電驅動系統(tǒng)作為新能源汽車的核心部件，對于汽車的動力、經(jīng)濟性、舒適性、安全性以及汽車壽命都有著重要的影響。

電驅動系統(tǒng)中，又以電機作為核心中的核心。電機的性能很大程度上決定了整車的性能。當前從產(chǎn)業(yè)化的需求來講，低成本、小型化、智能化是重中之重。

今天我們就來看看電機新技術——扁線電機的概念和定義，以及相對于傳統(tǒng)的圓線電機，扁線電機都有哪些優(yōu)劣勢。

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扁線電機定義

扁線電機特指定子繞組所用的導線形態(tài)發(fā)生變化，從多根細的圓線轉變成幾根粗的矩形導線，俗稱扁線。

扁線驅動電機整機結構與圓線電機沒有大的區(qū)別，基本包括鋁殼、前后軸承、定子總成、轉子總成、溫感器、旋變器、EMC部件等幾大部分。

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扁線電機優(yōu)勢

扁線電機的核心優(yōu)勢在于其體積小、效率高、導熱強、溫升低、噪音小。具體展開如下：

優(yōu)點①：體積小

在相同功率下，相比于傳統(tǒng)圓線電機，扁線電機的體積更小，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，填充的銅可以增加20-30%。

這也意味著，某種程度上功率增加了20-30%。換言之，當功率相同時，電機的外徑和體積減小，進而減少了電機材料的用量。

有學者研究表明，永磁電機損耗由繞組銅耗、鐵耗、風磨雜散、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=導線發(fā)熱功率；I=電流；R=繞組電阻；t為通電時間），減小繞組電阻能直接降低銅耗、提升電機效率和功率密度。

根據(jù)導線電阻R=p*I/S（其中p=繞組電阻；I=長度；S=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，即提升槽滿率。

