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一文講透扁線電機(jī)
2022-02-13 11:45:20· 來源：驅(qū)動(dòng)視界
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
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)，在國外則稱之為Hair-pin電機(jī)。
Hair pin是目前比較常見的扁線繞組形式，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。
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，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。
通俗來講，槽滿率越高，就代表著線圈中導(dǎo)線越多，產(chǎn)生的磁場會(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%。反過來說，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。
具體來說，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)在新能源汽車市場是不招待見的，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。
盡管從長期來看，扁線電機(jī)是未來驅(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)線所帶來的另一個(gè)問題是，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)角度來說，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)是端部兩頭都需要焊接。
Hair pin
Hair pin是目前比較常見的扁線繞組形式，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)來說，損耗來自于這幾個(gè)方面：
圓線變成扁線，從理論上來說，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)的磁場強(qiáng)度，從某種程度上等同于增加20-30%的功率。簡單來說，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；反過來，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%，目前國內(nèi)較高水平可達(dá)75%槽滿率，未來還有較大增長空間。
目前國內(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為長度，S為橫截面積)可以看出，電阻率、長度一定的情況下，只能提升繞組橫截面積來降低電阻，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。
有人通過溫度場仿真，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)的出力是沒有貢獻(xiàn)的，但它又是必不可少。如果沒有這段線，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)，由于工藝問題，它的端部一般留得比較長，否則很容易在工藝過程中損傷銅線。端部的銅對(duì)電機(jī)功率沒有幫助，只是起到連接作用，會(huì)產(chǎn)生額外電損耗，所以越短越好。
▲Nidec 150kW EM
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。
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）
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)來說，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，以前都是做一萬轉(zhuǎn)甚至是一萬二，現(xiàn)在往一萬六甚至是兩萬的方向做。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?，絕緣層容易損壞而產(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。
通過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。
國外有日本、意大利、德國的供應(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)的角度來說，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)的性能帶來較大的影響。
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：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，說明可行性沒有問題，核心問題是如何實(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)。
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
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峰值性能（相同峰值持續(xù)時(shí)間）
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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
扁線電機(jī)的劣勢(shì)主要在生產(chǎn)制造階段：設(shè)備投入大，工序多，工藝復(fù)雜且維修性差，需要不斷提升工藝水平。
扁線電機(jī)是一項(xiàng)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到制造工藝等環(huán)節(jié)都截然不同于傳統(tǒng)電機(jī)的技術(shù)。尤其是生產(chǎn)工藝，例如線圈成型、扭頭、焊接、浸漬等，都需要全新的開發(fā)。
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
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
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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
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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
從長期來看，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。
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）提供的扁線電機(jī)；日產(chǎn)、豐田等車企也都應(yīng)用過該技術(shù)（豐田第四代普銳斯的扁線電機(jī)來自日本電裝）。
回顧扁線電機(jī)的發(fā)展歷程，在國外雪佛蘭Volt與豐田第四代Pruis早已經(jīng)開始應(yīng)用扁線電機(jī)，而國內(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)，那為什么之前沒有被廣泛應(yīng)用？
首先，在前兩年對(duì)于新能源整車來說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、技術(shù)層面都不利于扁線電機(jī)的實(shí)際應(yīng)用。
過去因?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)無法大量應(yīng)用，但是這些年電機(jī)企業(yè)并沒有停下研發(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)速越來越高，通過繞組的交流電的頻率也越來越高。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11.5%，切實(shí)提升車輛續(xù)航里程。
特斯拉國產(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)。
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，這些問題都是可以逐步解決的。
可以預(yù)見，未來扁線電機(jī)會(huì)有更廣闊的應(yīng)用市場，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)開拓出更加光明的未來。
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