目錄
01 扁線電機(jī)概念
02 扁線電機(jī)種類
03 扁線與圓線電機(jī)的優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比
04 扁線電機(jī)優(yōu)點(diǎn)
05 扁線電機(jī)缺點(diǎn)
06 扁線電機(jī)設(shè)計(jì)要點(diǎn)
07 扁線電機(jī)制造工藝
08 扁線電機(jī)應(yīng)用情況
09 總結(jié)
01
扁線電機(jī)概念
驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要由定子組件、轉(zhuǎn)子組件、端蓋和輔助標(biāo)準(zhǔn)件組成，而定子繞組中又由鐵芯、銅線繞組、引出線、絕緣材料等組成，定子組件是決定電機(jī)性能的關(guān)鍵。
其中，銅線外側(cè)加絕緣涂層，制成漆包線，再首尾相連組成繞組，扁線繞組便是其中的一種繞組形式。
因?yàn)槠鋯胃岚€形狀像發(fā)卡，又俗稱發(fā)卡電機(jī)，在國(guó)外則稱之為Hair-pin電機(jī)。
Hair pin是目前比較常見(jiàn)的扁線繞組形式，由于單根形狀比較像發(fā)夾，所以也叫發(fā)夾式（發(fā)卡式）繞組。該繞組型式的特點(diǎn)是只需要焊接一端。
扁線電機(jī)就是定子繞組中采用扁銅線，先把繞組做成類似發(fā)卡一樣的形狀，穿進(jìn)定子槽內(nèi)，再在另外一端把發(fā)卡的端部焊接起來(lái)。
扁線電機(jī)指的是定子繞組所用的導(dǎo)線形態(tài)發(fā)生變化，從多根細(xì)的圓線轉(zhuǎn)變成幾根粗的矩形導(dǎo)線，俗稱扁線。
與扁線電機(jī)相對(duì)應(yīng)的就是“圓線電機(jī)”，扁線、圓線的區(qū)別就在于電機(jī)中定子繞組所用的導(dǎo)線的形態(tài)不同。傳統(tǒng)電機(jī)采用的圓形導(dǎo)線，而扁線電機(jī)則采用了扁平的矩形導(dǎo)線。
顯而易見(jiàn)，采用扁線可以大幅提高槽滿率（指線圈放入槽內(nèi)后占用槽內(nèi)空間的比例），因?yàn)閳A線之間存在著空隙，而扁線則更加緊密。
通俗來(lái)講，槽滿率越高，就代表著線圈中導(dǎo)線越多，產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)更強(qiáng)，那么電機(jī)的功率就會(huì)更大。
有數(shù)據(jù)顯示，在相同的空間內(nèi)，扁線電機(jī)可以多填充20-30%的導(dǎo)線，從某種程度上可以理解成將電機(jī)功率提升了20-30%。反過(guò)來(lái)說(shuō)，在達(dá)到相同的功率密度的前提下，扁線電機(jī)的體積也會(huì)更加緊湊。
扁線電機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于電機(jī)體積更緊湊、更節(jié)約材料、功率更強(qiáng)勁。反映在整車上，扁線電機(jī)能提供更優(yōu)越的加速性能，并且噪音更小，大幅提升了整車性能。
具體來(lái)說(shuō)，相比起傳統(tǒng)的圓線電機(jī)，扁線電機(jī)能降低8%-12%的有效材料成本。如果再考慮給整車性能、電耗等方面帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，扁線電機(jī)能將成本降低大約15%。
扁線電機(jī)之所以會(huì)成為未來(lái)趨勢(shì)，是由新能源汽車電驅(qū)系統(tǒng)發(fā)展決定的，小型化、集成化、高功率密度等特點(diǎn)都是新能源汽車電驅(qū)系統(tǒng)的演進(jìn)方向。畢竟，體積大、重量大、動(dòng)力弱的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在新能源汽車市場(chǎng)是不招待見(jiàn)的，扁線電機(jī)順應(yīng)了新能源汽車發(fā)展潮流。
相比起傳統(tǒng)圓線電機(jī)而言，扁線結(jié)構(gòu)還有其他優(yōu)勢(shì)。它使得導(dǎo)線與導(dǎo)線間的接觸面積大幅提高，因此散熱能力會(huì)更強(qiáng)。又因?yàn)槔@組體積更小，所以耗材就更少。