優(yōu)點②：溫度性能更好

基于上述所言，扁線電機的內(nèi)部更緊湊、空隙更少，扁線與扁線之間的接觸面積也就更大，散熱和熱傳導更好；同時繞組和鐵心槽之間接觸更好，熱傳導更好。

我們知道，電機對散熱和溫度非常敏感，散熱性提升也帶來了性能上的提升。

有實驗通過溫度場仿真，得出相同設計的扁線電機繞組溫升比圓線電機低了10%。除了散熱性能變好，包括與溫度相關的其他一些性能都能得到改善。

優(yōu)點③：噪音更小

NVH也是當前電驅動的熱門話題之一。扁線電機能使電樞具備更好的剛度，對電樞噪音具有抑制作用。

此外，還可以取相對較小的槽口尺寸，有效降低齒槽力矩，進一步降低電機電磁噪音。

優(yōu)點④：端部更短

端部指的是銅線在槽外的部分，槽中的銅線對于電機做功有作用，而端部對于電機實際出力并沒有貢獻，只是起到一個將槽與槽之間的線連接的作用。

傳統(tǒng)的圓線電機由于工藝問題，需要將端部留出較長的距離，這是為了防止在加工和其他工藝過程中損傷槽中的銅線，而扁線電機從根本上解決了這一問題。

圓線和扁線繞組截面對比

由于銅線都是硬線，所以在加工是可以不用將端部留出一段，端部更短則能節(jié)省銅材，同時也能提高效率。

看完優(yōu)點，我們再來看看扁線電機目前面臨的挑戰(zhàn)。

當前行業(yè)人員普遍認為扁線電機概括下來有損耗高、設計難、設備難、扁線難等缺點。具體展開如下：

缺點①：損耗高

扁線電機不可避免會遭遇“趨膚效應”——當導體中有交流電或者交變電磁場時，導體內(nèi)部的電流分布不均勻，電流會趨向于集中在導體表面“皮膚”部分。

這一效應帶來的結果是導體的電阻增加，導體的損耗功率也隨之增加。在扁線電機中的具體表現(xiàn)為當頻率越高，扁線繞組的交流銅耗會越高。

同時該效應還和電磁設計有關，比如槽內(nèi)磁密幅值、槽口高度等，也和扁銅線的尺寸有關。

缺點②：銅線難

這里的銅線難，指的是扁線電機對于銅線的要求相對于圓線電機更高。要求其具有一定的彈性，且彎折后會有一定程度的反彈。

這一要求，就使得設計難度直線上升，同時電線的絕緣層也會因為彎折和反彈變得更易損壞，產(chǎn)生缺口。

而扁線中的發(fā)卡電機對于銅線要求更高，傳統(tǒng)扁線電機在繞組成型后可以進行包裹絕緣處理，但是發(fā)卡電機不行。

值得一提的是，日立金屬還專門為普銳斯電機開發(fā)了銅線，來解決這方面的問題。

缺點③：設備難

扁線由于工序復雜、精度要求高，通過人工制造基本不可能實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，必須依賴專業(yè)的高端設備，這是大規(guī)模普及的前提，也是制約其國產(chǎn)化的一個重要原因。

從供應商來看，目前國內(nèi)這方面的設備供應商尚未達到成熟完備的狀態(tài)；而在國外，日本、意大利、德國是世界主要的扁線電機供應商國家，但其價格非常高昂。

發(fā)卡式扁線電機制備工藝較繁瑣

缺點④：設計難

扁線電機由于上述幾點原因，其系列化設計非常難，其中柔性設計又是“難上加難”，非?？简炿姍C設計師的功力。

從設計角度來看，如果要做100kW的電機，那么會要求設計師擴展系列方案，從80-120kW這個區(qū)間內(nèi)都需要進行設計。一是為了滿足潛在的需求，二是為了拉開與其他企業(yè)在設計上的差異。

而相比之下，圓線電機的設計要簡單的多：其鐵芯和槽數(shù)基本相同，不同之處在于長度和線圈匝數(shù)，系列化設計相對簡便。

03

扁線電機是必然趨勢

為什么扁線電機是必然趨勢？

我國“十三五規(guī)劃”提出，新能源汽車驅動電機的峰值功率密度要達到4kW/kg，而且這是產(chǎn)品級標準。

來源：科技部高新司《“新能源汽車”

試點專項2017年度項目申報指南建議》

行業(yè)目前產(chǎn)品級的平均功率密度大約在3.2-3.3kW/kg左右。這意味著我們的功率密度至少還要提升30%。

扁線電機就是提升功率密度的解決方案之一。業(yè)界對于扁線電機趨勢已達成基本共識，背后原因就在于其潛力非常之大。

以國外車企為例，有許多知名品牌已經(jīng)早早開始使用扁線技術。

比如雪佛蘭VOLT就采用了發(fā)卡扁線電機技術。值得一提的是，當時雪佛蘭的供應商雷米在2015年被汽車零部件巨頭博格華納收購，而后者正是目前電驅動技術領域的佼佼者之一。

此外，2013年尼桑在電動車也采用了日立的扁線電機；2015年豐田Prius 4也采用了日本電裝提供的扁線電機。這也使得2017年上半年Prius插混的銷量達到近2.69萬輛，排到全球第一。

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國內(nèi)布局與市場空間

除了上文所說的雷米、日立、日本電裝等知名的企業(yè)之外，國內(nèi)也有不少企業(yè)正在加速布局。

此前我們也報道過，方正電機擬投資5億元，在浙江麗水投建100萬臺/年新能源汽車驅動電機項目。除了方正電機這樣的老牌企業(yè)，國內(nèi)還有不少新勢力也在加快布局。

在市場空間方面，此前有業(yè)內(nèi)人士分析，按2020年160萬輛新能源乘用車銷量估算，國內(nèi)需求80萬套扁線電機，市場規(guī)模接近30億元；

在此之后的2021-2022年間，預計扁線電機在新能源乘用車領域滲透率將達到90%，屆時將達到288萬套的需求，市場規(guī)模也將達到90億元。

在技術要求、行業(yè)整體走向以及政策導向方面，扁線電機勢必成為新能源領域的一大趨勢，在這趨勢背后將有更多的機遇。

審核編輯 ：李倩