新能源汽車扁線電機(jī)技術(shù)淺析

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摘要：從新能源汽車電機(jī)小型化、輕量化和高功率密度化的角度闡述新能源汽車對(duì)扁線電機(jī)技術(shù)的需求。對(duì)比分析扁線電機(jī)較圓線電機(jī)的性能優(yōu)勢(shì)與不足，闡述不同工藝類型的扁線電機(jī)及其結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)，介紹了Hair-pin電機(jī)的生產(chǎn)制造工藝工序及其性能優(yōu)勢(shì)。最后對(duì)扁線電機(jī)技術(shù)未來(lái)發(fā)展與研究趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：扁線電機(jī)技術(shù)；發(fā)卡電機(jī)；集中繞組；I-PIN；制造工藝

0引言

隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的逐年發(fā)展，電動(dòng)汽車產(chǎn)銷量爆發(fā)式增長(zhǎng)，對(duì)高性能高效率電機(jī)的需求也越來(lái)越大，工信部和發(fā)改委提出規(guī)劃要在2025年實(shí)現(xiàn)乘用車功率度大于4kW/kg，進(jìn)一步推動(dòng)對(duì)電機(jī)更高功率密度的追求。電驅(qū)系統(tǒng)的高效化、輕量化、小型化、低成本是未來(lái)的趨勢(shì)；而電驅(qū)系統(tǒng)集成化、電機(jī)扁線化是實(shí)現(xiàn)輕量化和小型化的主要技術(shù)路線。扁線繞組以其相比圓線繞組具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)獲得了快速發(fā)展，成為新能源汽車電機(jī)研究與發(fā)展的熱點(diǎn)方向。扁線電機(jī)也被國(guó)內(nèi)外廣泛采用，新能源車型扁線電機(jī)滲透率逐年提升。本文將簡(jiǎn)要介紹扁線繞組技術(shù)，對(duì)比分析論證扁線電機(jī)的優(yōu)勢(shì)，介紹Hair-pin電機(jī)生產(chǎn)制造工藝，總結(jié)近年來(lái)扁線電機(jī)應(yīng)用的新技術(shù)新工藝以及未來(lái)優(yōu)化研究方向，為扁線電機(jī)研究提供參考。

1扁線電機(jī)技術(shù)簡(jiǎn)介

條形繞組電機(jī)（Bar-woundmotor）國(guó)內(nèi)習(xí)慣稱為扁線電機(jī)，扁線電機(jī)技術(shù)指電機(jī)定子采用扁銅線繞組替代原先的圓銅線繞組，同時(shí)根據(jù)扁線繞組的特殊結(jié)構(gòu)配備獨(dú)特的定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化、冷卻方案優(yōu)化與控制優(yōu)化等技術(shù)的總稱。扁銅線繞組指電機(jī)定子槽型結(jié)構(gòu)等發(fā)生改變同時(shí)由少而粗的矩形導(dǎo)線替代原先多而細(xì)的圓導(dǎo)線作為繞組。扁線電機(jī)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(dǎo)和散熱性能等優(yōu)勢(shì)，在新能源汽車領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