盡管從長(zhǎng)期來(lái)看，扁線電機(jī)是未來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)展方向。在具備諸多優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，也同樣存在劣勢(shì)，比如設(shè)計(jì)難度、工藝制造難度、更易損耗等。
除此之外，由圓形導(dǎo)線升級(jí)為扁平矩形截面導(dǎo)線所帶來(lái)的另一個(gè)問(wèn)題是，處于產(chǎn)業(yè)鏈上游的導(dǎo)線制造技術(shù)也需要同步革新。
扁線由于工序復(fù)雜、精度要求高，通過(guò)人工制造基本不能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，必須依賴專業(yè)的高端設(shè)備。
換個(gè)角度來(lái)說(shuō)，原材料、生產(chǎn)工藝、專業(yè)制造設(shè)備等痛點(diǎn)成為了扁線電機(jī)產(chǎn)業(yè)化的壁壘，這也是制約其大規(guī)模應(yīng)用的主要原因。
02
扁線電機(jī)種類
集中式繞組的扁線電機(jī)：采用分塊繞線形式實(shí)現(xiàn)(銅線尺寸在2mmX1mm以下)，目前有應(yīng)用于混動(dòng)車型上。
波繞組定子：電裝生產(chǎn)的，用在豐田AQUA車上
Continuous hairpin / wave winding 繞組
扁線連續(xù)波繞組(Continuous hairpin / wave winding)的最大好處是成型后兩頭端部無(wú)需焊接。
▲松正連續(xù)波繞組電機(jī)定子
劈拉成型
采用劈拉成型工藝的扁線電機(jī)，主要是應(yīng)用于啟動(dòng)發(fā)電機(jī)等類型的電機(jī)。
i-pin 繞組
i-pin最大的特點(diǎn)是制造工藝簡(jiǎn)單，一字型扁銅線直接插入定子槽內(nèi)后扭頭焊接，特點(diǎn)是端部?jī)深^都需要焊接。
Hair pin
Hair pin是目前比較常見(jiàn)的扁線繞組形式，由于單根形狀比較像發(fā)夾，所以也叫發(fā)夾式（發(fā)卡式）繞組。該繞組型式的特點(diǎn)是只需要焊接一端。
03
扁線與圓線電機(jī)的優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比
同功率樣本綜合參數(shù)對(duì)比：
相同硅鋼片結(jié)構(gòu)下扁線繞組電機(jī)與圓線繞組電機(jī)的效率map對(duì)比：
扁線電機(jī)高效區(qū)面積更大，效率提升1.5%，損耗由4.5%下降至3%，下降33%。
相同硅鋼片結(jié)構(gòu)下扁線繞組電機(jī)與圓線繞組電機(jī)的交流電阻與效率map對(duì)比如下：
結(jié)論：扁線繞組電機(jī)相對(duì)于圓線繞組電機(jī)，在低速下更具效率優(yōu)勢(shì)。
04
扁線電機(jī)優(yōu)點(diǎn)
優(yōu)勢(shì)1：相同功率，體積更小，用材更少，成本更低，或者相同體積，槽滿率提升，功率密度提升。
永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)化效率可達(dá)到96%-97%，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于只有30-40%熱效率的內(nèi)燃機(jī)。如何在這個(gè)數(shù)字上更進(jìn)一步？使用更合理的定子繞組，在能量損耗最大的銅耗上做文章，是業(yè)內(nèi)的共識(shí)。
對(duì)于電機(jī)來(lái)說(shuō)，損耗來(lái)自于這幾個(gè)方面：
圓線變成扁線，從理論上來(lái)說(shuō)，在空間不變的前提下，填充的銅可以增加20-30%，扁線電機(jī)可以做到70%的槽滿率。
這意味著，增加20-30%左右的銅，產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，從某種程度上等同于增加20-30%的功率。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是單位體積內(nèi)，銅變多了。相比圓線繞組，扁線電機(jī)能在同樣條件下，塞進(jìn)更多體積的導(dǎo)線。
