扁線泰富西瑪電機(jī)的特點(diǎn)、優(yōu)點(diǎn)及技術(shù)性能提高

扁平線泰富西瑪電機(jī)一般采用4層或8層扁平線結(jié)構(gòu)。每道工序都可以通過專有設(shè)備實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，產(chǎn)品一致性好，生產(chǎn)效率高。然而，它對設(shè)備專用性提出了很高的要求，在經(jīng)濟(jì)上不適合小批量生產(chǎn)原型。


定子槽內(nèi)有規(guī)則布置的扁線電機(jī)繞組，槽滿率高，純銅槽滿率達(dá)到70%，提高了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出能力和散熱能力；雙V型磁鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子，磁鋼利用率高，提高了電機(jī)轉(zhuǎn)矩和效率；扁線電機(jī)定子銷端激光焊接，焊點(diǎn)飽滿圓潤，焊接強(qiáng)度高，焊接效率高，焊點(diǎn)一致性好。



扁線電機(jī)具有體積小、重量輕、功率密度高的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。方正設(shè)計(jì)的方線電機(jī)定子鐵芯外徑220mm，每槽8根導(dǎo)線，C型絕緣紙，繞組采用行星式四路并聯(lián)。中點(diǎn)采用母線環(huán)連接，結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高。



扁平線泰富西瑪電機(jī)具有高輸出功率。方正扁平線電機(jī)的峰值功率為350Nm/170kW，連續(xù)功率為150Nm/65kW。

發(fā)動(dòng)機(jī)的最高效率為97.5%，NEDC的平均效率大于94%。


扁線電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

1、槽滿率高，通常可以達(dá)到70%以上的槽滿率。提高槽滿率可以有效地提高電機(jī)的功率密度，改善定子槽內(nèi)的散熱；

2、具有較強(qiáng)的散熱能力，除了減少扁線在中低速時(shí)產(chǎn)生的熱量外，由于交流電阻比圓線定子減小，鎖止槽中的熱阻也減小。這樣導(dǎo)熱性更好；

3、具有更強(qiáng)的動(dòng)力和扭矩能力；扁平線電機(jī)具有更低的發(fā)熱量和更好的散熱能力。通過電磁設(shè)計(jì)，定子繞組上的熱負(fù)荷相應(yīng)增加，并為轉(zhuǎn)子提供更多空間，以確保扁線定子和圓線定子的溫度。在類似情況下，增大轉(zhuǎn)子外徑以提高電機(jī)的峰值效率；

4、與圓線繞線電機(jī)相比，扁線繞線電機(jī)具有更多的低速效率優(yōu)勢，更適合中國城市道路條件下車輛的需要。

扁平線在未來將有百倍大的市場空間。據(jù)測算，2020年，扁平線電機(jī)滲透率約為10%，疊加新能源汽車滲透率約為5.4%，扁平線綜合滲透率不足1%。未來，新能源汽車將取代傳統(tǒng)的燃油汽車，扁平線電機(jī)將取代傳統(tǒng)的圓線電機(jī)。扁平電線的市場空間是普通電線的一百倍。

1、產(chǎn)業(yè)發(fā)展的動(dòng)力，扁平線電機(jī)的五大優(yōu)勢

優(yōu)點(diǎn)1：高能量轉(zhuǎn)換效率可節(jié)省電池成本。扁平線電機(jī)可以大大提高轉(zhuǎn)換效率，降低電池成本。根據(jù)上汽綠色核心渠道評估，在WLTC工況下，扁平線電機(jī)的轉(zhuǎn)換效率比傳統(tǒng)的圓線電機(jī)高1.12%；低于全球平均值，這對應(yīng)于兩個(gè)效率值之間的差異為2%；在城市工況下（低速和高扭矩），兩個(gè)效率值之間的差異是10%。根據(jù)一輛典型的500公里a級(jí)車（配備60kWh電池和150kW電機(jī)）的計(jì)算，在WLTC條件下，扁平線電機(jī)電池的成本將節(jié)省672元，在城市條件下，電池的K成本將節(jié)省6000元。

每輛自行車節(jié)省1000元的成本對汽車公司來說意義重大。以NIO為例，2021第一季度，一輛自行車的毛利為8417元，而一輛自行車的凈利潤只有-2239元。在新能源汽車和動(dòng)力電池成本居高不下的情況下，降低成本是汽車制造商永恒的追求，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作效率是降低成本最有效的途徑之一。

銅耗的降低使扁線電機(jī)的轉(zhuǎn)換效率高于圓線電機(jī)。電機(jī)損失的能量有65%來自銅損耗，20%來自鐵損耗，10%來自風(fēng)摩擦損耗，5%來自雜散損耗。當(dāng)電流流過銅線時(shí)，銅損耗來自電阻加熱Q=I2R。當(dāng)槽滿率較高時(shí)，相同功率的電機(jī)所需的銅線較短，內(nèi)阻減小，發(fā)熱減少，銅耗降低。

