扁线电机与圆线电机的对比分析

 

 电驱动系统作为新能源汽车的核心部件，对于汽车的动力、经济性、舒适性、安全性以及汽车寿命都有着重要的影响。

电驱动系统中，又以电机作为核心中的核心。电机的性能很大程度上决定了整车的性能。当前从产业化的需求来讲，低成本、小型化、智能化是重中之重。

今天我们就来看看电机新技术——扁线电机的概念和定义，以及相对于传统的圆线电机，扁线电机都有哪些优劣势。

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扁线电机定义

扁线电机特指定子绕组所用的导线形态发生变化，从多根细的圆线转变成几根粗的矩形导线，俗称扁线。

扁线驱动电机整机结构与圆线电机没有大的区别，基本包括铝壳、前后轴承、定子总成、转子总成、温感器、旋变器、EMC部件等几大部分。

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扁线电机优势

扁线电机的核心优势在于其体积小、效率高、导热强、温升低、噪音小。具体展开如下：

优点①：体积小

在相同功率下，相比于传统圆线电机，扁线电机的体积更小，用材更少，成本更低，或者相同体积，槽满率提升，功率密度提升。

圆线变成扁线，从理论上来说，在空间不变的前提下，填充的铜可以增加20-30%。

这也意味着，某种程度上功率增加了20-30%。换言之，当功率相同时，电机的外径和体积减小，进而减少了电机材料的用量。

有学者研究表明，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。

其中绕组铜耗占比50%以上，铜耗大小又和绕组电阻成正比P=I^2*R，或者Q=I^2*R*t（其中P=导线发热功率；I=电流；R=绕组电阻；t为通电时间），减小绕组电阻能直接降低铜耗、提升电机效率和功率密度。

根据导线电阻R=p*I/S（其中p=绕组电阻；I=长度；S=横截面积）可以看出，电阻率、长度一定的情况下，只能提升绕组横截面积来降低电阻，即提升槽满率。

优点②：温度性能更好

基于上述所言，扁线电机的内部更紧凑、空隙更少，扁线与扁线之间的接触面积也就更大，散热和热传导更好；同时绕组和铁心槽之间接触更好，热传导更好。

我们知道，电机对散热和温度非常敏感，散热性提升也带来了性能上的提升。

有实验通过温度场仿真，得出相同设计的扁线电机绕组温升比圆线电机低了10%。除了散热性能变好，包括与温度相关的其他一些性能都能得到改善。

优点③：噪音更小

NVH也是当前电驱动的热门话题之一。扁线电机能使电枢具备更好的刚度，对电枢噪音具有抑制作用。

此外，还可以取相对较小的槽口尺寸，有效降低齿槽力矩，进一步降低电机电磁噪音。

优点④：端部更短

端部指的是铜线在槽外的部分，槽中的铜线对于电机做功有作用，而端部对于电机实际出力并没有贡献，只是起到一个将槽与槽之间的线连接的作用。

传统的圆线电机由于工艺问题，需要将端部留出较长的距离，这是为了防止在加工和其他工艺过程中损伤槽中的铜线，而扁线电机从根本上解决了这一问题。

圆线和扁线绕组截面对比

由于铜线都是硬线，所以在加工是可以不用将端部留出一段，端部更短则能节省铜材，同时也能提高效率。

看完优点，我们再来看看扁线电机目前面临的挑战。

当前行业人员普遍认为扁线电机概括下来有损耗高、设计难、设备难、扁线难等缺点。具体展开如下：

缺点①：损耗高

扁线电机不可避免会遭遇“趋肤效应”——当导体中有交流电或者交变电磁场时，导体内部的电流分布不均匀，电流会趋向于集中在导体表面“皮肤”部分。

这一效应带来的结果是导体的电阻增加，导体的损耗功率也随之增加。在扁线电机中的具体表现为当频率越高，扁线绕组的交流铜耗会越高。

同时该效应还和电磁设计有关，比如槽内磁密幅值、槽口高度等，也和扁铜线的尺寸有关。

缺点②：铜线难

这里的铜线难，指的是扁线电机对于铜线的要求相对于圆线电机更高。要求其具有一定的弹性，且弯折后会有一定程度的反弹。

这一要求，就使得设计难度直线上升，同时电线的绝缘层也会因为弯折和反弹变得更易损坏，产生缺口。

而扁线中的发卡电机对于铜线要求更高，传统扁线电机在绕组成型后可以进行包裹绝缘处理，但是发卡电机不行。

值得一提的是，日立金属还专门为普锐斯电机开发了铜线，来解决这方面的问题。

 

缺点③：设备难

扁线由于工序复杂、精度要求高，通过人工制造基本不可能实现大规模量产，必须依赖专业的高端设备，这是大规模普及的前提，也是制约其国产化的一个重要原因。

从供应商来看，目前国内这方面的设备供应商尚未达到成熟完备的状态；而在国外，日本、意大利、德国是世界主要的扁线电机供应商国家，但其价格非常高昂。

发卡式扁线电机制备工艺较繁琐

缺点④：设计难

扁线电机由于上述几点原因，其系列化设计非常难，其中柔性设计又是“难上加难”，非常考验电机设计师的功力。

从设计角度来看，如果要做100kW的电机，那么会要求设计师扩展系列方案，从80-120kW这个区间内都需要进行设计。一是为了满足潜在的需求，二是为了拉开与其他企业在设计上的差异。

而相比之下，圆线电机的设计要简单的多：其铁芯和槽数基本相同，不同之处在于长度和线圈匝数，系列化设计相对简便。

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扁线电机是必然趋势

为什么扁线电机是必然趋势？

我国“十三五规划”提出，新能源汽车驱动电机的峰值功率密度要达到4kW/kg，而且这是产品级标准。

来源：科技部高新司《“新能源汽车”

试点专项2017年度项目申报指南建议》

行业目前产品级的平均功率密度大约在3.2-3.3kW/kg左右。这意味着我们的功率密度至少还要提升30%。

扁线电机就是提升功率密度的解决方案之一。业界对于扁线电机趋势已达成基本共识，背后原因就在于其潜力非常之大。

以国外车企为例，有许多知名品牌已经早早开始使用扁线技术。

比如雪佛兰VOLT就采用了发卡扁线电机技术。值得一提的是，当时雪佛兰的供应商雷米在2015年被汽车零部件巨头博格华纳收购，而后者正是目前电驱动技术领域的佼佼者之一。

 

此外，2013年尼桑在电动车也采用了日立的扁线电机；2015年丰田Prius 4也采用了日本电装提供的扁线电机。这也使得2017年上半年Prius插混的销量达到近2.69万辆，排到全球第一。

 

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国内布局与市场空间

除了上文所说的雷米、日立、日本电装等知名的企业之外，国内也有不少企业正在加速布局。

此前我们也报道过，方正电机拟投资5亿元，在浙江丽水投建100万台/年新能源汽车驱动电机项目。除了方正电机这样的老牌企业，国内还有不少新势力也在加快布局。

在市场空间方面，此前有业内人士分析，按2020年160万辆新能源乘用车销量估算，国内需求80万套扁线电机，市场规模接近30亿元；

在此之后的2021-2022年间，预计扁线电机在新能源乘用车领域渗透率将达到90%，届时将达到288万套的需求，市场规模也将达到90亿元。

在技术要求、行业整体走向以及政策导向方面，扁线电机势必成为新能源领域的一大趋势，在这趋势背后将有更多的机遇。