相同功率，體積更小，用材更少，成本更低，或者相同體積，槽滿率提升，功率密度提升；反過(guò)來(lái)，在功率相同的情況下，可以減小電機(jī)外徑和體積，進(jìn)而減少電機(jī)其他材料的用量。
Hair-pin電機(jī)提高裸銅槽滿率20%~30%，目前國(guó)內(nèi)較高水平可達(dá)75%槽滿率，未來(lái)還有較大增長(zhǎng)空間。
目前國(guó)內(nèi)采用扁線繞組的電機(jī)最高功率密度達(dá)到5kW/kg，而普通電機(jī)在3kW/kg時(shí)就遇到了瓶頸，而國(guó)家《節(jié)能與新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》要求電機(jī)須達(dá)到4kW/kg以上，扁線電機(jī)的應(yīng)用成為必然。
比如，有人做過(guò)研究，發(fā)現(xiàn)永磁電機(jī)損耗由繞組銅耗、鐵耗、風(fēng)磨雜散、磁鋼渦流損耗組成，其中繞組銅耗占比50%以上，銅耗大小又和繞組電阻成正比P=I^2*R(或者Q=I^2*R*t，其中P代表導(dǎo)線發(fā)熱功率，I代表電流，R代表繞組電阻>t為通電時(shí)間)，減小繞組電阻能直接降低銅耗、提升電機(jī)效率和功率密度。
根據(jù)導(dǎo)線電阻R=p*I/S ( p為繞組電阻率，I為長(zhǎng)度，S為橫截面積)可以看出，電阻率、長(zhǎng)度一定的情況下，只能提升繞組橫截面積來(lái)降低電阻，即想辦法提升槽滿率。
導(dǎo)線越粗、電阻越小，在導(dǎo)線上因發(fā)熱損失的能量就會(huì)越小。
優(yōu)勢(shì)2：溫度性能更好
因槽滿率的提高使得導(dǎo)線之間的內(nèi)部空隙變少，扁線與扁線之間的接觸面積大，散熱和熱傳導(dǎo)更好；繞組和鐵心槽之間接觸更好，熱傳導(dǎo)更好；而電機(jī)對(duì)散熱和溫度是非常敏感的，散熱性變好，性能會(huì)提升。
高槽滿率下繞組間的導(dǎo)熱能力是低槽滿率的150%；繞組在熱傳導(dǎo)能力上具有各向異性，軸向的熱傳導(dǎo)能力是徑向方向的100倍。
相對(duì)于圓線，扁線電機(jī)扁線形狀更規(guī)則，在定子槽內(nèi)緊密貼合，與定子鐵芯齒部和軛部更好接觸，降低槽內(nèi)熱阻，熱傳導(dǎo)效率更高，進(jìn)一步提升電機(jī)峰值和持續(xù)性能。
扁線電機(jī)中導(dǎo)體與槽型尺寸整體匹配，兩者有效接觸面積大且接觸緊密，傳熱系數(shù)高，同等條件中扁線繞組電機(jī)比圓線電機(jī)溫升可降低約8~12%；通常條件下，電機(jī)散熱性的好壞直接影響著電機(jī)可應(yīng)用的性能范圍，散熱性變好，將會(huì)直接提升電機(jī)的性能曲線。
有人通過(guò)溫度場(chǎng)仿真，得出相同設(shè)計(jì)的扁銅線電機(jī)繞組溫升比圓銅線電機(jī)低10%。除了散熱性能變好，包括與溫度相關(guān)的其他一些性能都能得到改善。
若在電機(jī)中采用了端部噴油冷卻技術(shù)，圓線繞組端部因在浸漆后，成為一個(gè)實(shí)心整體，冷卻油很難滲入內(nèi)部，帶走中間層導(dǎo)體的熱量，容易在繞組內(nèi)部形成熱孤島。而扁線繞組端部導(dǎo)體間存在較大的間隙， 噴頭出油后，冷卻油可以直接滲透入扁線繞組端部，帶走每一個(gè)導(dǎo)體的熱量。
扁線電機(jī)通常采用電機(jī)繞組端部噴油冷卻，可以使電機(jī)繞組溫度降低68%以上，大大提升了電機(jī)的功率密度和轉(zhuǎn)矩密度水平。所以扁線和端部噴油冷卻配合使用能大幅度提高散熱能力，提高功率密度。
廣汽GE3應(yīng)用的Chevrolet Volt的發(fā)卡永磁電機(jī)同時(shí)采用了端部噴油和水冷機(jī)殼兩種冷卻技術(shù)，取得了優(yōu)秀的散熱效果。從使用中去看就是持續(xù)性能更強(qiáng)，能夠降低電動(dòng)車在跑高速時(shí)的疲軟。
優(yōu)勢(shì)3：更好的NVH表現(xiàn)
使用扁線結(jié)構(gòu)的電機(jī)，由于繞組有更好的剛度，整機(jī)也將具備更好的剛度。
