扁線電機(jī)目前在中國都比較關(guān)注，但應(yīng)用比較少，主要因?yàn)樾履茉词袌?chǎng)發(fā)展時(shí)間較短，主要的市場(chǎng)份額集中在微型乘用車市場(chǎng)。


國外已有成熟的扁線電機(jī)產(chǎn)品應(yīng)用于新能源汽車，特別是日本及歐美企業(yè)，豐田以及通用都采用了扁線電機(jī)。

最具有代表性的便是雪佛蘭VOLT（雷米電機(jī)）和豐田普銳斯（日本電裝），均采用油冷冷卻方案。
除雷米、電裝、日立等國外供應(yīng)商外，國內(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)。

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，而定子繞組中又包括鐵芯、銅線繞組、絕緣材料等組成。

扁線電機(jī)顧名思義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。

▲分段發(fā)卡繞組

▲連續(xù)發(fā)卡繞組


扁線電機(jī)的優(yōu)勢(shì)

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。圓線變成扁線，從理論上來說，在空間不變的前提下，扁線電機(jī)可以做到70%的槽滿率，填充的銅可以增加20-30%，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。


優(yōu)勢(shì)2：溫度性能更好。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。有人通過溫度場(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%。


優(yōu)勢(shì)3：電磁噪音更低。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；可以取相對(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。傳統(tǒng)的圓線電機(jī)，由于工藝問題，它的端部一般留得比較長(zhǎng)，否則很容易在工藝過程中損傷銅線。對(duì)扁線電機(jī)來說，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。


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。


扁線電機(jī)的劣勢(shì)


劣勢(shì)1：高速集膚效應(yīng)。新能源汽車做高功率密度要求往高轉(zhuǎn)速走，以前都是做一萬轉(zhuǎn)甚至是一萬二，現(xiàn)在往一萬六甚至是兩萬的方向做。需要在電機(jī)設(shè)計(jì)的過程中有一些好的方法解決掉，這是一個(gè)不好的地方。


劣勢(shì)2：銅線要求高，圓線電機(jī)銅線國內(nèi)做的廠家比較多，并且質(zhì)量做的可以非常好。能夠做扁線電機(jī)比較好的廠家不多，要求比較高，也需要大家一起共同努力把材料解決掉。


劣勢(shì)3：扁線對(duì)加工工序多，設(shè)備精度要求高，前期投入大，因?yàn)樗木热绻桓撸a(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。


劣勢(shì)4：系列化的設(shè)計(jì)難，電機(jī)要想把成本降低，最好是把它做到系列化，系列化的設(shè)計(jì)是目前扁線電機(jī)不如圓線電機(jī)的地方。


劣勢(shì)5：專利壁壘過多，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：扁線成型要求高和加工難度大。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。


劣勢(shì)7：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，扁線的良品率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于圓線。


扁線電機(jī)生產(chǎn)工藝

發(fā)卡電機(jī)定子主要生產(chǎn)工藝流程，線成型和紙成型以及插紙，這兩個(gè)工序同步進(jìn)行。進(jìn)入到定子的插線工藝，然后進(jìn)行扭線，扭線完成后進(jìn)行焊接的工藝。焊接完成后，電機(jī)的定子基本工序完成，后面是涂敷，然后進(jìn)行性能測(cè)試和驗(yàn)證。這是基本的流程，中間有很多細(xì)節(jié)。


扁線電機(jī)生產(chǎn)工藝流程：插槽紙→制造發(fā)卡→穿發(fā)卡→端環(huán)定型→端環(huán)焊接→接星點(diǎn)→焊接處絕緣處理


扁線電機(jī)應(yīng)用情況

從長(zhǎng)期來看，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。


扁線繞組電機(jī)在雪佛蘭volt2、尼桑電動(dòng)車、豐田第四代普銳斯等國外廠商上已經(jīng)成功應(yīng)用，是我國下一代新能源汽車電機(jī)發(fā)展的必然趨勢(shì)，目前包括比亞迪、上汽、北汽、精進(jìn)新能源在內(nèi)主機(jī)廠和電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)展開了相應(yīng)的研究。



2020年之前，扁線電機(jī)對(duì)圓形電機(jī)的替代作用仍然不夠明顯。得益于扁線電機(jī)體積小的優(yōu)勢(shì)，扁線電機(jī)將優(yōu)先在混動(dòng)車型上得到大規(guī)模應(yīng)用，尤其是插電車型。但國內(nèi)由于政策和市場(chǎng)的因素，插電車型占比較低。而純電領(lǐng)域，目前只有上汽榮威ERX5一款車型裝配扁線電機(jī)，應(yīng)用較少。