2扁線電機(jī)與圓線電機(jī)對(duì)比

電機(jī)能量損耗主要包括電機(jī)銅耗、電機(jī)鐵耗、風(fēng)摩損耗以及雜散損耗，而其中電機(jī)銅耗占比近七成，降低電機(jī)銅耗能夠大幅減少電機(jī)能量損耗，提升電機(jī)功率密度。直流銅損計(jì)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(xì)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(shí)矩形導(dǎo)線繞組相比細(xì)圓導(dǎo)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(jī)槽滿率40%左右而扁線電機(jī)槽滿率可高達(dá)70%，高槽滿率下相同電機(jī)功率扁線電機(jī)銅線填充量更少，定子鐵芯和端部尺寸得以減小，使得電機(jī)尺寸也更小，節(jié)省材料的同時(shí)進(jìn)一步提升電機(jī)功率密度。Pcu=I2R=I2籽L/S（1）扁線電機(jī)相比圓線電機(jī)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(shí)矩形導(dǎo)線剛性更大，對(duì)電樞噪音也具有抑制作用，再配合轉(zhuǎn)子磁極與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使其具有更優(yōu)的NVH性能[1]。扁線電機(jī)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(shí)現(xiàn)小型化和輕量化[2]。同時(shí)矩形導(dǎo)體使得內(nèi)部空隙變少，導(dǎo)體與導(dǎo)體和導(dǎo)體與鐵芯槽間接觸面積更大，熱傳導(dǎo)和散熱性能更好。繞組端部導(dǎo)體間都留有最小空氣間隙，更方便散熱，同時(shí)配合端部噴油冷卻技術(shù)進(jìn)一步提升扁線電機(jī)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(dòng)力性。扁線電機(jī)也存在不足，其受趨膚效應(yīng)影響較大。趨膚（集膚）效應(yīng)指導(dǎo)體內(nèi)存在交流電或交變磁場(chǎng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部電流分布不均，越靠近導(dǎo)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(dǎo)體的長(zhǎng)寬比、放置方向、繞組分相等都對(duì)趨膚效應(yīng)有影響，同相同槽繞組比異相同槽繞組趨膚效應(yīng)嚴(yán)重。同等槽深槽寬下，通過(guò)增加導(dǎo)體層數(shù)有利于降低趨膚效應(yīng)，降低高轉(zhuǎn)速下電機(jī)交流損耗提升電機(jī)性能。另一個(gè)限制扁線電機(jī)發(fā)展的是其自動(dòng)化生產(chǎn)線價(jià)格昂貴，是圓線定子自動(dòng)生產(chǎn)線的2-3倍，企業(yè)前期投入巨大。

3扁線電機(jī)分類

扁線電機(jī)按產(chǎn)品類型可分為集中繞組扁線電機(jī)、波繞組扁線電機(jī)與Hairpin（發(fā)卡）扁線電機(jī)，其中發(fā)卡扁線電機(jī)技術(shù)是被廣泛采用的主流技術(shù)。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(gè)齒對(duì)應(yīng)一個(gè)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(jī)也更簡(jiǎn)單。該結(jié)構(gòu)因其分?jǐn)?shù)次諧波過(guò)多，具有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，徑向力較復(fù)雜的缺點(diǎn)；為了降低齒槽轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)矩脈振動(dòng)，該結(jié)構(gòu)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(shù)在工業(yè)電機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用較多，新能源汽車電機(jī)領(lǐng)域也有部分廠家在研究應(yīng)用；如本田Honda在其Acura混動(dòng)車型上便采用了該技術(shù)，以其獨(dú)特的分?jǐn)?shù)槽集中繞組、分瓣式定子結(jié)構(gòu)與相關(guān)優(yōu)化技術(shù)取得了不錯(cuò)效果。采用了集中繞組技術(shù)的松正270系列PHEV-P2電機(jī)圖3（b），以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用與混動(dòng)方案中。波繞組扁線電機(jī)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(jī)沒(méi)有焊點(diǎn)，能進(jìn)一步縮短繞組端部高度，降低電機(jī)尺寸。但該類型定子總成槽口尺寸較寬，使得齒槽轉(zhuǎn)矩更大，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)偏高，NVH性能較差，需配合電磁多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)及其他措施改進(jìn)優(yōu)化；同時(shí)其生產(chǎn)成本較Hair-pin電機(jī)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(yù)先成型成U型，再插入定子鐵心槽中，另一端扭轉(zhuǎn)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(shí)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(yù)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(diǎn)多了一倍，繞組端部尺寸稍微增加，同時(shí)焊點(diǎn)失效風(fēng)險(xiǎn)也更高。Hair-pin繞組工藝是目前國(guó)內(nèi)外廣泛采用的工藝路線。