同時(shí)扁線繞組是通過(guò)鐵芯端部插線，不需要從槽口嵌線，電磁設(shè)計(jì)上可以選擇更小的槽口設(shè)計(jì)，有效降低齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，機(jī)械和電磁的振動(dòng)噪音都能有效降低。
扁線電機(jī)導(dǎo)線的應(yīng)力比較大，剛性比較大，電樞具備更好的剛度，對(duì)電樞噪音具有抑制作用；可以應(yīng)用相對(duì)較小的槽口尺寸，有效降低齒槽力矩，進(jìn)一步降低電機(jī)電磁噪音。
優(yōu)勢(shì)4：端部短，節(jié)省銅材，提升效率
如果是圓線電機(jī)，將一捆細(xì)圓線直接填到槽里，槽中的線對(duì)電機(jī)做功是有貢獻(xiàn)的，而在槽外的線即端部，對(duì)電機(jī)的出力是沒(méi)有貢獻(xiàn)的，但它又是必不可少。如果沒(méi)有這段線，它是不可能把槽與槽之間的線連在一起。
傳統(tǒng)的圓線電機(jī)，由于工藝問(wèn)題，它的端部一般留得比較長(zhǎng)，否則很容易在工藝過(guò)程中損傷銅線。端部的銅對(duì)電機(jī)功率沒(méi)有幫助，只是起到連接作用，會(huì)產(chǎn)生額外電損耗，所以越短越好。
對(duì)扁線電機(jī)來(lái)說(shuō)，因?yàn)榫€都是硬線，可以在加工的時(shí)候把端部做得小一點(diǎn)，與圓線電機(jī)相比減少20%的端部尺寸，空間進(jìn)一步降低，可以把系統(tǒng)的體積進(jìn)一步縮小，實(shí)現(xiàn)小型化和輕量化。
Hair-pin電機(jī)相比圓線電機(jī)繞組端部尺寸更短，端部總高度短5～10mm，有效降低端部繞組銅耗，進(jìn)一步提升電機(jī)效率。這些結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，可以使得電機(jī)平均效率，相比不使用扁線技術(shù)的電機(jī)，提高1%以上。
扁銅線較傳統(tǒng)圓線強(qiáng)度高，整形后不反彈，扁線繞組端部結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定，節(jié)省了絕緣套管和綁扎線的人力物力成本。
優(yōu)勢(shì)5：扁線電機(jī)最高效率點(diǎn)不一定比圓線高多少，但高效區(qū)可以進(jìn)一步拓寬
從電機(jī)特性圖上我們可以看出四槽扁線繞組電機(jī)，最高效區(qū)間的面積被明顯放大了。
橫軸方向上的放大，說(shuō)明最高效區(qū)間的轉(zhuǎn)速范圍變大了；從城市擁堵的低速工況到高速巡航工況，都能享受到最高的效率。
縱軸方向上的放大，說(shuō)明最高效區(qū)間的扭矩范圍變大了；從小油門勻速，到大油門急加速，確保最多的能量被用于驅(qū)動(dòng)車輛。
在WLTC工況下兩者的平均效率差，扁線電機(jī)要高1.12%。（備注：WLTC是即將執(zhí)行的新能源油耗測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。與NEDC相比，WLTC在測(cè)試時(shí)間、模擬路況變化情況）
| 電機(jī)效率 | 平均效率-WLTC | 平均效率-全轉(zhuǎn)速 |
| Hair-pin電機(jī) | 92.49% | 94.78% |
| 頂尖圓線電機(jī) | 91.37% | 92.76% |
| 二者差值 | 1.12% | 2.02% |
但是在全域平均情況下，兩者效率值相差達(dá)到2%，低速大扭矩工作點(diǎn)，最高甚至可提升效率10%。
優(yōu)勢(shì)6：更小的重量和體積
在同等功率下扁線電機(jī)因?yàn)椴蹪M率、效率的提升，銅材用量下降，這就使得扁線電機(jī)能夠擁有更小的體積和重量，對(duì)乘用車企業(yè)來(lái)說(shuō)，電機(jī)體積的縮小使得車輛整體有了更大的空間可以利用，比如增大電池的容量。
而較小的重量也使得車輛速度、續(xù)航能有一定的提升。
05
扁線電機(jī)缺點(diǎn)
和圓線電機(jī)相比，扁線電機(jī)也有它的缺點(diǎn)，簡(jiǎn)單的概括為設(shè)計(jì)難、工藝難、設(shè)備難、扁線難、有損耗，具體如下:
缺點(diǎn)1：集膚效應(yīng)導(dǎo)致?lián)p耗增加
