解析丨扁线电机的特点、优势、技术性能提升

2022-08-23

扁线电机普遍采用4层或8层扁导线结构，各工序可以通过专有设备实现全自动化生产，产品一致性好，生产效率高。但对于设备专一性要求高，经济型上不适用于样机的小批量生产。

图一、方正扁线电机生产设备

扁线电机绕组在定子槽内布置规整，槽满率高，纯铜槽满率达到70%，提升电机扭矩输出能力与散热能力；磁钢双V结构转子，磁钢利用率高，提升电机扭矩与功率能力；扁线电机定子PIN脚端采用激光焊接，焊点饱满圆润，焊接强度大，焊接效率高，焊点一致性好。

图二、绕组布置情况

图三、激光焊接PIN脚

扁线电机具有体积小、重量轻、功率密度高的结构特点，方正设计的扁线电机定子铁芯外径220mm，每槽8根导体，C型绝缘纸，绕组采用行星连接，4路并联，中心点通过汇流环连接，结构紧凑，可靠性高。

图四、扁线电机外形尺寸

图五、扁线电机爆炸图

扁线电机具有高的输出性能，方正此款扁线电机峰值性能350Nm/170kW，持续性能150Nm/65kW。

电机最高效率97.5%，NEDC平均效率>94%。

图六、扁线电机与圆线电机效率对比

扁线电机的优势

1、具有较高的槽满率；通常可以达到70%以上的槽满率，提高槽满率可以有效的提升电机的功率密度与改善定子槽内散热；

2、具有更强的散热能力；除了扁线在中低速由于交流电阻下降导致发热降低以外，相对圆线定子，降低齿槽内热阻，使热传导更好；

3、具有更强功率扭矩能力；扁线电机更低的发热与更好的散热能力，电磁设计中适当提升定子绕组的热负荷，给转子更多的空间，保证扁线定子温度与圆线定子相似的情况下增加转子外径，提升电机的峰值输出能力；

4、扁线绕组电机相对于圆线绕组电机，在低速下更具效率优势，更适合中国城市路况对于车辆的需求。

扁线未来有百倍市场空间。根据测算，2020 年扁线电机的渗透率约为 10%，叠加新能源汽车渗透率约 5.4%，扁线的综合渗透率不到 1%。未来新能源汽车取代传统燃油车，扁线电机取代传统圆线电机，扁线有百倍的市场空间。

一、行业发展驱动力，扁线电机的五大优势

优势一：高能量转换效率带来电池成本节约。 扁线电机能大幅度提升转换效率，降低电池成本。根据上汽绿芯频道评估，在 WLTC 工况，扁线电机比传统圆线电机的转换效率高 1.12%；在全域平均下，两者效率值相差 2%；在市区工况（低速大扭矩），两者效率值相差 10%。按照典型的续航 500km 的 A 级轿车（搭载 60kwh 电池包和 150kw 电机）计算，WLTC 工况下，搭载扁线电机的电池成本节约 672 元，市区工况下，电池成本节约 6000 元。

单车千元级别的成本节约对车企意义重大。以蔚来汽车为例，2021Q1 单车毛利 8417元，单车净利仅-2239元。在新能源车和动力电池成本仍然偏高的情况，如何降低成本是车企的永恒追求，提高电机工作效率则是降本的有效途径之一。

铜耗降低带来扁线电机转换效率高于圆线。电机损耗的能源中，有 65%来自于铜耗，20%来自于铁耗，10%来自于风摩损耗，5%来自于杂散损耗。而铜耗来自于电流通过铜线时的电阻发热 Q=I2R，当槽满率越高时，相同功率电机所需要的铜线更短，进而内阻降低，发热减少，铜耗降低。

从理论上来说，圆线的槽满率一般在约 40%左右，而扁线则可以提升至 70%。由于圆线的截面为圆形，不可避免在导线间存在不规则缝隙，而扁线间的间隙更小，槽满率更高。

扁线电机的高效率区间比圆线电机高出许多，圆线电机的高效区一般要求是效率＞85%的区间占比不低于 85%，被称为“双 85”。而扁线电机的效率>90%的区间占比不低于 90%，被称为“双 90”。电机的效率与转速和扭矩相关，市区工况中出现的频繁启停工况属于低转速高扭矩工况，而这正是圆线电机的低效率区间，而扁线电机在该工况下的转换效率更高。

