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目前，全世界正在开发超过1000个不同型号的eVTOL。从这些eVTOL电机的设计方案来看，技术路线还远没有形成统一。从转子形式上区分有外转子式和内转子式，从驱动形式上区分有直接驱动和齿轮箱减速驱动，从电磁方案上区分有径向磁通和轴向磁通。不同的方案代表各家对eVTOL需用电机的不同理解以及整机型号的不同需求。
本文主要汇总整理了Joby S4电机的一些设计方案和资料，供大家分析讨论。首先Joby S4的电机采用的是直接驱动、外转子式以及径向磁通的设计方案。
Joby S4的定子及电机
在分析Joby S4的电机方案之前，不得不提到NASA主导的X-57 Maxwell全电动飞机项目，当时Joby公司是该项目电机的合作伙伴（或供应商）。可以说目前S4飞机所用电机的技术路线大部分是沿用Joby公司为X-57项目开发的电机方案。
X-57 Maxewll全电动飞机
巡航电机由Joby公司开发
从上图可以看出，X-57翼尖的动力短舱和Joby S4的可倾转动力短舱非常相似。当时在电机设计上，Joby同时验证了内转子、外转子以及内外双转子的构型。最终装机的方案选择了外转子构型，并且是风冷直驱方案。根据X-57飞机的设计需求，该电机功率级别为60kW，用于代替Rotax 912s发动机。正常巡航工况的功率为42-45kW。
Joby同时验证了内转子、外转子以及双转子构型
Joby为X-57设计的电机的最终方案
在电机冷却形式上，X-57巡航电机短舱上专门设计了风道，可以让空气流经线圈，带走热量。这一冷却方法也在Joby S4飞机上得以沿用，并且增加了风扇主动吸气的功能，进一步增加了冷却效果。
X57短舱风冷流道
再回到Joby S4电机的设计上，从整机设计的需求出发，降低噪声是其核心目标之一。因此螺旋桨（或电机）的工作转速要求非常低。事实上，对于S4这样一架起飞重量达2400kg的电动飞机而言，其螺旋桨的悬停转速才800RPM左右，巡航时的转速更是只有250RPM。相同功率下，更低的转速对应更大的扭矩。根据估算，S4单个电机在悬停时的扭矩约920Nm，轴功率约73kW。根据Joby官方公布的数据，该电机的峰值功率为236kW，峰值扭矩更是高达1800Nm，对应扭矩密度为49Nm/kg。
由此可见，对于直驱型的eVTOL电机而言，显著的设计特点是：低转速、大扭矩、高功率。另外一家eVTOL公司Archer则采用了电机+减速齿轮箱的技术路线来获得低转速大扭矩，但缺点是机械结构复杂，功率密度较低。
S4的电机为了提升低转速、大扭矩的性能，显著的设计特征是电机直径大。根据下图的比例估算，电机直径大约40cm左右。电机的中间位置还布置了逆变器、控制器、散热片以及其他附属部件，整个结构非常紧凑。
和人手对比下电机直径显得非常大
为了追求极致的效率和扭矩密度，未证实的消息称：Joby S4的电机定子铁芯采用了1J22软磁合金，永磁体的排列也可能采用了HALBACH构型。
散热设计是一款电机平稳可靠运行的必要保障。许多案例告诉我们，再先进的电机，如果没有良好的散热设计，也无法发挥其性能。电机过热也是导致eVTOL事故的常见原因之一。Joby公司在专利中公开了其电机的散热方案：采用风冷+液冷两种散热形式。
首先，电机的外转子以及电机内部设计有多路风道，电机下方有一个轴流式散热风扇。在风扇和来流空气的作用下，可以实现对电机的散热。
整个电机的散热方案
另外，电机外转子内部采用网状结构，空气可以从外转子顶部或侧壁的开口进入，流经这些网状结构，从下方出口排出，实现对转子的降温。这种网状外转子结构可以采用金属3D打印加工。
电机外转子可能采用金属3D打印
电机定子部分的散热主要通过液冷实现。液体的循环通过泵来实现。当冷却液流过电机下方的对流换热器时，整体的热量再通过空气带走，从短舱尾部的开口排出。冷却泵同时驱动一台轴流式散热风扇。在风扇的作用下，源源不断的冷空气从短舱和电机之间孔缝中流入（下图中304所示），这一设计方案算是延续之前X-57的方案。
电机和短舱中间设计有进气孔缝
但是从实际量产版本的电机上看，外转子似乎并没有采用金属3D打印，而是机加工工艺。因此，电机外转子结构内部的风冷散热可能无法实现。而其他的散热方案都得以保留。
Joby S4的量产电机
对于eVTOL电机的设计开发来说，现阶段很难统一技术路线。有外转子也有内转子，有直驱也有减速齿轮、有径向磁通也有轴向磁通。不论采用哪种方案，都必须更好地服务于整机的需求，体现出该技术路线的优势。不论是eVTOL主机厂自主研发，还是电机供应商研发，论证清楚合适的技术路线是首要任务。
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