新能源汽車做高功率密度要求往高轉(zhuǎn)速走，以前都是做一萬(wàn)轉(zhuǎn)甚至是一萬(wàn)二，現(xiàn)在往一萬(wàn)六甚至是兩萬(wàn)的方向做。具體的影響表現(xiàn)為頻率越高，扁銅線繞組的交流銅耗會(huì)越高。
圓線電機(jī)可以用細(xì)線，線比較多，而扁線比較粗，會(huì)產(chǎn)生一種集膚效應(yīng)，該效應(yīng)會(huì)使扁線電機(jī)的損耗有所增加，但影響有限。同時(shí)該效應(yīng)還和電磁設(shè)計(jì)有關(guān)，比如槽內(nèi)磁密幅值、槽口高度等，也和扁銅線的尺寸有關(guān)。
缺點(diǎn)2：銅線要求高
粗的銅材料具有一定的彈性，彎折后會(huì)有一定程度的反彈，這個(gè)需要設(shè)計(jì)師提前設(shè)計(jì)好。
正因?yàn)閺澱酆头磸椀纫蛩兀^緣層容易損壞而產(chǎn)生缺口，于是對(duì)銅線的質(zhì)量提出了更高的要求。扁線成型要求高、加工難度大，銅線由于具有一定的彈性，因此在設(shè)計(jì)時(shí)就必須留有變形余量。
傳統(tǒng)扁銅線電機(jī)在繞組成型后可以進(jìn)行包裹絕緣處理，但是車用發(fā)卡電機(jī)不行。
缺點(diǎn)3：設(shè)備要求高
扁線由于工序復(fù)雜、精度要求高，前期投入大，因?yàn)樗木热绻桓?，產(chǎn)品的可靠性和一致性都會(huì)比較差，車企擔(dān)心的也是質(zhì)量的可靠性以及穩(wěn)定性。
通過(guò)人工制造基本不可能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，必須依賴專業(yè)的高端設(shè)備，這是大規(guī)模普及的前提，也是制約其量產(chǎn)應(yīng)用的一個(gè)重要原因。
國(guó)外有日本、意大利、德國(guó)的供應(yīng)商，價(jià)格高昂是一方面因素，同時(shí)像日本產(chǎn)線也很難引入到國(guó)內(nèi)。
缺點(diǎn)4：系列化設(shè)計(jì)難，對(duì)設(shè)計(jì)師要求高
扁線電機(jī)最主要的缺點(diǎn)是很難做到非常密的系列化設(shè)計(jì)，即柔性不夠，所以非?？简?yàn)電機(jī)設(shè)計(jì)師的功力。
從設(shè)計(jì)電機(jī)的角度來(lái)說(shuō)，一般會(huì)設(shè)計(jì)一套方案，擴(kuò)展出一系列的不同設(shè)計(jì)。
如果只需要100KW電機(jī)，但在設(shè)計(jì)時(shí)，需要設(shè)計(jì)80-120KW這個(gè)區(qū)間內(nèi)一系列的電機(jī)，一是為了滿足潛在的需求，二是為了拉開(kāi)與其他企業(yè)在設(shè)計(jì)上的差異。
扁線導(dǎo)體，每線圈匝數(shù)為1，相鄰兩個(gè)線圈通過(guò)焊接串聯(lián)連接；在并聯(lián)支路數(shù)一定的情況下，改變電機(jī)匝數(shù)唯有調(diào)整極槽數(shù)和每槽導(dǎo)體數(shù)；扁線電機(jī)在設(shè)計(jì)中不同功率等級(jí)可調(diào)整性與傳統(tǒng)圓銅線電機(jī)相比變差，需要電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)平臺(tái)頂層整體的優(yōu)化匹配設(shè)計(jì)。
對(duì)于圓線電機(jī)，鐵芯和槽數(shù)相同，只是長(zhǎng)度和線圈的匝數(shù)不同，可以比較容易設(shè)計(jì)出一個(gè)系列。但是扁線電機(jī)很難達(dá)到這個(gè)效果。因?yàn)楸饩€電機(jī)的匝數(shù)都比較少，減少一根或兩根線會(huì)對(duì)整個(gè)電機(jī)的性能帶來(lái)較大的影響。
劣勢(shì)5：專利壁壘過(guò)多，扁線電機(jī)專利目前主要還是在歐美及日本企業(yè)里，中國(guó)企業(yè)掌握專利少，我們有專利布局，但不盡如人意。
劣勢(shì)6：絕緣涂層在烘干后會(huì)產(chǎn)生收縮形變，如果是圓線的話，收縮會(huì)比較均勻，扁線則容易產(chǎn)生損壞，導(dǎo)致在實(shí)際加工中，扁線的良品率低于圓線。
對(duì)以上提到的缺點(diǎn)，換個(gè)角度去看，我們認(rèn)為原材料、工藝、設(shè)備上的難點(diǎn)，正是扁線電機(jī)的壁壘所在。
