調(diào)速扁線電機(jī)VS圓線電機(jī)：優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)

電動驅(qū)動系統(tǒng)作為新能源汽車的核心部件，對汽車的動力、經(jīng)濟(jì)性、舒適性、安全性和使用壽命都有重要影響。在電動驅(qū)動系統(tǒng)中，電機(jī)是核心。電機(jī)的性能在很大程度上決定了汽車的性能。目前，從業(yè)需求的角度來看，低成本、小型化、智能化是首要任務(wù)。

今天我們來看看電機(jī)新技術(shù)——扁線電機(jī)的概念和定義，以及與傳統(tǒng)圓線電機(jī)相比的缺點(diǎn)。

定義扁線電機(jī)。扁線電機(jī)特定指定子繞組所用的導(dǎo)線形態(tài)發(fā)生變化，由多根細(xì)線變?yōu)閹赘志匦螌?dǎo)線，俗稱扁線。調(diào)速電機(jī)扁線驅(qū)動電機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)與圓線電機(jī)沒有太大區(qū)別，主要包括鋁殼、前后軸承、定子總成、轉(zhuǎn)子總成、溫度傳感器、旋轉(zhuǎn)變器、EMC部件等。

扁線電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。扁線電機(jī)的核心優(yōu)點(diǎn)是體積小、效率高、導(dǎo)熱性強(qiáng)、溫升低、噪音低。具體展開如下：優(yōu)點(diǎn)①：體積小。與傳統(tǒng)功率相比，扁線電機(jī)體積小，材料少，成本低，或密度增加。理論上講，在空間不變的前提下，填充的銅可以增加20-30%。這也意味著功率在一定程度上增加了20-30%。換句話說，當(dāng)功率相同時(shí)，電機(jī)的外徑和體積減小，從而減少電機(jī)材料的用量。研究表明，永磁電機(jī)損耗由繞組銅耗、鐵耗、風(fēng)磨雜散、磁鋼渦流損耗組成。繞組銅耗占50%以上，銅耗與繞組電阻成正比P=I^2*R，或Q=I^2*R*T(P=導(dǎo)線加熱功率；I=電流；R=繞組電阻；T為通電時(shí)間)，調(diào)速電機(jī)減少繞組電阻可直接降低銅耗，提高電機(jī)效率和功率密度。根據(jù)導(dǎo)線電阻R=P*I/S(包括P=繞組電阻;I=長度;S=橫截面積)，在電阻率和長度一定的情況下，繞組橫截面積只能為槽滿率。

優(yōu)點(diǎn)②：溫度性能較好?；谏鲜銮闆r，電機(jī)內(nèi)部更緊湊，間隙更小，扁線與扁線接觸面積更大，散熱傳導(dǎo)更好，繞組與鐵心槽接觸更好，導(dǎo)熱性更好。眾所周知，電機(jī)對散熱和溫度非常敏感，散熱的提高也帶來了性能的提高。通過溫度場模擬，得出同樣設(shè)計(jì)的扁線電機(jī)繞組溫升比圓線電機(jī)低10%的結(jié)論。除了更好的散熱性能，包括其他與溫度相關(guān)的性能。

優(yōu)點(diǎn)③：噪音小。NVH也是電驅(qū)動的熱門話題之一。扁線電機(jī)能使電樞具有更好的剛度，抑制電樞噪聲。此外，槽口尺寸相對較小，可有效降低齒槽扭矩，進(jìn)一步降低電機(jī)電磁噪聲。

優(yōu)點(diǎn)④：端部較短。端部是指槽外的銅線。調(diào)速電機(jī)槽內(nèi)的銅線對電機(jī)有影響，而端部不貢獻(xiàn)電機(jī)的實(shí)際輸出，只連接槽與槽之間的線。由于工藝問題，傳統(tǒng)的圓形電機(jī)需要在端部留下長距離，防止線電機(jī)在加工過程中損壞，從根本上解決了這個(gè)問題。

與扁線繞組截面對比圓線。因?yàn)殂~線都是硬線，所以在加工過程中不需要留一段端部，端部較短可以節(jié)省銅材，還可以提高效率?？赐陜?yōu)點(diǎn)，我們來看看扁線電機(jī)面臨的挑戰(zhàn)。目前業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)為，扁線電機(jī)存在損耗高、設(shè)計(jì)難、設(shè)備難、扁線難等缺點(diǎn)。具體情況如下：

