新能源汽車扁線電機技術淺析

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摘要：從新能源汽車電機小型化、輕量化和高功率密度化的角度闡述新能源汽車對扁線電機技術的需求。對比分析扁線電機較圓線電機的性能優(yōu)勢與不足，闡述不同工藝類型的扁線電機及其結構和性能特點，介紹了Hair-pin電機的生產制造工藝工序及其性能優(yōu)勢。最后對扁線電機技術未來發(fā)展與研究趨勢進行了展望。

關鍵詞：扁線電機技術；發(fā)卡電機；集中繞組；I-PIN；制造工藝

0引言

隨著新能源汽車產業(yè)的逐年發(fā)展，電動汽車產銷量爆發(fā)式增長，對高性能高效率電機的需求也越來越大，工信部和發(fā)改委提出規(guī)劃要在2025年實現(xiàn)乘用車功率度大于4kW/kg，進一步推動對電機更高功率密度的追求。電驅系統(tǒng)的高效化、輕量化、小型化、低成本是未來的趨勢；而電驅系統(tǒng)集成化、電機扁線化是實現(xiàn)輕量化和小型化的主要技術路線。扁線繞組以其相比圓線繞組具有的獨特優(yōu)勢獲得了快速發(fā)展，成為新能源汽車電機研究與發(fā)展的熱點方向。扁線電機也被國內外廣泛采用，新能源車型扁線電機滲透率逐年提升。本文將簡要介紹扁線繞組技術，對比分析論證扁線電機的優(yōu)勢，介紹Hair-pin電機生產制造工藝，總結近年來扁線電機應用的新技術新工藝以及未來優(yōu)化研究方向，為扁線電機研究提供參考。

1扁線電機技術簡介

條形繞組電機（Bar-woundmotor）國內習慣稱為扁線電機，扁線電機技術指電機定子采用扁銅線繞組替代原先的圓銅線繞組，同時根據(jù)扁線繞組的特殊結構配備獨特的定轉子結構優(yōu)化、冷卻方案優(yōu)化與控制優(yōu)化等技術的總稱。扁銅線繞組指電機定子槽型結構等發(fā)生改變同時由少而粗的矩形導線替代原先多而細的圓導線作為繞組。扁線電機以其小尺寸、高槽滿率、高功率密度、良好的NVH性能以及更好的熱傳導和散熱性能等優(yōu)勢，在新能源汽車領域獲得廣泛應用。

2扁線電機與圓線電機對比

電機能量損耗主要包括電機銅耗、電機鐵耗、風摩損耗以及雜散損耗，而其中電機銅耗占比近七成，降低電機銅耗能夠大幅減少電機能量損耗，提升電機功率密度。直流銅損計算公式如式（1）所示，扁線繞組采用矩形銅線相比圓銅線繞組圓而細的銅線具有顯著的截面積變化，能夠有效降低繞組電阻從而降低銅耗。同時矩形導線繞組相比細圓導線繞組扁線間間隙更小，相同定子槽體積下能裝更多繞組銅線，因此具有更高的槽填充率。圓線電機槽滿率40%左右而扁線電機槽滿率可高達70%，高槽滿率下相同電機功率扁線電機銅線填充量更少，定子鐵芯和端部尺寸得以減小，使得電機尺寸也更小，節(jié)省材料的同時進一步提升電機功率密度。Pcu=I2R=I2籽L/S（1）扁線電機相比圓線電機定子具有更小的槽口尺寸，能夠有效降低齒槽力矩從而降低電磁噪聲，同時矩形導線剛性更大，對電樞噪音也具有抑制作用，再配合轉子磁極與結構優(yōu)化，使其具有更優(yōu)的NVH性能[1]。扁線電機繞組端部繞制成特殊形狀，如波浪形、三角形、階梯形等如圖2所示，有效的降低了繞組端部尺寸，有利于是實現(xiàn)小型化和輕量化[2]。同時矩形導體使得內部空隙變少，導體與導體和導體與鐵芯槽間接觸面積更大，熱傳導和散熱性能更好。繞組端部導體間都留有最小空氣間隙，更方便散熱，同時配合端部噴油冷卻技術進一步提升扁線電機散熱性能；更低溫升條件下，整車具備更好加速性能，有效提升車輛高溫動力性。扁線電機也存在不足，其受趨膚效應影響較大。趨膚（集膚）效應指導體內存在交流電或交變磁場時，導體內部電流分布不均，越靠近導體表面部分，電流密度越大；降低了有效通電銅線面積，使得繞組等效電阻增加，高頻交流損耗增加。導體的長寬比、放置方向、繞組分相等都對趨膚效應有影響，同相同槽繞組比異相同槽繞組趨膚效應嚴重。同等槽深槽寬下，通過增加導體層數(shù)有利于降低趨膚效應，降低高轉速下電機交流損耗提升電機性能。另一個限制扁線電機發(fā)展的是其自動化生產線價格昂貴，是圓線定子自動生產線的2-3倍，企業(yè)前期投入巨大。