理論上，圓導(dǎo)線的槽填充水平一般在40%左右，而扁導(dǎo)線的槽填充水平可以提高到70%。由于圓導(dǎo)線的橫截面是圓形的，當(dāng)扁平導(dǎo)線之間的間距較小且槽填充率較高時(shí)，導(dǎo)線之間不可避免地會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則間隙。

相片

扁平線電機(jī)的高效率范圍遠(yuǎn)高于圓線電機(jī)。對圓線電機(jī)高效率范圍的一般要求是效率大于85%的范圍之比不小于85%，稱為“雙85”。大于90%的扁線電機(jī)效率不低于90%，稱為“雙90”。電機(jī)的效率取決于速度和扭矩。城市交通中頻繁的啟停工況屬于低速大扭矩工況，是城市交通的低效區(qū)圓線電機(jī)，而扁線電機(jī)在這種情況下轉(zhuǎn)換效率更高。

優(yōu)點(diǎn)2：散熱性好，提高高溫性能。扁線電機(jī)具有良好的散熱性能，溫升比圓線電機(jī)低10%。扁平導(dǎo)線和圓形導(dǎo)線之間的緊密接觸改善了散熱。研究發(fā)現(xiàn)，在高槽滿率下，繞組間的導(dǎo)熱系數(shù)是低槽滿率的150%。繞組具有各向異性導(dǎo)熱系數(shù)，軸向?qū)嵯禂?shù)是徑向?qū)嵯禂?shù)的100倍。在溫升較小的情況下，車輛可以獲得更好的加速性能。

優(yōu)點(diǎn)3：功率密度高，車輛性能更強(qiáng)。電機(jī)性能與銅含量呈正相關(guān)。根據(jù)上汽綠芯渠道評估，扁平線電機(jī)的槽滿率提高，銅線填充量比體積小20-30%，輸出功率預(yù)計(jì)增加20-30%。國家政治層面提倡高發(fā)動(dòng)機(jī)功率密度。“十三五”規(guī)劃提出，新能源乘用車的發(fā)動(dòng)機(jī)功率密度應(yīng)達(dá)到4.0千瓦/千克，高于目前圓線發(fā)動(dòng)機(jī)約3.5千瓦/千克的水平。在當(dāng)前圓線電機(jī)功率密度已進(jìn)入困難模式的時(shí)代，發(fā)展扁線電機(jī)是一條必然的道路。根據(jù)Moen Electric的公告，目前領(lǐng)先公司的扁平線電機(jī)功率密度約為4.5kw/kg。

實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)的智能化和輕量化。

國內(nèi)主流廠家大力推廣扁線電機(jī)，實(shí)現(xiàn)減量化。上汽ER6 8層發(fā)夾線電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)比上一代圓線電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)小50%。目前，華為的七合一電驅(qū)動(dòng)包括：BCU制動(dòng)控制單元、PDU配電單元、DCDC低壓直流電源轉(zhuǎn)換器、MCU微控制器單元、OBC車載充電器、電機(jī)和減速器。

2逐步消除應(yīng)用扁線電機(jī)的障礙

扁線電機(jī)有許多傳統(tǒng)繞組無可比擬的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)，扁線電機(jī)也有一些缺點(diǎn)，但總的來說，這些缺點(diǎn)并沒有掩蓋缺點(diǎn)。隨著技術(shù)的發(fā)展和滲透率的逐步提高，扁線電機(jī)應(yīng)用的障礙將逐步得到解決。

應(yīng)用障礙1：“趨膚效應(yīng)”和“鄰近效應(yīng)”明顯，高速時(shí)交流阻抗增大，轉(zhuǎn)換效率降低。趨膚效應(yīng)是指當(dāng)導(dǎo)體中存在交流電或交變電磁場時(shí)，導(dǎo)體中的電流分布不均勻，電流集中在導(dǎo)體的“表皮”部分的現(xiàn)象。鄰近效應(yīng)指的是緊密相連的導(dǎo)體。當(dāng)交流電流通過時(shí)，每個(gè)導(dǎo)體都處于由其自身電流產(chǎn)生的磁場中，也處于由其他導(dǎo)體中的電流產(chǎn)生的磁場中，從而減少每個(gè)受影響導(dǎo)體中的電流分布-相鄰導(dǎo)體影響碰撞?！摆吥w效應(yīng)”和“鄰近效應(yīng)”增加交流阻抗，交流阻抗增加，高速時(shí)轉(zhuǎn)換效率降低。