4發(fā)卡線圈工藝

發(fā)卡技術(shù)是一種大規(guī)模、高質(zhì)量、低周期定子生產(chǎn)技術(shù)，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(shí)加入定子槽槽襯將導(dǎo)體彼此隔開(kāi)，以消除匝間或?qū)w與定子鐵芯的直接接觸，提升絕緣性能，增強(qiáng)短路保護(hù)。所以需要插入絕緣槽紙，常見(jiàn)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(zhuǎn)角處的縫隙，增強(qiáng)了對(duì)短路故障的保護(hù)[5]。插紙工序預(yù)先將絕緣槽紙插入定子槽中，隨著扁導(dǎo)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(jī)和數(shù)控CNC設(shè)備自動(dòng)成型等，前者成型速度快、成本低但對(duì)銅線損傷較大，后者通用性好對(duì)銅線損傷小但設(shè)備成本較高。PIN成型后預(yù)先插入仿形工裝中成型，隨著扁線層數(shù)的增加，跨導(dǎo)線自動(dòng)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(yīng)設(shè)計(jì)尺寸，該工序?qū)υO(shè)備精度要求很高。再通過(guò)擴(kuò)口、扭頭和切平工序?qū)⒗@組端部平整齊以便焊接。目前扁線電機(jī)最流行TIG焊接和激光焊接，也有其他公司在試驗(yàn)CMT冷焊等焊接方法。焊接完成后需先對(duì)繞組進(jìn)行電性能檢測(cè)、相電阻相電感及其平衡檢測(cè)以及耐壓耐電阻測(cè)試等，通過(guò)檢測(cè)測(cè)試后再進(jìn)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(shì)

5.1導(dǎo)體層數(shù)逐漸增加

如圖6所示，增加導(dǎo)體層數(shù)能夠有效降低交流銅耗從而降低電機(jī)總銅耗，提升電機(jī)整體性能。為了進(jìn)一步降低趨膚效應(yīng)帶來(lái)的高速交流損耗，發(fā)卡電機(jī)采用的增加導(dǎo)體層數(shù)的方法來(lái)優(yōu)化，從已經(jīng)應(yīng)用的4層、6層、8層方案到正在研究的12層、16層方案，導(dǎo)體層數(shù)存在逐漸增加的趨勢(shì)。研究難點(diǎn)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(fù)雜的絕緣槽紙，使得安裝工藝步驟更復(fù)雜，同時(shí)對(duì)數(shù)控安裝設(shè)備精度要求也更高，對(duì)更優(yōu)絕緣工藝的研究成為重要方向。雪佛蘭Bolt電機(jī)簡(jiǎn)化了絕緣槽襯，使用了更簡(jiǎn)單的兩件式槽絕緣，以保護(hù)繞組不會(huì)短路到定子鐵芯。新的設(shè)計(jì)如圖7（a）所示，相比S型B型絕緣槽襯其消除了導(dǎo)體間的絕緣，進(jìn)一步提升了槽滿率，簡(jiǎn)化了定子制造工藝。同時(shí)為了最小化槽內(nèi)導(dǎo)線間電壓電位，通用公司對(duì)繞組布局等做了相關(guān)優(yōu)化。也有在導(dǎo)體基礎(chǔ)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(lái)解決繞組匝間絕緣的問(wèn)題，簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝[2]。

5.3廣泛采用油冷技術(shù)

繞組熱量需經(jīng)過(guò)槽內(nèi)絕緣層-定子鐵芯-機(jī)殼的較長(zhǎng)路徑才被水帶走，期間存在的熱阻極易形成局部熱點(diǎn)，使得水冷散熱方式效率低下。油冷可直接接觸熱源，且對(duì)電機(jī)磁路無(wú)影響，散熱效率更高的油冷技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。電機(jī)主要熱量集中在繞組端部，扁線電機(jī)獨(dú)特的端部噴油冷卻能更好的實(shí)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(shù)在扁線電機(jī)上獲得廣泛應(yīng)用研究。

6結(jié)束語(yǔ)

新能源汽車的快速發(fā)展，扁線電機(jī)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)獲得廣泛應(yīng)用，滲透率逐年提升。扁線電機(jī)在新能源汽車電機(jī)小型化、輕量化和高功率密度化方面具有重要應(yīng)用研究意義。本文簡(jiǎn)要分析介紹了扁線電機(jī)相比傳統(tǒng)圓線電機(jī)具有的優(yōu)勢(shì)、主流發(fā)卡繞組的生成工藝工序以及其扁線電機(jī)技術(shù)研究與發(fā)展趨勢(shì)，為增強(qiáng)對(duì)扁線電機(jī)及其相關(guān)技術(shù)的認(rèn)識(shí)與研究提供參考。

作者:蘭鵬宇 單位:重慶交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)