3扁線電機分類

扁線電機按產品類型可分為集中繞組扁線電機、波繞組扁線電機與Hairpin（發(fā)卡）扁線電機，其中發(fā)卡扁線電機技術是被廣泛采用的主流技術。集中繞組采用扁銅線繞制成單齒繞組如圖3（a）所示，再一個齒對應一個單齒繞組安裝，因其短跨距的線圈端部可有效降低端部尺寸，其工藝相比Hairpin扁線電機也更簡單。該結構因其分數(shù)次諧波過多，具有轉矩脈動較大，徑向力較復雜的缺點；為了降低齒槽轉矩、轉矩脈振動，該結構在裝配工藝上需保證圓度、同軸度以及齒與齒間的均勻分布，裝配要求更高。集中繞組技術在工業(yè)電機領域應用較多，新能源汽車電機領域也有部分廠家在研究應用；如本田Honda在其Acura混動車型上便采用了該技術，以其獨特的分數(shù)槽集中繞組、分瓣式定子結構與相關優(yōu)化技術取得了不錯效果。采用了集中繞組技術的松正270系列PHEV-P2電機圖3（b），以其獨特的優(yōu)勢應用與混動方案中。波繞組扁線電機采用繞組連續(xù)繞制整體成型再插入，或者邊繞制邊插入定子槽，形成波浪形端部，其相比Hair-pin扁線電機沒有焊點，能進一步縮短繞組端部高度，降低電機尺寸。但該類型定子總成槽口尺寸較寬，使得齒槽轉矩更大，轉矩脈動偏高，NVH性能較差，需配合電磁多目標優(yōu)化設計及其他措施改進優(yōu)化；同時其生產成本較Hair-pin電機更高。Hair-pin（U-pin）因其繞組形似“發(fā)卡”又被稱為發(fā)卡繞組，是將漆包扁銅線一端預先成型成U型，再插入定子鐵心槽中，另一端扭轉加工成青蛙腿形狀，再焊接在一起形成波浪型繞組[3]。另一種I-PIN繞組工藝直接將直銅線直接插入定子鐵芯槽中，再兩端部同時扭成青蛙腿形狀焊接在一起形成波繞組，省去了U-PIN繞組中的預先成型工藝。U-PIN和I-PIN扁線繞組同屬于第二代軸向嵌裝繞組，兩者相比在最高效率和峰值扭矩上不相上下，但后者相比前者具有更高的槽滿率、持續(xù)扭矩和持續(xù)功率；因后者焊點多了一倍，繞組端部尺寸稍微增加，同時焊點失效風險也更高。Hair-pin繞組工藝是目前國內外廣泛采用的工藝路線。