而且原材料和工藝已經(jīng)有海外企業(yè)能解決，說(shuō)明可行性沒(méi)有問(wèn)題，核心問(wèn)題是如何實(shí)現(xiàn)突破。
06
扁線電機(jī)設(shè)計(jì)要點(diǎn)
槽口設(shè)計(jì)方案對(duì)比
繞組設(shè)計(jì)及集膚效應(yīng)
集膚效應(yīng)：當(dāng)導(dǎo)體中有交流電或者交變電磁場(chǎng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部的電流分布不均勻，電流集中在導(dǎo)體的“皮膚”部分，也就是說(shuō)電流集中在導(dǎo)體外表的薄層，越靠近導(dǎo)體表面，電流密度越大，導(dǎo)體內(nèi)部實(shí)際上電流較小。結(jié)果使導(dǎo)體的電阻增加，使它的損耗功率也增加。這一現(xiàn)象也稱為趨膚效應(yīng)(skin effect)。
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高轉(zhuǎn)速下，集膚效應(yīng)會(huì)降低有效的通電銅線面積，繞組等效電阻增加，損耗增加；轉(zhuǎn)速越高，導(dǎo)體發(fā)熱越不均勻，增加了絕緣漆皮附近的熱負(fù)荷；同相同槽繞組b的集膚效應(yīng)比異相同槽繞組a要嚴(yán)重。
導(dǎo)體的長(zhǎng)寬比、放置方向、繞組分相等都對(duì)集膚效應(yīng)產(chǎn)生影響；同等導(dǎo)體層數(shù)情況下，圖中導(dǎo)體放置示意圖中，a＞b放置情況有助于降低集膚效應(yīng)。
同等槽寬、槽深情況下，導(dǎo)體層數(shù)增加（B方案）有助于降低集膚效應(yīng)；但在同等定子外徑下，電機(jī)極槽數(shù)受尺寸和電機(jī)系統(tǒng)電頻率的限制，每槽導(dǎo)體數(shù)受工藝等限制——導(dǎo)體數(shù)增加會(huì)提升工藝的復(fù)雜度，增加生產(chǎn)成本。
▲多層扁線導(dǎo)體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖
多層扁線導(dǎo)體繞組對(duì)電機(jī)性能的影響
- 峰值性能（相同峰值持續(xù)時(shí)間）
- 恒扭矩區(qū)輸出能力：
低速區(qū)：4層>6層>8層
高速區(qū)：8層>6層>4層
07
扁線電機(jī)制造工藝
7.1 槽絕緣紙插入：
- 步驟：紙成型、裁紙、插紙
- 紙的形狀：O型、B型、S型
- 槽紙成型：冷成型、熱成型
7.2 PIN線圈成型：
- 步驟：較直、去漆皮、裁剪、成型
- 較直方向：上下、左右
- 去漆皮：機(jī)械去漆皮、激光去漆皮
- 成型：沖壓成型(先平面后立體成型)、彈簧機(jī)技術(shù)
7.3 PIN線圈及異型線圈插入：2層、4層、6層、8層
- 全手工插入步驟：PIN線圈插入鐵芯、異型線圈插入鐵芯，線圈整體壓入
- 自動(dòng)插入步驟：PIN線圈自動(dòng)或手工插入工裝、異型線圈全自動(dòng)或手工插入工裝
- 線圈整體抓取、線圈整體插入鐵芯并壓裝到位
最難的工藝：如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、提高槽滿率、減少漆皮和絕緣紙損傷
7.4 線圈壓入整形
7.5 擴(kuò)口：最內(nèi)側(cè)的一圈焊點(diǎn)固定不動(dòng)，外側(cè)的焊點(diǎn)往外拉，確保兩個(gè)焊點(diǎn)間的間隙滿足設(shè)計(jì)的要求
7.6 扭頭
步驟：2層、4層、6層一起扭(一層順時(shí)針、另一層逆時(shí)針)
7.7 切平
把扭頭后的焊接端整體切成一個(gè)平面，為焊接做準(zhǔn)備。
7.8 焊接
- 焊接方法：冷焊(冷金屬過(guò)渡焊)、微束焊、微弧焊、等離子焊、TIG焊、激光焊
- 東亞使用的是TIG焊：成本低，起弧是關(guān)鍵
- 歐美使用的是激光焊：成本高昂，工藝可控性好
最關(guān)鍵的工藝：如何保證每一個(gè)焊點(diǎn)的質(zhì)量和可靠性，目前無(wú)可靠實(shí)用的檢測(cè)方法
2-10、焊點(diǎn)涂敷
- 涂敷材料：粉末狀、液態(tài)
- 粉末材料步驟：加熱-涂敷-加熱固化