优势二：散热性好，提升高温动力性。 扁线电机散热性能好，温升相对圆线电机降低 10%。因扁线相对圆线更为紧密的接触，散热性提升，研究发现高槽满率下绕组间的导热能力是低槽满率的 150%。绕组在热传导能力上具有各向异性，轴向的热传导能力是径向方向的 100 倍。更低的温升条件下，整车可以实现更好的加速性能。

优势三：高功率密度，整车动力更强劲。 电机的功率与铜含量成正相关，根据上汽绿芯频道评估，扁线电机槽满率提升，相同体积下铜线填充量增加 20-30%，输出功率有望提升 20-30%，整车动力更强劲。国家政策层面倡导高电机功率密度。“十三五”规划中提出，新能源乘用车电机功率密度应满足 4.0kw/kg，高于当前圆线电机约 3.5kw/kg 的水平。在圆线电机功率密度提升进入困难模式的当前，发展扁线电机是必然之路，根据摩恩电气的公告显示，当前领先企业的扁线电机的功率密度约 4.5kw/kg。

优势四：电磁噪音低，整车更安静。 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。

优势五：小体积带来高集成效率，契合多合一电驱发展趋势。 因扁线更高的槽满率，同功率电机铜线用量和对应定子较少，体积有望下降 30%。此外，扁线电机因更为先进绕线方式带来更易裁剪的电机端部，与圆线电机相比减少 15-20%的端部尺寸，空间进一步降低，实现电机小型化和轻量化。

国内主流厂商大力推广扁线电机实现体积下降。上汽 ER6 的 8 层 hair-pin线电驱动系统，比上一代圆线电驱动系统体积下降 50%。目前华为的七合一电驱包括：BCU 制动控制单元、PDU 电源分配单元、DCDC 低压直流电源转换器、 MCU 微控制单元、OBC 车载充电器、电机、减速器。

二扁线电机应用的障碍正在逐个化解

扁线拥有许多传统绕组不可比拟的优点，但同时扁线电机也有部分劣势，但总体而言瑕不掩瑜。随着技术的发展和渗透率的逐渐提升，扁线电机应用的障碍正在被逐个化解。

应用障碍一：“趋肤效应”、“邻近效应”明显，交流阻抗增大，高转速时转换效率降低。趋肤效应指当导体中有交流电或者交变电磁场时，导体内部的电流分布不均匀，且电流集中在导体的“皮肤”部分的一种现象。邻近效应指相互靠近的导体，通有交变电流时，每一根导体都处于自身电流产生的磁场中，同时还处于其他导体中电流产生的磁场中，这使得每个导体中电流分布都会受到邻近导体影响而不均匀现象。“趋肤效应”、“邻近效应”都会增加交流阻抗，交流阻抗增大，高转速时转换效率降低。

“趋肤效应”并不影响扁线电机渗透率的快速提升，但工程师也已经有改善方案：1）提高扁线的宽高比，间接增加扁线的比表面积；2）减小导线尺寸，间接增加扁线的比表面积，但这同时也会降低槽满率，需要综合评估；3）采用多档变速箱，降低电机转速，代表车型为保时捷 Taycan；4）3D 打印铜线，导体尺寸和横截面可以任意变化，给了绕组设计极大的自由空间，该方案导致导体内的电分离结构，所述电分离结构用于限制涡流路径，因此电流密度被“强制”到剩余的导体横截面上，此外借助于 3D 打印可以实现任意连接的几何形状，不需要传统的绕组接头焊接工艺，该方案短期内无法实现量产。

应用障碍二：非标准化；不同车企的设计方案不一样，而定子是电机设计的核心，定子尺寸定型后，导线的线型、尺寸任意一点发生改变，都需要定制昂贵的工装模具，兼容性低，系列化难度高。同一车企或电机企业的设计系列化趋势初现，以上汽 E2 架构为例，在设计之初就考虑了共线生产，三款不同功率的电机（150kw，180kw，250kw）适用于该架构上的所有车型，最大程度上实现模块化。第三方电机的壮大也会改善系列化难度，扁线电机的技术门槛和初始投资门槛远高于传统圆线电机，技术基础较弱的车企只能广泛依赖于第三方电机厂商，第三方电机厂商的电机型号有限，也会成为市场上的主流产品。

应用障碍三：扁线电机生产线投资额是圆线的 2-5 倍。扁线电机对产品的一致性要求高，技术难度大，需要投入精度较高的自动化伺服设备、焊接设备、HairPin 线成形设备和工装模具等。汽车电动化和电机扁线化的趋势已经确定，扁线电机逐渐成为资本宠儿。方正电机的年产 100 万台新能源汽车驱动电机项目，总投资 5 亿元人民币，项目达产后可新增销售收入 25 亿。