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扁线电机优缺点介绍、应用解析及发展趋势展望

作者: 来源: 日期:2022/5/18 12:49:14 人气:2103


扁线电机目前在中国都比较关注,但应用比较少,主要因为新能源市场发展时间较短,主要的市场份额集中在微型乘用车市场。


国外已有成熟的扁线电机产品应用于新能源汽车,特别是日本及欧美企业,丰田以及通用都采用了扁线电机。

最具有代表性的便是雪佛兰VOLT(雷米电机)和丰田普锐斯(日本电装),均采用油冷冷却方案。
除雷米、电装、日立等国外供应商外,国内有稳定出货量的供应商主要有华域电动、松正电机,以及即将投产的方正电机。

驱动电机主要由定子组件、转子组件、端盖和辅助标准件组成,而定子绕组中又包括铁芯、铜线绕组、绝缘材料等组成。

扁线电机顾名思义就是定子绕组中采用扁铜线,先把绕组做成类似发卡一样的形状,穿进定子槽内,再在另外一端把发卡的端部焊接起来。

▲分段发卡绕组

▲连续发卡绕组


扁线电机的优势

优势1:相同功率,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,扁线电机可以做到70%的槽满率,填充的铜可以增加20-30%,产生更强的磁场强度,从某种程度上等同于增加20-30%的功率。


优势2:温度性能更好。内部空隙变少,扁线与扁线之间的接触面积大,散热和热传导更好;绕组和铁心槽之间接触更好,热传导更好;而电机对散热和温度是非常敏感的,散热性变好,性能会提升。有人通过温度场仿真,得出相同设计的扁铜线电机绕组温升比圆铜线电机低10%。


优势3:电磁噪音更低。扁线电机导线的应力比较大,刚性比较大,电枢具备更好的刚度,对电枢噪音具有抑制作用;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。


优势4:端部短,节省铜材,提升效率。传统的圆线电机,由于工艺问题,它的端部一般留得比较长,否则很容易在工艺过程中损伤铜线。对扁线电机来说,因为线都是硬线,可以在加工的时候把端部做得小一点,与圆线电机相比减少20%的端部尺寸,空间进一步降低,可以把系统的体积进一步缩小,实现小型化和轻量化。


优势5:扁线电机最高效率点不一定比圆线高多少,但高效区可以进一步拓宽。


扁线电机的劣势


劣势1:高速集肤效应。新能源汽车做高功率密度要求往高转速走,以前都是做一万转甚至是一万二,现在往一万六甚至是两万的方向做。需要在电机设计的过程中有一些好的方法解决掉,这是一个不好的地方。


劣势2:铜线要求高,圆线电机铜线国内做的厂家比较多,并且质量做的可以非常好。能够做扁线电机比较好的厂家不多,要求比较高,也需要大家一起共同努力把材料解决掉。


劣势3:扁线对加工工序多,设备精度要求高,前期投入大,因为它的精度如果不高,产品的可靠性和一致性都会比较差。车企担心的也是质量的可靠性以及稳定性。


劣势4:系列化的设计难,电机要想把成本降低,最好是把它做到系列化,系列化的设计是目前扁线电机不如圆线电机的地方。


劣势5:专利壁垒过多,扁线电机专利目前主要还是在欧美及日本企业里,中国企业掌握专利少,我们有专利布局,但不尽如人意。


劣势6:扁线成型要求高和加工难度大。铜线由于具有一定的弹性,因此在设计时就必须留有变形余量。


劣势7:绝缘涂层在烘干后会产生收缩形变,如果是圆线的话,收缩会比较均匀,扁线则容易产生损坏,导致在实际加工中,扁线的良品率远远低于圆线。


扁线电机生产工艺

发卡电机定子主要生产工艺流程,线成型和纸成型以及插纸,这两个工序同步进行。进入到定子的插线工艺,然后进行扭线,扭线完成后进行焊接的工艺。焊接完成后,电机的定子基本工序完成,后面是涂敷,然后进行性能测试和验证。这是基本的流程,中间有很多细节。


扁线电机生产工艺流程:插槽纸→制造发卡→穿发卡→端环定型→端环焊接→接星点→焊接处绝缘处理


扁线电机应用情况

从长期来看,小型化、高速化将是新能源汽车电机的主要发展趋势,而小型化必然要求电机功率密度有大幅度提升,从技术要求来看,“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,而目前这一数据仅达到3.2-3.3kW/kg。


扁线绕组电机在雪佛兰volt2、尼桑电动车、丰田第四代普锐斯等国外厂商上已经成功应用,是我国下一代新能源汽车电机发展的必然趋势,目前包括比亚迪、上汽、北汽、精进新能源在内主机厂和电机生产企业已经展开了相应的研究。



2020年之前,扁线电机对圆形电机的替代作用仍然不够明显。得益于扁线电机体积小的优势,扁线电机将优先在混动车型上得到大规模应用,尤其是插电车型。但国内由于政策和市场的因素,插电车型占比较低。而纯电领域,目前只有上汽荣威ERX5一款车型装配扁线电机,应用较少。

通用三代扁线电机发展历程给我们的启示

通用第1代扁线电机

Chevrolet Voltec,该电机采用的4ET50驱动系统(Chevrolet Voltec 4ET50-2011)是一款双电机架构系统。其中Motor B电机为扁线发卡电机,功率110kw,转矩370NM,转速9500rpm,槽极比为12极72槽。


