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【扁線專欄】扁線電機的優(yōu)點那么多,這些缺點大家都知道嗎?

發(fā)布時間:2023年7月6日 | 文章來源:旺材電機與電控 | 瀏覽次數(shù):2,323 | 訪問原文

專欄
扁線專欄
扁線電機與圓線電機的區(qū)別在于銅線的成形方式,扁線有利于電機槽滿率的提升,一般圓線電機的槽滿率為40%左右,而扁線電機的槽滿率能達到60%以上。槽滿率的提升意味著在空間不變的前提下,可以填充更多的銅線,產(chǎn)生更強的磁場強度,提升功率密度。基于目前扁線的發(fā)展趨勢,旺材電機與電控特為粉絲開設(shè)扁線專欄以便大家交流。
扁線擁有許多傳統(tǒng)繞組不可比擬的優(yōu)點,但同時扁線電機也有部分劣勢,但總體而言瑕不掩瑜。隨著技術(shù)的發(fā)展和滲透率的逐漸提升,扁線電機應(yīng)用的障礙正在被逐個化解。
應(yīng)用障礙一
“趨膚效應(yīng)”、“鄰近效應(yīng)”明顯,交流阻抗增大,高轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)換效率降低。趨膚效應(yīng)指當(dāng)導(dǎo)體中有交流電或者交變電磁場時,導(dǎo)體內(nèi)部的電流分布不均勻,且電流集中在導(dǎo)體的“皮膚”部分的一種現(xiàn)象。鄰近效應(yīng)指相互靠近的導(dǎo)體,通有交變電流時,每一根導(dǎo)體都處于自身電流產(chǎn)生的磁場中,同時還處于其他導(dǎo)體中電流產(chǎn)生的磁場中,這使得每個導(dǎo)體中電流分布都會受到鄰近導(dǎo)體影響而不均勻現(xiàn)象?!摆吥w效應(yīng)”、“鄰近效應(yīng)”都會增加交流阻抗,交流阻抗增大,高轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)換效率降低。
上圖左:趨膚效應(yīng)上圖右:鄰近效應(yīng)“趨膚效應(yīng)”并不影響扁線電機滲透率的快速提升,但工程師也已經(jīng)有改善方案:

  • 提高扁線的寬高比,間接增加扁線的比表面積;
  • 減小導(dǎo)線尺寸,間接增加扁線的比表面積,但這同時也會降低槽滿率,需要綜合評估;
  • 采用多檔變速箱,降低電機轉(zhuǎn)速,代表車型為保時捷Taycan;
  • 3D打印銅線,導(dǎo)體尺寸和橫截面可以任意變化,給了繞組設(shè)計極大的自由空間,該方案導(dǎo)致導(dǎo)體內(nèi)的電分離結(jié)構(gòu),所述電分離結(jié)構(gòu)用于限制渦流路徑,因此電流密度被“強制”到剩余的導(dǎo)體橫截面上,此外借助于3D打印可以實現(xiàn)任意連接的幾何形狀,不需要傳統(tǒng)的繞組接頭焊接工藝,該方案短期內(nèi)無法實現(xiàn)量產(chǎn)。
上圖左:3D打印銅線示意圖上圖右:3D打印銅線樣件
應(yīng)用障礙二
非標(biāo)準(zhǔn)化;不同車企的設(shè)計方案不一樣,而定子是電機設(shè)計的核心,定子尺寸定型后,導(dǎo)線的線型、尺寸任意一點發(fā)生改變,都需要定制昂貴的工裝模具,兼容性低,系列化難度高。同一車企或電機企業(yè)的設(shè)計系列化趨勢初現(xiàn),以上汽E2架構(gòu)為例,在設(shè)計之初就考慮了共線生產(chǎn),三款不同功率的電機(150kw,180kw,250kw)適用于該架構(gòu)上的所有車型,最大程度上實現(xiàn)模塊化。第三方電機的壯大也會改善系列化難度,扁線電機的技術(shù)門檻和初始投資門檻遠高于傳統(tǒng)圓線電機,技術(shù)基礎(chǔ)較弱的車企只能廣泛依賴于第三方電機廠商,第三方電機廠商的電機型號有限,也會成為市場上的主流產(chǎn)品。
上圖:保時捷Taycan電機細節(jié)圖
應(yīng)用障礙三
扁線電機生產(chǎn)線投資額是圓線的2-5倍。扁線電機對產(chǎn)品的一致性要求高,技術(shù)難度大,需要投入精度較高的自動化伺服設(shè)備、焊接設(shè)備、Hair-Pin線成形設(shè)備和工裝模具等。汽車電動化和電機扁線化的趨勢已經(jīng)確定,扁線電機逐漸成為資本寵兒。方正電機的年產(chǎn)100萬臺新能源汽車驅(qū)動電機項目,總投資5億元人民幣,項目達產(chǎn)后可新增銷售收入25億。
上圖:電驅(qū)生產(chǎn)線示意圖
應(yīng)用障礙4
對扁線要求高,扁線成本高、技術(shù)難度大。扁線的加工難度增大。

  • 從圓形切換到矩形形狀,導(dǎo)致銅線生產(chǎn)加工工藝更加復(fù)雜;
  • 涂覆難度增大,扁平線R角處的漆膜涂覆非常困難,很難保證此處絕緣層的均勻性;絕緣涂層在烘干后會產(chǎn)生收縮,扁線是非均勻收縮,容易變形,需要改良使得R角處的涂覆厚度更厚;
  • 扁線彎折成發(fā)卡后,R角處應(yīng)力集中,容易導(dǎo)致涂覆層破損;
  • 對扁線的精度要求高,扁線截面積大、匝數(shù)少,單根導(dǎo)線不一致對整體性能的影響顯著增大,對扁線的一致性要求高,復(fù)雜的加工成本使得扁線成本更高,也使得扁線加工企業(yè)享受更高的技術(shù)溢價;
  • 新能源汽車所使用的漆包線直接關(guān)系到整車運行穩(wěn)定性,對電磁線廠家的質(zhì)量控制流程、研發(fā)與工藝設(shè)計能力提出了很高的要求,需要對拉絲和包漆速度、拉絲與包漆的協(xié)調(diào)、拉絲模具配置、張力控制、涂漆模具配置、烘焙溫度、絕緣漆粘度、工作環(huán)境等多個控制點的合理設(shè)計、嚴格控制。

扁線的最大成本是原材料無氧銅桿,加工費在電機中的價值量并不高。穩(wěn)定地供給合格的產(chǎn)品是與車企合作的關(guān)鍵,在原材料是主要成本的情況下,車企尋求加工費更低的供應(yīng)商的動力并不高。