2022-03-2307:00电机技术及应用。

电动驱动系统作为新能源汽车的核心部件，对汽车的动力、经济性、舒适性、安全性和使用寿命都有重要影响。

在电动驱动系统中，电机是核心。电机的性能在很大程度上决定了汽车的性能。目前，从工业需求的角度来看，低成本、小型化、智能化是首要任务。

今天我们来看看电机新技术——扁线电机的概念和定义，以及与传统圆线电机相比的缺点。

01

定义扁线电机。

扁线电机特定指定子绕组所用的导线形态发生变化，由多根细线变为几根粗矩形导线，俗称扁线。

扁线驱动电机的整机结构与圆线电机没有太大区别，主要包括铝壳、前后轴承、定子总成、转子总成、温度传感器、旋转变器、EMC部件等。

02

扁线电机的优点。

扁线电机的核心优点是体积小、效率高、导热性强、温升低、噪音低。具体展开如下：

优点①：体积小。

与传统功率相比，扁线电机体积小，材料少，成本低，或密度增加。

理论上讲，在空间不变的前提下，填充的铜可以增加20-30%。

这也意味着功率在一定程度上增加了20-30%。换句话说，当功率相同时，电机的外径和体积减小，从而减少电机材料的用量。

研究表明，永磁电机损耗由绕组铜耗、铁耗、风磨杂散、磁钢涡流损耗组成。

绕组铜耗占50%以上，铜耗与绕组电阻成正比P=I^2*R，或Q=I^2*R*T(P=导线加热功率；I=电流；R=绕组电阻；T为通电时间)，减少绕组电阻可直接降低铜耗，提高电机效率和功率密度。

根据导线电阻R=P*I/S(包括P=绕组电阻;I=长度;S=横截面积)，在电阻率和长度一定的情况下，绕组横截面积只能为槽满率。

优点②：温度性能较好。

基于上述情况，电机内部更紧凑，间隙更小，扁线与扁线接触面积更大，散热传导更好，绕组与铁心槽接触更好，导热性更好。

众所周知，电机对散热和温度非常敏感，散热的提高也带来了性能的提高。

通过温度场模拟，得出同样设计的扁线电机绕组温升比圆线电机低10%的结论。除了更好的散热性能，包括其他与温度相关的性能。

优点③：噪音小。

NVH也是电驱动的热门话题之一。扁线电机能使电枢具有更好的刚度，抑制电枢噪声。

此外，槽口尺寸相对较小，可有效降低齿槽扭矩，进一步降低电机电磁噪声。

优点④：端部较短。

端部是指槽外的铜线。槽内的铜线对电机有影响，而端部不贡献电机的实际输出，只连接槽与槽之间的线。

由于工艺问题，传统的圆形电机需要在端部留下长距离，防止线电机在加工过程中损坏，从根本上解决了这个问题。

与扁线绕组截面对比圆线。

因为铜线都是硬线，所以在加工过程中不需要留一段端部，端部较短可以节省铜材，还可以提高效率。

看完优点，我们来看看扁线电机面临的挑战。

目前业内人士普遍认为，扁线电机存在损耗高、设计难、设备难、扁线难等缺点。具体情况如下：

缺点①：损耗高。

当导体中有交流电或交变电磁场时，导体内部的电流分布不均匀，电流通常集中在导体表面的皮肤上。

这种效应的结果是导体的电阻增加，导体的损耗功率增加。在扁线电机中，频率越高，扁线绕组的交流铜消耗就越高。

同时，该效果还与电磁设计有关，如槽内磁密度值、槽口高度等，也与扁铜线的尺寸有关。

缺点②：铜线难。

这里的铜线很难，这意味着扁线电机对铜线的要求高于圆线电机。它需要一定的弹性，弯曲后会有一定程度的反弹。

这一要求使得设计难度急剧上升，由于弯曲和反弹，电线的绝缘层更容易损坏，产生缺口。

扁线中的发卡电机对铜线要求较高。传统的扁线电机在绕组成型后可以包裹绝缘，但发卡电机不好。

值得一提的是，日立金属还专门为普锐斯电机开发了铜线，以解决这一问题。

缺点③：设备难。

由于工艺复杂，精度要求高，人工制造基本上不可能实现大规模生产，必须依靠专业的高端设备，这是大规模普及的前提，也是制约其定位的重要原因。

从供应商的角度来看，国内设备供应商尚未达到成熟和完整的状态；在国外，意大利和德国是世界上主要的扁线电机供应商国家，但价格非常高。

发卡式扁线电机制备工艺繁琐。

缺点④：设计难。

由于上述原因，扁线电机的系列设计非常困难，其中柔性设计更为困难，这是对电机设计师技能的一大考验。

从设计角度看，如果要制造100kW电机，设计师需要从80-120kW扩展一系列方案。一是满足潜在需求，二是扩大与其他企业的设计差异。

相比之下，圆线电机的设计要简单得多：铁芯和槽数基本相同，区别在于长度和线圈匝数，系列设计相对简单。

03

扁线电机是必然趋势。

为什么扁线电机是必然趋势？

根据十三五规划，新能源汽车驱动电机的峰值功率密度应达到4kW/kg，这是产品级标准。

资料来源：科技部高新司新能源汽车。

2017年试点项目申报指南。

目前产品级平均功率密度在3.2-3.3kW/kg左右。这意味着我们的功率密度至少要提高30%。

扁线电机是提高功率密度的解决方案之一。该行业就扁线电机的趋势达成了基本共识，其背后的原因是其巨大的潜力。

以国外汽车公司为例，许多知名品牌早早开始使用扁线技术。

例如，雪佛兰VOLT采用了发卡平线电机技术。值得一提的是，雪佛兰供应商雷米于2015年被汽车零部件巨头博格华纳收购，这是电动驱动技术领域的领导者之一。

此外，2013年，尼桑还在电动汽车上使用了日立扁线电机；2015年，丰田Prius4还采用了日本电装提供的扁线电机。这也使得Prius在2017年上半年销量达到近2.69万辆，居世界第一。

04

国内布局和市场空间。

除了述雷米、日立、日本电装等知名企业外，国内也有不少企业在加快布局。

我们之前也报道过，方正电机计划投资5亿元，在浙江丽水投资建设100万台/年新能源汽车驱动电机项目。除了方正电机等老牌企业，国内还有很多新势力加快布局。

在市场空间方面，据业内人士分析，根据2020年160万辆新能源乘用车销量，国内需求80万台扁线电机，市场规模接近30亿元；

2021-2022年，预计扁线电机在新能源乘用车领域的渗透率将达到90%，届时将达到288万套，市场规模将达到90亿元。

在技术要求、行业整体方向和政策方向上，扁线电机势必成为新的。