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      扁線電機優缺點介紹、應用解析及發展趨勢展望

      作者: 來源: 日期:2022/5/18 12:49:14 人氣:2100


      扁線電機目前在中國都比較關注,但應用比較少,主要因為新能源市場發展時間較短,主要的市場份額集中在微型乘用車市場。


      國外已有成熟的扁線電機產品應用于新能源汽車,特別是日本及歐美企業,豐田以及通用都采用了扁線電機。

      最具有代表性的便是雪佛蘭VOLT(雷米電機)和豐田普銳斯(日本電裝),均采用油冷冷卻方案。
      除雷米、電裝、日立等國外供應商外,國內有穩定出貨量的供應商主要有華域電動、松正電機,以及即將投產的方正電機。

      驅動電機主要由定子組件、轉子組件、端蓋和輔助標準件組成,而定子繞組中又包括鐵芯、銅線繞組、絕緣材料等組成。

      扁線電機顧名思義就是定子繞組中采用扁銅線,先把繞組做成類似發卡一樣的形狀,穿進定子槽內,再在另外一端把發卡的端部焊接起來。

      ▲分段發卡繞組

      ▲連續發卡繞組


      扁線電機的優勢

      優勢1:相同功率,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,扁線電機可以做到70%的槽滿率,填充的銅可以增加20-30%,產生更強的磁場強度,從某種程度上等同于增加20-30%的功率。


      優勢2:溫度性能更好。內部空隙變少,扁線與扁線之間的接觸面積大,散熱和熱傳導更好;繞組和鐵心槽之間接觸更好,熱傳導更好;而電機對散熱和溫度是非常敏感的,散熱性變好,性能會提升。有人通過溫度場仿真,得出相同設計的扁銅線電機繞組溫升比圓銅線電機低10%。


      優勢3:電磁噪音更低。扁線電機導線的應力比較大,剛性比較大,電樞具備更好的剛度,對電樞噪音具有抑制作用;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。


      優勢4:端部短,節省銅材,提升效率。傳統的圓線電機,由于工藝問題,它的端部一般留得比較長,否則很容易在工藝過程中損傷銅線。對扁線電機來說,因為線都是硬線,可以在加工的時候把端部做得小一點,與圓線電機相比減少20%的端部尺寸,空間進一步降低,可以把系統的體積進一步縮小,實現小型化和輕量化。


      優勢5:扁線電機最高效率點不一定比圓線高多少,但高效區可以進一步拓寬。


      扁線電機的劣勢


      劣勢1:高速集膚效應。新能源汽車做高功率密度要求往高轉速走,以前都是做一萬轉甚至是一萬二,現在往一萬六甚至是兩萬的方向做。需要在電機設計的過程中有一些好的方法解決掉,這是一個不好的地方。


      劣勢2:銅線要求高,圓線電機銅線國內做的廠家比較多,并且質量做的可以非常好。能夠做扁線電機比較好的廠家不多,要求比較高,也需要大家一起共同努力把材料解決掉。


      劣勢3:扁線對加工工序多,設備精度要求高,前期投入大,因為它的精度如果不高,產品的可靠性和一致性都會比較差。車企擔心的也是質量的可靠性以及穩定性。


      劣勢4:系列化的設計難,電機要想把成本降低,最好是把它做到系列化,系列化的設計是目前扁線電機不如圓線電機的地方。


      劣勢5:專利壁壘過多,扁線電機專利目前主要還是在歐美及日本企業里,中國企業掌握專利少,我們有專利布局,但不盡如人意。


      劣勢6:扁線成型要求高和加工難度大。銅線由于具有一定的彈性,因此在設計時就必須留有變形余量。


      劣勢7:絕緣涂層在烘干后會產生收縮形變,如果是圓線的話,收縮會比較均勻,扁線則容易產生損壞,導致在實際加工中,扁線的良品率遠遠低于圓線。


      扁線電機生產工藝

      發卡電機定子主要生產工藝流程,線成型和紙成型以及插紙,這兩個工序同步進行。進入到定子的插線工藝,然后進行扭線,扭線完成后進行焊接的工藝。焊接完成后,電機的定子基本工序完成,后面是涂敷,然后進行性能測試和驗證。這是基本的流程,中間有很多細節。