- 液態(tài)材料步驟：預(yù)熱-滴漆-滴液態(tài)材料-固化
08
扁線電機(jī)應(yīng)用情況
| 時(shí)間 | 車企/車型 |
| 2015 | 豐田四代普銳斯 |
| 2017 | 上汽ERX5 |
| 2020/05 | 長(zhǎng)城蜂巢 |
| 2020/06 | 保時(shí)捷Taycan |
| 2020/07 | 東風(fēng)嵐圖 |
| 2020/10 | 寶馬IX3 |
| 2020/11 | 大眾iD.4 |
| 2020/12 | 比亞迪漢GT |
| 2021/02 | 吉利極氪 |
從長(zhǎng)期來(lái)看，小型化、高速化將是新能源汽車電機(jī)的主要發(fā)展趨勢(shì)，而小型化必然要求電機(jī)功率密度有大幅度提升，從技術(shù)要求來(lái)看，“十三五規(guī)劃”提出新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的峰值功率密度要達(dá)到4kW/kg，而目前這一數(shù)據(jù)僅達(dá)到3.2-3.3kW/kg。
比如，2007年，雪佛蘭沃藍(lán)達(dá)就搭載了雷米（已被博格華納收購(gòu)）提供的扁線電機(jī)；日產(chǎn)、豐田等車企也都應(yīng)用過(guò)該技術(shù)（豐田第四代普銳斯的扁線電機(jī)來(lái)自日本電裝）。
回顧扁線電機(jī)的發(fā)展歷程，在國(guó)外雪佛蘭Volt與豐田第四代Pruis早已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用扁線電機(jī)，而國(guó)內(nèi)這方面的研究雖然起步較晚，但近期，特斯拉、上汽新能源、極氪、比亞迪等新能源車企都加快了將圓線電機(jī)替換成扁線電機(jī)的步伐。
既然相比傳統(tǒng)圓線電機(jī)，扁線電機(jī)在效率、性能、散熱等方面具備明顯優(yōu)勢(shì)，那為什么之前沒(méi)有被廣泛應(yīng)用？
首先，在前兩年對(duì)于新能源整車來(lái)說(shuō)電池提升的重要性和可提升性都要高于驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
而扁線繞組制造過(guò)程非常復(fù)雜，需要先將導(dǎo)線制作成發(fā)卡的形狀，然后通過(guò)自動(dòng)化設(shè)備插入到定子鐵芯槽內(nèi)，然后進(jìn)行端部扭頭和焊接，相對(duì)圓線電機(jī)，扁線電機(jī)無(wú)法進(jìn)行手工制造。
想批量化高效率生產(chǎn)，必須要建立自動(dòng)化產(chǎn)線，產(chǎn)線和設(shè)備投入較大，且量產(chǎn)后還需對(duì)良品率進(jìn)行控制。所以在市場(chǎng)、技術(shù)層面都不利于扁線電機(jī)的實(shí)際應(yīng)用。
過(guò)去因?yàn)楦黜?xiàng)技術(shù)不成熟導(dǎo)致產(chǎn)品不良率高，所以扁線電機(jī)無(wú)法大量應(yīng)用，但是這些年電機(jī)企業(yè)并沒(méi)有停下研發(fā)的腳步。
華域電動(dòng)、藝達(dá)電驅(qū)動(dòng)、方正電機(jī)等企業(yè)都在扁線技術(shù)上進(jìn)行著持續(xù)性的投入，近年扁線繞組技術(shù)也由2層、4層升級(jí)為最新的8層扁線繞組技術(shù)。
因?yàn)殡S著電動(dòng)車動(dòng)力需求的增加，電機(jī)的轉(zhuǎn)速越來(lái)越高，通過(guò)繞組的交流電的頻率也越來(lái)越高。這里的交流電有著明顯的“趨膚效應(yīng)(skin effect)”，導(dǎo)致中間的面積被浪費(fèi)，周圍的電流很大，發(fā)熱明顯，效率降低。
而采用了8層扁線繞組技術(shù)的電機(jī)，導(dǎo)線面積更大，所以電阻和能量損耗都得以降低，電機(jī)效率提高。
以上汽新能源ER6車型為例，這臺(tái)電機(jī)的最高效率達(dá)到了97%，并且在大部分工況下都能達(dá)到90%以上的效率。它的最高轉(zhuǎn)速達(dá)到了15000rpm，新車0-100公里/時(shí)加速僅需7.8秒，極速達(dá)185公里/時(shí)。
對(duì)比4層發(fā)卡繞組電機(jī)，8層扁線繞組電機(jī)效率≥90%的區(qū)間從83%提升到了88%，增加了整整5%。