“趨膚效應(yīng)”并不影響扁平線電機(jī)穿透率的快速增加，但工程師們已經(jīng)做出了改進(jìn)：1）增加扁平線的縱橫比，間接增加扁線；2） 減小導(dǎo)線的尺寸，間接增加扁導(dǎo)線的比表面積，同時(shí)也降低了槽的充滿率，需要綜合評價(jià)；3） 采用多速變速箱降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，代表車型為Porsche Taycan；4） 3D打印銅線、導(dǎo)體尺寸和橫截面可以隨意改變，從而為繞組設(shè)計(jì)提供了很大的自由度。該解決方案在導(dǎo)體內(nèi)形成了電隔離結(jié)構(gòu)，用于限制渦流路徑，因此電流密度限制在剩余導(dǎo)體橫截面內(nèi)。此外，借助3D打印，任何連接幾何圖形都可以實(shí)現(xiàn)，而無需傳統(tǒng)的纏繞焊接工藝，這在短期內(nèi)無法大規(guī)模生產(chǎn)。

應(yīng)用障礙2：非標(biāo)準(zhǔn)化；不同汽車制造商的設(shè)計(jì)方案不同，定子是電機(jī)設(shè)計(jì)的核心。確定定子尺寸后，導(dǎo)線類型和導(dǎo)線尺寸將在每個(gè)點(diǎn)發(fā)生變化。而且昂貴的工裝和模具需要定制，兼容性低，序列化難度高。同一汽車制造商或發(fā)動(dòng)機(jī)制造商的設(shè)計(jì)系列化趨勢開始出現(xiàn)。以SAIC E2架構(gòu)為例。在設(shè)計(jì)的早期，考慮了共線生產(chǎn)。三臺(tái)具有不同輸出（150 kW、180 kW、250 kW）的電機(jī)適用于此架構(gòu)。所有型號(hào)基本上都是模塊化的。第三方電機(jī)的擴(kuò)展也將提高系列化的難度。扁平線電機(jī)的技術(shù)門檻和初始投資門檻遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的圓線電機(jī)。技術(shù)基礎(chǔ)薄弱的汽車制造商只能依賴第三方汽車制造商：制造商的發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)有限，這也正成為市場的主流產(chǎn)品。

應(yīng)用障礙3：扁線泰富西瑪電機(jī)生產(chǎn)線的投資是圓線的2～5倍。扁線電機(jī)產(chǎn)品一致性要求高，技術(shù)難度大，需要投資高精度自動(dòng)化伺服設(shè)備、焊接設(shè)備、發(fā)夾線成型設(shè)備和工裝工具。確定了汽車電氣化和電機(jī)扁平化的趨勢，扁平線電機(jī)逐漸成為首都的寵兒。方正汽車每年生產(chǎn)100萬臺(tái)新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)項(xiàng)目，總投資5億元。項(xiàng)目投產(chǎn)后，可增加銷售額25億元。

應(yīng)用障礙4：對扁線要求高，扁線成本高，技術(shù)難度大。

加工扁線比較困難。

1） 從圓形到矩形的變化導(dǎo)致銅線制造和加工更加復(fù)雜。

2） 涂層難度正在增加。在扁線的R角上涂刷漆膜很困難，這里很難保證絕緣層的均勻性；絕緣涂層干燥后會(huì)收縮，扁線收縮不均勻，容易變形，需要改進(jìn)，使R角處的涂層厚度變厚；

3） 扁線彎曲成發(fā)夾后，應(yīng)力集中在R角，容易損壞涂層；

4） 扁線精度要求高，橫截面積扁線大，匝數(shù)小，單根線的不一致性對整體性能的影響顯著增加，扁線的一致性高，復(fù)雜的加工成本使扁線更加昂貴，這也讓扁線加工企業(yè)享受到更高的技術(shù)溢價(jià)；

5） 新能源汽車中使用的磁線直接關(guān)系到汽車運(yùn)行的穩(wěn)定性，對磁線制造商的質(zhì)量控制流程、研發(fā)和工藝設(shè)計(jì)能力提出了很高的要求。合理設(shè)計(jì)，嚴(yán)格控制顏色協(xié)調(diào)、拉絲模配置、電壓控制、漆模配置、烘烤溫度、絕緣漆粘度、工作環(huán)境等多個(gè)控制點(diǎn)。

扁線泰富西瑪?shù)淖畲蟪杀臼且詿o氧銅棒為原料，電機(jī)的加工費(fèi)價(jià)值不高。穩(wěn)定的合格產(chǎn)品供應(yīng)是與汽車公司合作的關(guān)鍵。當(dāng)原材料是主要成本時(shí)，汽車公司沒有動(dòng)機(jī)尋求處理費(fèi)較低的供應(yīng)商。

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