▲2011-chevrolet-volt-transmission-cutaway

该电机采用轴向插线的发卡绕组技术,也就说单发卡绕组,这种发卡绕组使得槽内排列非常规整,从而大大提高了槽满率,同时端部精凑型得以增强,这两项的改进最终的效果是直流电阻下降30~40%。

虽然发卡电机能够降低直流电阻,但是它在频率较高时,易在绕组上感生出高频涡流电场,产生集肤效应。


GM用Voltec车型作了电机工作点转速统计,确定在urban2和 US06等工况下电机转速基本在6000rpm以下,没有超过8000rpm,也就是说扁线的低电阻优势得以发挥。从这个角度而言,扁线电机更适用于中低速的应用场合。


圆线绕组端部在浸漆后,成为一个实心整体,冷却油很难渗入内部,带着中间层导体的热量,容易在绕组内部形成热孤岛。4ET50的电机中采用了端部喷油冷却技术,因为扁线端部导体间存在较大的间隙, 喷头出油后,直接渗透入扁线绕组端部,带走每一个导体的热量。扁线和端部油冷配合使用能大幅度提高散热能力,提高功率密度。


通用第2代扁线电机

Spark是在2014年发布的,主驱是一款峰值功率105kw的电机,转速不高只有4500rpm。其采用的技术组合是:轴向插入式扁线+双V转矩结构+喷油冷却技术。

电动机的专项研究工作是由通用汽车位于底特律市郊威克瑟姆镇的试验室负责,马里兰州巴尔的摩进行量产。

纯电动/增程式混动的电机运行时间远大于全/插电混动电机,电机的转矩和功率需求也更高。增程式混动一般选择功率分流驱动结构,B电机作为主驱电机。

第一代雪佛兰沃蓝达的驱动系统所有推进动力由B电机提供,所以B电机需要满足加速和驱动需求。一台发卡永磁B电机和一台集中绕组永磁A电机设计应用于早期产品。选择集中绕组主要是空间限制。

然而,第二代沃蓝达的车辆架构驱动需求分流给A/B电机。最终B电机的尺寸显着缩小。由于A电机转矩需求低,设计了一台铁氧体电机。

另外纯电动汽车典型应用单电机驱动系统,因此,驱动电机倾向于大能力满足车辆加速和驱动需求。通用第一代纯电动雪佛兰Spark电机选择了低速IPM和小的减速比。


如果以标准圆线绕组作为基准对照, 在Voltec中圆线电阻是扁线的1.44倍,而在Spark中圆线电阻达到了扁线电阻的1.56倍。也就是说Spark扁线的电阻下降比例更大。这种进步除了和方案参数本身有关外,还受益于扁线工艺的成熟。

在Spark电机中,发卡的成型和扭曲都采用数控精密控制+模具成型,在成型过程中,不但控制伺服行程,还对作用力进行实时反馈闭环。通过这些技术手段,即保证绕组成型的精度,又能控制绕组的应力,使得每匝线圈都是质量是完全一致的。


通用第3代扁线电机

2017年GM发布了Chevrolet  Blot ,该款电机峰值转矩360Nm,峰值功率150kW,峰值转速8810rpm,电机的峰值电流400Arms。

减速器速比提高,电机转速提升近2倍。转速上升,扁线电机导体在高速时集肤效应加重,导致AC电阻增加。

Bolt的电机绕组采用的扁铜线,发卡式。扁铜线插入定子槽后,经过弯曲、焊接成型。


优点:

槽满率高,传统电机45%,发卡能达到70%

散热性好,绕组之间接触面积大,空隙小

端部短,体积小

缺点:
由于绕组线粗,高频集肤效应明显,铜耗增大
铜线要求高,扁铜线折弯后绝缘层容易损坏产生缺口或破面
由于电机匝数少,不易系列化。
加工工艺复杂
生产设备要求高
这里面的缺点对于通用这种大厂可能都不是问题,主要要解决的是第一条。

当车运行在高速下,定子电流的频率很高,由于扁铜线的横截面较大,其集肤效应会增大,从而会增大绕组的电阻,进一步增加铜耗。

Blot将每槽导体从4根增加到了6根,高速的涡流损耗得以明显下降。

导体数增加不仅能够提高降低涡流损耗,还能够改善AC电阻随转速增加的趋势,Spark电机在4500rpm时AC电阻就上升到超过圆线电阻的水平,而Blot提高到6000rpm才会出现拐点。这项提升有利于缓解扁线电机的高速劣势。

Blot取消了槽内线线之间的绝缘,进一步改善了槽绝缘的结构,Blot的槽绝缘由上下两个U套构成,在两个绝缘的交叠处,槽宽略微扩大。这种设计能大幅度降低绝缘材料使用量,将空间让位于铜线提高功率密度。

Blot相交Spark磁钢用量下降了30%,而功率密度提高超过50%。

小结:通用三代扁线电机发展历程给我们的启示

我们从上面通用发展扁线电机的三次迭代可以看出,定指标时很大胆,要求提得很高,但具体实施时缺失小步快跑,谨慎迭代,不急不躁,拒绝大跃进,保守中蕴藏进步。


例如双V结构一直没有改变,每次只是在细节上优化。扁线绕组也是小步快跑,先给出一个有瑕疵的方案,然后逐步改善端部成型工艺,后又改善绝缘结构,最后解决高速AC电阻问题。


不追求毕其功于一役,每一代只解决几个方面或领域的小问题,这是一种反急功近利的心态,没有急着想一步到位,而是做时间的朋友,这种“日拱一卒”逐步改善的精神,当为吾辈工程师的座右铭。

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