通用三代扁線電機(jī)發(fā)展歷程給我們的啟示

通用第1代扁線電機(jī)

Chevrolet Voltec，該電機(jī)采用的4ET50驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（Chevrolet Voltec 4ET50-2011）是一款雙電機(jī)架構(gòu)系統(tǒng)。其中Motor B電機(jī)為扁線發(fā)卡電機(jī)，功率110kw，轉(zhuǎn)矩370NM，轉(zhuǎn)速9500rpm，槽極比為12極72槽。

▲2011-chevrolet-volt-transmission-cutaway

該電機(jī)采用軸向插線的發(fā)卡繞組技術(shù)，也就說單發(fā)卡繞組，這種發(fā)卡繞組使得槽內(nèi)排列非常規(guī)整，從而大大提高了槽滿率，同時(shí)端部精湊型得以增強(qiáng)，這兩項(xiàng)的改進(jìn)最終的效果是直流電阻下降30~40%。

雖然發(fā)卡電機(jī)能夠降低直流電阻，但是它在頻率較高時(shí)，易在繞組上感生出高頻渦流電場(chǎng)，產(chǎn)生集膚效應(yīng)。


GM用Voltec車型作了電機(jī)工作點(diǎn)轉(zhuǎn)速統(tǒng)計(jì)，確定在urban2和 US06等工況下電機(jī)轉(zhuǎn)速基本在6000rpm以下，沒有超過8000rpm，也就是說扁線的低電阻優(yōu)勢(shì)得以發(fā)揮。從這個(gè)角度而言，扁線電機(jī)更適用于中低速的應(yīng)用場(chǎng)合。


圓線繞組端部在浸漆后，成為一個(gè)實(shí)心整體，冷卻油很難滲入內(nèi)部，帶著中間層導(dǎo)體的熱量，容易在繞組內(nèi)部形成熱孤島。4ET50的電機(jī)中采用了端部噴油冷卻技術(shù)，因?yàn)楸饩€端部導(dǎo)體間存在較大的間隙， 噴頭出油后，直接滲透入扁線繞組端部，帶走每一個(gè)導(dǎo)體的熱量。扁線和端部油冷配合使用能大幅度提高散熱能力，提高功率密度。

通用第2代扁線電機(jī)

Spark是在2014年發(fā)布的，主驅(qū)是一款峰值功率105kw的電機(jī)，轉(zhuǎn)速不高只有4500rpm。其采用的技術(shù)組合是：軸向插入式扁線+雙V轉(zhuǎn)矩結(jié)構(gòu)+噴油冷卻技術(shù)。

電動(dòng)機(jī)的專項(xiàng)研究工作是由通用汽車位于底特律市郊威克瑟姆鎮(zhèn)的試驗(yàn)室負(fù)責(zé)，馬里蘭州巴爾的摩進(jìn)行量產(chǎn)。

純電動(dòng)/增程式混動(dòng)的電機(jī)運(yùn)行時(shí)間遠(yuǎn)大于全/插電混動(dòng)電機(jī)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和功率需求也更高。增程式混動(dòng)一般選擇功率分流驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，B電機(jī)作為主驅(qū)電機(jī)。

第一代雪佛蘭沃藍(lán)達(dá)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所有推進(jìn)動(dòng)力由B電機(jī)提供，所以B電機(jī)需要滿足加速和驅(qū)動(dòng)需求。一臺(tái)發(fā)卡永磁B電機(jī)和一臺(tái)集中繞組永磁A電機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)用于早期產(chǎn)品。選擇集中繞組主要是空間限制。

然而，第二代沃藍(lán)達(dá)的車輛架構(gòu)驅(qū)動(dòng)需求分流給A/B電機(jī)。最終B電機(jī)的尺寸顯著縮小。由于A電機(jī)轉(zhuǎn)矩需求低，設(shè)計(jì)了一臺(tái)鐵氧體電機(jī)。

另外純電動(dòng)汽車典型應(yīng)用單電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，因此，驅(qū)動(dòng)電機(jī)傾向于大能力滿足車輛加速和驅(qū)動(dòng)需求。通用第一代純電動(dòng)雪佛蘭Spark電機(jī)選擇了低速IPM和小的減速比。