4發(fā)卡線圈工藝

發(fā)卡技術是一種大規(guī)模、高質量、低周期定子生產技術，該工藝鏈主要由以下五步組成：成型（漆包銅扁線的較直、剝線、切割、彎曲）、插入（定子槽槽襯以及發(fā)卡線圈組合插入）、扭頭、焊接與絕緣[4]。工藝步驟圖解如圖4所示。發(fā)卡繞組銅線間除了絕緣漆膜絕緣外，同時加入定子槽槽襯將導體彼此隔開，以消除匝間或導體與定子鐵芯的直接接觸，提升絕緣性能，增強短路保護。所以需要插入絕緣槽紙，常見槽紙形狀有O型、C型、B型、S型等如圖5所示。B型槽襯消除了S型槽襯在轉角處的縫隙，增強了對短路故障的保護[5]。插紙工序預先將絕緣槽紙插入定子槽中，隨著扁導線層數(shù)的增加，工藝難度也大幅增加。PIN成型工藝包括沖壓成型、彈簧機和數(shù)控CNC設備自動成型等，前者成型速度快、成本低但對銅線損傷較大，后者通用性好對銅線損傷小但設備成本較高。PIN成型后預先插入仿形工裝中成型，隨著扁線層數(shù)的增加，跨導線自動插入的難度也加大。接著將仿形工裝中所有PIN整體插至鐵芯中相應設計尺寸，該工序對設備精度要求很高。再通過擴口、扭頭和切平工序將繞組端部平整齊以便焊接。目前扁線電機最流行TIG焊接和激光焊接，也有其他公司在試驗CMT冷焊等焊接方法。焊接完成后需先對繞組進行電性能檢測、相電阻相電感及其平衡檢測以及耐壓耐電阻測試等，通過檢測測試后再進行涂敷。涂敷工藝根據(jù)涂敷材料不同分粉末涂敷與液態(tài)涂敷，兩者工藝順序有所差別，粉末涂敷采用先涂敷在浸漆，液態(tài)涂敷采用先浸漆再涂敷。浸漆工藝根據(jù)材料的不同有傳統(tǒng)浸漆、真空浸漆、真空壓力浸漆、滴浸、EUV浸漆等。

5研究發(fā)展趨勢

5.1導體層數(shù)逐漸增加

如圖6所示，增加導體層數(shù)能夠有效降低交流銅耗從而降低電機總銅耗，提升電機整體性能。為了進一步降低趨膚效應帶來的高速交流損耗，發(fā)卡電機采用的增加導體層數(shù)的方法來優(yōu)化，從已經(jīng)應用的4層、6層、8層方案到正在研究的12層、16層方案，導體層數(shù)存在逐漸增加的趨勢。研究難點主要在工藝水平限制與制造成本的控制[6]。

5.2優(yōu)化絕緣

較復雜的絕緣槽紙，使得安裝工藝步驟更復雜，同時對數(shù)控安裝設備精度要求也更高，對更優(yōu)絕緣工藝的研究成為重要方向。雪佛蘭Bolt電機簡化了絕緣槽襯，使用了更簡單的兩件式槽絕緣，以保護繞組不會短路到定子鐵芯。新的設計如圖7（a）所示，相比S型B型絕緣槽襯其消除了導體間的絕緣，進一步提升了槽滿率，簡化了定子制造工藝。同時為了最小化槽內導線間電壓電位，通用公司對繞組布局等做了相關優(yōu)化。也有在導體基礎絕緣層外加裝高分子聚合物絕緣層，如圖7（b）所示，從而省去槽襯，來解決繞組匝間絕緣的問題，簡化生產工藝[2]。

5.3廣泛采用油冷技術

繞組熱量需經(jīng)過槽內絕緣層-定子鐵芯-機殼的較長路徑才被水帶走，期間存在的熱阻極易形成局部熱點，使得水冷散熱方式效率低下。油冷可直接接觸熱源，且對電機磁路無影響，散熱效率更高的油冷技術成為研究熱點。電機主要熱量集中在繞組端部，扁線電機獨特的端部噴油冷卻能更好的實現(xiàn)散熱。油路冷卻、噴油冷卻、軸心甩油冷卻和定子密閉循油冷卻等技術在扁線電機上獲得廣泛應用研究。

6結束語

新能源汽車的快速發(fā)展，扁線電機以其獨特的優(yōu)勢獲得廣泛應用，滲透率逐年提升。扁線電機在新能源汽車電機小型化、輕量化和高功率密度化方面具有重要應用研究意義。本文簡要分析介紹了扁線電機相比傳統(tǒng)圓線電機具有的優(yōu)勢、主流發(fā)卡繞組的生成工藝工序以及其扁線電機技術研究與發(fā)展趨勢，為增強對扁線電機及其相關技術的認識與研究提供參考。

作者:蘭鵬宇 單位:重慶交通大學機電與車輛工程學