      扁線電機生產工藝流程:插槽紙→制造發卡→穿發卡→端環定型→端環焊接→接星點→焊接處絕緣處理


      扁線電機應用情況

      從長期來看,小型化、高速化將是新能源汽車電機的主要發展趨勢,而小型化必然要求電機功率密度有大幅度提升,從技術要求來看,“十三五規劃”提出新能源汽車驅動電機的峰值功率密度要達到4kW/kg,而目前這一數據僅達到3.2-3.3kW/kg。


      扁線繞組電機在雪佛蘭volt2、尼桑電動車、豐田第四代普銳斯等國外廠商上已經成功應用,是我國下一代新能源汽車電機發展的必然趨勢,目前包括比亞迪、上汽、北汽、精進新能源在內主機廠和電機生產企業已經展開了相應的研究。



      2020年之前,扁線電機對圓形電機的替代作用仍然不夠明顯。得益于扁線電機體積小的優勢,扁線電機將優先在混動車型上得到大規模應用,尤其是插電車型。但國內由于政策和市場的因素,插電車型占比較低。而純電領域,目前只有上汽榮威ERX5一款車型裝配扁線電機,應用較少。

      通用三代扁線電機發展歷程給我們的啟示

      通用第1代扁線電機

      Chevrolet Voltec,該電機采用的4ET50驅動系統(Chevrolet Voltec 4ET50-2011)是一款雙電機架構系統。其中Motor B電機為扁線發卡電機,功率110kw,轉矩370NM,轉速9500rpm,槽極比為12極72槽。


      ▲2011-chevrolet-volt-transmission-cutaway

      該電機采用軸向插線的發卡繞組技術,也就說單發卡繞組,這種發卡繞組使得槽內排列非常規整,從而大大提高了槽滿率,同時端部精湊型得以增強,這兩項的改進最終的效果是直流電阻下降30~40%。

      雖然發卡電機能夠降低直流電阻,但是它在頻率較高時,易在繞組上感生出高頻渦流電場,產生集膚效應。


      GM用Voltec車型作了電機工作點轉速統計,確定在urban2和 US06等工況下電機轉速基本在6000rpm以下,沒有超過8000rpm,也就是說扁線的低電阻優勢得以發揮。從這個角度而言,扁線電機更適用于中低速的應用場合。


      圓線繞組端部在浸漆后,成為一個實心整體,冷卻油很難滲入內部,帶著中間層導體的熱量,容易在繞組內部形成熱孤島。4ET50的電機中采用了端部噴油冷卻技術,因為扁線端部導體間存在較大的間隙, 噴頭出油后,直接滲透入扁線繞組端部,帶走每一個導體的熱量。扁線和端部油冷配合使用能大幅度提高散熱能力,提高功率密度。


      通用第2代扁線電機

      Spark是在2014年發布的,主驅是一款峰值功率105kw的電機,轉速不高只有4500rpm。其采用的技術組合是:軸向插入式扁線+雙V轉矩結構+噴油冷卻技術。

      電動機的專項研究工作是由通用汽車位于底特律市郊威克瑟姆鎮的試驗室負責,馬里蘭州巴爾的摩進行量產。

      純電動/增程式混動的電機運行時間遠大于全/插電混動電機,電機的轉矩和功率需求也更高。增程式混動一般選擇功率分流驅動結構,B電機作為主驅電機。

      第一代雪佛蘭沃藍達的驅動系統所有推進動力由B電機提供,所以B電機需要滿足加速和驅動需求。一臺發卡永磁B電機和一臺集中繞組永磁A電機設計應用于早期產品。選擇集中繞組主要是空間限制。

