统可以做得更小更轻。这是一个连锁效应，最终只会带来更长的电池寿命和续航里程。

当然，以上只是基于特斯拉实际数据的假设。然而，KIST测试其电机时使用的电压仅为2-3伏，功率3.5瓦 —— 远低于任何大于儿童玩具的实际电动汽车的功率水平。

既然我们已在进行假设性探讨，不妨再进一步推测：虽然没有公开数据显示Joby（空中出租车公司）的实际用铜量，但据合理推测，其所有冗余系统的线束重量可能在200-300磅（91-136公斤）之间。它有六个电机，每个电机的铜绕组可能重约30-40磅（13.6-18.1公斤），总计180-240磅（81.6-108.9公斤）。

再次强调，KIST目前仅讨论了低压电机绕组。但如果研究人员能够将CSCEC应用于高压和通用布线领域，我们谈论的将是让世界领先的空中出租车减重300-500磅（136-227公斤）。我敢打赌，如果你问任何一位Joby工程师是否愿意让他们的电动垂直起降飞行器（eVTOL）减重四分之一吨，他们很可能会震惊地看着你，然后立刻表示同意。

回到现实世界，迄今为止的研究还存在一些其他限制和注意事项。

即使在经过LAST工艺处理后，碳纳米管导线的原始电导率仍无法与铜媲美（约7.7兆西门子/米 vs 铜的59兆西门子/米）。在相同物理尺寸和电压下，流经碳纳米管导线的电流更小，导致输出功率降低。例如，在KIST的研究中，基于碳纳米管的电机最高转速为3420 RPM，而同等铜电机达到了18120 RPM。

但是，碳纳米管电机的导体芯重量仅为铜电机的五分之一。这意味着其“比转速（一个重要的航空指标，在该领域中重量通常比力更重要）”仅比铜低约6%。因此，在单位重量性能方面，碳纳米管并没有落后铜太多。

其次是成本问题。专用的碳纳米管芯鞘复合电缆的制造成本可能高达每公斤375-500美元，而铜的成本相对低廉，仅为每公斤10-11美元。

而且，你也无法简单地在现有产品中将铜直接替换为碳纳米管技术。工程师们必须从头开始重新设计一切，以适应新型绝缘材料和绕组几何结构。

研究人员表示，更多的微调 —— 如优化聚合物鞘层或更好地排列碳纳米管 —— 可以提升导电率，进一步缩小与铜的差距。

尽管碳纳米管能显著减轻材料质量，但其制造过程也带来了沉重的环境代价 —— 大多数碳纳米管仍由化石燃料通过高能耗工艺制造，并产生有毒副产物，我们仍需应对。例如，LAST工艺使用氯磺酸，并在冲洗阶段产生盐酸。

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