缺點(diǎn)①：損耗高。當(dāng)導(dǎo)體中有交流電或交變電磁場時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部的電流分布不均勻，電流通常集中在導(dǎo)體表面的皮膚上。這種效應(yīng)的結(jié)果是導(dǎo)體的電阻增加，導(dǎo)體的損耗功率增加。在扁線電機(jī)中，頻率越高，扁線繞組的交流銅消耗就越高。同時(shí)，該效果還與電磁設(shè)計(jì)有關(guān)，如槽內(nèi)磁密度值、槽口高度等，也與扁銅線的尺寸有關(guān)。缺點(diǎn)②：銅線難。這里的銅線很難，這意味著扁線電機(jī)對銅線的要求高于圓線電機(jī)。它需要一定的彈性，彎曲后會有一定程度的反彈。這一要求使得設(shè)計(jì)難度急劇上升，由于彎曲和反彈，電線的絕緣層更容易損壞，產(chǎn)生缺口。扁線中的發(fā)卡電機(jī)對銅線要求較高。傳統(tǒng)的扁電機(jī)在繞組成型后可以包裹絕緣，但發(fā)卡電機(jī)不好。值得一提的是，日立金屬還專門為普銳斯電機(jī)開發(fā)了銅線，以解決這一問題。

缺點(diǎn)③：設(shè)備難。由于工藝復(fù)雜，精度要求高，人工制造基本上不可能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，必須依靠專業(yè)的高端設(shè)備，這是大規(guī)模普及的前提，也是制約其定位的重要原因。從供應(yīng)商的角度來看，國內(nèi)設(shè)備供應(yīng)商尚未達(dá)到成熟和完整的狀態(tài)；在國外，意大利和德國是世界上主要的扁線電機(jī)供應(yīng)商國家，但價(jià)格非常高。發(fā)卡式扁線電機(jī)制備工藝繁瑣。

缺點(diǎn)④：設(shè)計(jì)難。由于上述原因，扁線電機(jī)的系列設(shè)計(jì)非常困難，其中柔性設(shè)計(jì)更為困難，這是對電機(jī)設(shè)計(jì)師技能的一大考驗(yàn)。從設(shè)計(jì)角度看，如果要制造100kW電機(jī)，設(shè)計(jì)師需要從80-120kW擴(kuò)展一系列方案。一是滿足潛在需求，二是擴(kuò)大與其他企業(yè)的設(shè)計(jì)差異。

相比之下，圓線電機(jī)的設(shè)計(jì)要簡單得多：鐵芯和槽數(shù)基本相同，區(qū)別在于長度和線圈匝數(shù)，系列設(shè)計(jì)相對簡單。

03扁線電機(jī)是必然趨勢。為什么扁線電機(jī)是必然趨勢？根據(jù)十三五規(guī)劃，新能源汽車驅(qū)動電機(jī)的峰值功率密度應(yīng)達(dá)到4kW/kg，這是產(chǎn)品級標(biāo)準(zhǔn)。

04國內(nèi)布局和市場空間。除了述雷米、日立、日本電裝等知名企業(yè)外，國內(nèi)也有不少企業(yè)在加快布局。我們之前也報(bào)道過，方正電機(jī)計(jì)劃投資5億元，在浙江麗水投資建設(shè)100萬臺/年新能源汽車驅(qū)動電機(jī)項(xiàng)目。除了方正電機(jī)等老牌企業(yè)，國內(nèi)還有很多新勢力加快布局。

在市場空間方面，據(jù)業(yè)內(nèi)人士分析，根據(jù)2020年160萬輛新能源乘用車銷量，國內(nèi)需求80萬臺扁線電機(jī)，市場規(guī)模接近30億元；2021-2022年，預(yù)計(jì)扁線電機(jī)在新能源乘用車領(lǐng)域的滲透率將達(dá)到90%，屆時(shí)將達(dá)到288套，市場規(guī)模將達(dá)到90億元。在技術(shù)要求、行業(yè)整體方向和政策方向上，扁線電機(jī)勢必成為新的。