      然而,第二代沃藍達的車輛架構驅動需求分流給A/B電機。最終B電機的尺寸顯著縮小。由于A電機轉矩需求低,設計了一臺鐵氧體電機。

      另外純電動汽車典型應用單電機驅動系統,因此,驅動電機傾向于大能力滿足車輛加速和驅動需求。通用第一代純電動雪佛蘭Spark電機選擇了低速IPM和小的減速比。


      如果以標準圓線繞組作為基準對照, 在Voltec中圓線電阻是扁線的1.44倍,而在Spark中圓線電阻達到了扁線電阻的1.56倍。也就是說Spark扁線的電阻下降比例更大。這種進步除了和方案參數本身有關外,還受益于扁線工藝的成熟。

      在Spark電機中,發卡的成型和扭曲都采用數控精密控制+模具成型,在成型過程中,不但控制伺服行程,還對作用力進行實時反饋閉環。通過這些技術手段,即保證繞組成型的精度,又能控制繞組的應力,使得每匝線圈都是質量是完全一致的。


      通用第3代扁線電機

      2017年GM發布了Chevrolet  Blot ,該款電機峰值轉矩360Nm,峰值功率150kW,峰值轉速8810rpm,電機的峰值電流400Arms。

      減速器速比提高,電機轉速提升近2倍。轉速上升,扁線電機導體在高速時集膚效應加重,導致AC電阻增加。

      Bolt的電機繞組采用的扁銅線,發卡式。扁銅線插入定子槽后,經過彎曲、焊接成型。


      優點:

      槽滿率高,傳統電機45%,發卡能達到70%

      散熱性好,繞組之間接觸面積大,空隙小

      端部短,體積小

      缺點:
      由于繞組線粗,高頻集膚效應明顯,銅耗增大
      銅線要求高,扁銅線折彎后絕緣層容易損壞產生缺口或破面
      由于電機匝數少,不易系列化。
      加工工藝復雜
      生產設備要求高
      這里面的缺點對于通用這種大廠可能都不是問題,主要要解決的是第一條。

      當車運行在高速下,定子電流的頻率很高,由于扁銅線的橫截面較大,其集膚效應會增大,從而會增大繞組的電阻,進一步增加銅耗。

      Blot將每槽導體從4根增加到了6根,高速的渦流損耗得以明顯下降。

      導體數增加不僅能夠提高降低渦流損耗,還能夠改善AC電阻隨轉速增加的趨勢,Spark電機在4500rpm時AC電阻就上升到超過圓線電阻的水平,而Blot提高到6000rpm才會出現拐點。這項提升有利于緩解扁線電機的高速劣勢。

      Blot取消了槽內線線之間的絕緣,進一步改善了槽絕緣的結構,Blot的槽絕緣由上下兩個U套構成,在兩個絕緣的交疊處,槽寬略微擴大。這種設計能大幅度降低絕緣材料使用量,將空間讓位于銅線提高功率密度。

      Blot相交Spark磁鋼用量下降了30%,而功率密度提高超過50%。

      小結:通用三代扁線電機發展歷程給我們的啟示

      我們從上面通用發展扁線電機的三次迭代可以看出,定指標時很大膽,要求提得很高,但具體實施時缺失小步快跑,謹慎迭代,不急不躁,拒絕大躍進,保守中蘊藏進步。


      例如雙V結構一直沒有改變,每次只是在細節上優化。扁線繞組也是小步快跑,先給出一個有瑕疵的方案,然后逐步改善端部成型工藝,后又改善絕緣結構,最后解決高速AC電阻問題。


      不追求畢其功于一役,每一代只解決幾個方面或領域的小問題,這是一種反急功近利的心態,沒有急著想一步到位,而是做時間的朋友,這種“日拱一卒”逐步改善的精神,當為吾輩工程師的座右銘。

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