此外，通過(guò)仿真軟件測(cè)算的效率MAP數(shù)據(jù)顯示，同一款ER6車型分別采用8層發(fā)卡電機(jī)和4層發(fā)卡電機(jī)時(shí)，搭載8層發(fā)卡電機(jī)的車型NEDC工況的平均電耗從13.8千瓦時(shí)/百公里下降到12.2千瓦時(shí)/百公里，降幅超過(guò)11.5%，切實(shí)提升車輛續(xù)航里程。
特斯拉國(guó)產(chǎn)電機(jī)采用了扁線技術(shù)，相比圓線電機(jī)， 扁線電機(jī)滿槽率和功率密度得到提升，效率更高， 散熱、 HNV、輕量化等性能更優(yōu)。
Model 3 后電機(jī)最大功率從 202kW 提升至 220kW，最大扭矩從 404Nm 提升至 440Nm；Model Y后電機(jī)最大功率從 180kW 提升至 220kW， 最大扭矩從 326Nm 提升至440Nm。
這已經(jīng)不是簡(jiǎn)單地工作效率或者動(dòng)力的提升，如今扁線電機(jī)的技術(shù)性能提升已經(jīng)使得車企能在空間布局上有更多的選擇，在提升性能或是續(xù)航上可以有更多可觀的變化。
以目前的替換速度，相信2025年扁線電機(jī)的滲透率將達(dá)到90%。除雷米、電裝、日立等國(guó)外供應(yīng)商外，國(guó)內(nèi)有穩(wěn)定出貨量的供應(yīng)商主要有華域電動(dòng)、松正電機(jī)，以及即將投產(chǎn)的方正電機(jī)。
09
總結(jié)
目前，扁線電機(jī)在效率、功率密度、散熱能力、體積重量等方面已具有顯著的優(yōu)勢(shì)，未來(lái)隨著技術(shù)工藝的進(jìn)一步成熟，扁線電機(jī)的生產(chǎn)成本將低于傳統(tǒng)圓線電機(jī)。
從目前實(shí)車的應(yīng)用情況上看，扁銅線電機(jī)比傳統(tǒng)圓銅線電機(jī)有更高的持續(xù)功率，機(jī)械性能上表現(xiàn)出更強(qiáng)的魯棒性；在低速大扭矩的應(yīng)用環(huán)境下，扁線方案可以使電機(jī)做得更輕、更小，能量密度更高，這都符合行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。
但僅僅依靠在降低交流電阻的技術(shù)方向上繼續(xù)尋求突破，導(dǎo)體的材料特性擺在那里，僅改變物理狀態(tài)的這條路已經(jīng)很窄了，潛力有限。
“電機(jī)高速化”是目前各大汽車公司貫徹最為徹底的技術(shù)路線之一，是提高電驅(qū)能量密度，降低材料成本最為行之有效的方案之一。
以此推想，如何在提高扁線電機(jī)轉(zhuǎn)速的同時(shí)，降低集膚效應(yīng)損耗，以達(dá)到一個(gè)應(yīng)用環(huán)境需求的性能及制造成本的平衡，是關(guān)系著扁銅線電機(jī)能否走得更遠(yuǎn)、走得更好的關(guān)鍵所在。
除此之外，阻礙扁線電機(jī)大規(guī)模應(yīng)用的多為生產(chǎn)工藝問(wèn)題，隨著機(jī)械自動(dòng)化水平的提高，工藝手段的不斷進(jìn)步，這些問(wèn)題都是可以逐步解決的。
可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)扁線電機(jī)會(huì)有更廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)，而隨著扁線電機(jī)大批量搭載和應(yīng)用，將進(jìn)一步推動(dòng)全球電動(dòng)化的發(fā)展，這不僅僅是華域電動(dòng)、藝達(dá)電驅(qū)動(dòng)等企業(yè)付出后的收獲，更是人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展道路上的新篇章和重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。
最后祝愿所有扁線電機(jī)的工程研發(fā)人員，本著”路漫漫其修遠(yuǎn)兮，吾將上下而求索”的求知精神，為扁線電機(jī)開(kāi)拓出更加光明的未來(lái)。
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