如果以標(biāo)準(zhǔn)圓線繞組作為基準(zhǔn)對(duì)照， 在Voltec中圓線電阻是扁線的1.44倍，而在Spark中圓線電阻達(dá)到了扁線電阻的1.56倍。也就是說Spark扁線的電阻下降比例更大。這種進(jìn)步除了和方案參數(shù)本身有關(guān)外，還受益于扁線工藝的成熟。

在Spark電機(jī)中，發(fā)卡的成型和扭曲都采用數(shù)控精密控制+模具成型，在成型過程中，不但控制伺服行程，還對(duì)作用力進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋閉環(huán)。通過這些技術(shù)手段，即保證繞組成型的精度，又能控制繞組的應(yīng)力，使得每匝線圈都是質(zhì)量是完全一致的。


通用第3代扁線電機(jī)

2017年GM發(fā)布了Chevrolet  Blot ,該款電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩360Nm，峰值功率150kW，峰值轉(zhuǎn)速8810rpm，電機(jī)的峰值電流400Arms。

減速器速比提高，電機(jī)轉(zhuǎn)速提升近2倍。轉(zhuǎn)速上升，扁線電機(jī)導(dǎo)體在高速時(shí)集膚效應(yīng)加重，導(dǎo)致AC電阻增加。

Bolt的電機(jī)繞組采用的扁銅線，發(fā)卡式。扁銅線插入定子槽后，經(jīng)過彎曲、焊接成型。


優(yōu)點(diǎn)：

槽滿率高，傳統(tǒng)電機(jī)45%，發(fā)卡能達(dá)到70%

散熱性好，繞組之間接觸面積大，空隙小

端部短，體積小

缺點(diǎn)：
由于繞組線粗，高頻集膚效應(yīng)明顯，銅耗增大
銅線要求高，扁銅線折彎后絕緣層容易損壞產(chǎn)生缺口或破面
由于電機(jī)匝數(shù)少，不易系列化。
加工工藝復(fù)雜
生產(chǎn)設(shè)備要求高
這里面的缺點(diǎn)對(duì)于通用這種大廠可能都不是問題，主要要解決的是第一條。

當(dāng)車運(yùn)行在高速下，定子電流的頻率很高，由于扁銅線的橫截面較大，其集膚效應(yīng)會(huì)增大，從而會(huì)增大繞組的電阻，進(jìn)一步增加銅耗。

Blot將每槽導(dǎo)體從4根增加到了6根，高速的渦流損耗得以明顯下降。

導(dǎo)體數(shù)增加不僅能夠提高降低渦流損耗，還能夠改善AC電阻隨轉(zhuǎn)速增加的趨勢(shì)，Spark電機(jī)在4500rpm時(shí)AC電阻就上升到超過圓線電阻的水平，而Blot提高到6000rpm才會(huì)出現(xiàn)拐點(diǎn)。這項(xiàng)提升有利于緩解扁線電機(jī)的高速劣勢(shì)。

Blot取消了槽內(nèi)線線之間的絕緣，進(jìn)一步改善了槽絕緣的結(jié)構(gòu)，Blot的槽絕緣由上下兩個(gè)U套構(gòu)成，在兩個(gè)絕緣的交疊處，槽寬略微擴(kuò)大。這種設(shè)計(jì)能大幅度降低絕緣材料使用量，將空間讓位于銅線提高功率密度。

Blot相交Spark磁鋼用量下降了30%，而功率密度提高超過50%。

小結(jié)：通用三代扁線電機(jī)發(fā)展歷程給我們的啟示

我們從上面通用發(fā)展扁線電機(jī)的三次迭代可以看出，定指標(biāo)時(shí)很大膽，要求提得很高，但具體實(shí)施時(shí)缺失小步快跑，謹(jǐn)慎迭代，不急不躁，拒絕大躍進(jìn)，保守中蘊(yùn)藏進(jìn)步。


例如雙V結(jié)構(gòu)一直沒有改變，每次只是在細(xì)節(jié)上優(yōu)化。扁線繞組也是小步快跑，先給出一個(gè)有瑕疵的方案，然后逐步改善端部成型工藝，后又改善絕緣結(jié)構(gòu)，最后解決高速AC電阻問題。


不追求畢其功于一役，每一代只解決幾個(gè)方面或領(lǐng)域的小問題，這是一種反急功近利的心態(tài)，沒有急著想一步到位，而是做時(shí)間的朋友，這種“日拱一卒”逐步改善的精神，當(dāng)為吾輩工程師的座右銘。