一、扁線電機發(fā)展歷程
2007年，雪佛蘭VOLT采用Hair-pin發(fā)卡扁線電機
2013年，NISSAN在電動車上采用了扁線電機
2015年，豐田第四代Prius使用了扁線電機
2015年，蔚來汽車XPT永磁同步電機是中國第一個采用扁線技術(shù)的汽車驅(qū)動電機產(chǎn)品
2017年，榮威ERX5搭載Hair-pin電機
2017年，比亞迪完成6層扁線電機設計，2018年實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化
2020年，上汽榮威ER6搭載了上汽自主研發(fā)的第二代扁線電機
二、扁線電機優(yōu)劣勢分析
扁線電機的優(yōu)勢：
（1）更高的效率：與圓線電機相比，扁線電機裸銅槽滿率可提升20%～30%，有效降低繞組電阻進而降低銅損耗
（2）更高的功率密度：相同體積下，扁線電機相較圓線電機可以塞進更多的定子繞組，在相同損耗下發(fā)卡電機可以輸出更高的功率和扭矩
（3）更強的散熱能力：相對于圓線電機，扁線電機扁線形狀更規(guī)則，在定子槽內(nèi)緊密貼合，與定子鐵心齒部和軛部更好接觸，降低槽內(nèi)熱阻，熱傳導效率更高，進一步提升電機峰值和持續(xù)性能
（4）更好的NVH表現(xiàn)：相對于圓線電機，扁線繞組有更好的剛度，另扁線繞組是通過鐵心端部插線，不需要從槽口嵌線，可以選擇更小的槽口設計，具有更低的機械噪聲和電磁噪聲
具體案例：
博格華納（原雷米電機）將普通散嵌繞組改成發(fā)卡電機后，發(fā)現(xiàn)具有明顯的性能優(yōu)勢：
增加了27%的轉(zhuǎn)矩
增加了37%的功率
減少了22%的安裝空間
減少了13%的重量
2500rpm～10000rpm范圍內(nèi)效率超過93%
扁線電機的不足：
（1）交流損耗問題更加明顯，尤其在高速運行時
（2）繞組成型要求高，加工難度大，設備投資高
（3）專利保護
（4）系列化設計調(diào)整難度大
四、繞組層數(shù)對性能的影響
以8極48槽電機為例，定子和轉(zhuǎn)子槽型保持不變，電壓為350VDC，設定電機轉(zhuǎn)速、扭矩要求相同，繞組層數(shù)分別為4層和8層，分析電機的溫升和效率。
同等輸出性能的情況下，720VDC電壓平臺的電機效率和溫升與350VDC的表現(xiàn)基本一致
五、扁線電機的冷卻設計
驅(qū)動電機的冷卻方案包括：機殼冷卻、端部冷卻、轉(zhuǎn)子油冷和槽內(nèi)直冷等技術(shù)。
（1）豐田Prius采用了端部油管噴油冷卻方式，通過改變噴油速度和噴嘴數(shù)量實現(xiàn)冷卻優(yōu)化
（2）本田i-MMD采用轉(zhuǎn)子甩油方案，通過空心軸將油液注入高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子，利用離心力將油液甩至繞組端部
（3）Tesla和Lucid均采用定子鐵心開槽或開孔方案，通入ATF油對繞組端部進行冷卻
（4）英國謝菲爾德大學提出將扁線繞組導體中間挖空，形成繞組直接液冷通道的冷卻方案，但空心導體在成型過程中，容易造成彎折位置堵塞
六、扁線電機的繞組絕緣
800V平臺對銅線絕緣涂層的要求越來越高，部分趨向于絕緣涂層在滿足高PDIV的同時又具有耐電暈功能，部分廠家對耐電暈PI漆的開發(fā)使耐電暈功能和高PDIV功能結(jié)合成為可能。
新能源汽車電機定子繞組絕緣工藝主要有常壓連續(xù)沉浸、滴浸、真空浸漬（含VPI）、電加熱浸漆等。
▲電機定子絕緣處理工藝流程
本田i-MMD驅(qū)動電機所用的日本古河電工研制的耐電暈線采用了內(nèi)部漆包層和外部擠壓層兩層絕緣結(jié)構(gòu)，擠壓層材料為聚醚醚酮（PEEK）樹脂，耐溫240℃，漆包層材料為耐溫220℃的聚酰胺酰亞胺（PAI），兩層材料的組合實現(xiàn)更高的PDIV和更優(yōu)的導熱性能。
初始放電的準確測量有利于繞組匝間電壓和絕緣性的評估和預測，同時也可以指導不同耐高溫和耐高壓絕緣材料的研發(fā)和應用。
七、扁線電機的交流損耗
產(chǎn)生機理：
導體通入交變電流或處在交變磁場中時，會引起渦流效應，單根導體會產(chǎn)生集膚效應，而兩根相鄰的導體之間會產(chǎn)生鄰近效應。
利茲扁線繞組在高頻段損耗最低，但低頻段損耗最高，而實心扁線繞組與之相反。
抑制方法：
（1）導體遠離槽口設計：使導體規(guī)避槽口漏磁場作用，但是降低了電機槽滿率，不利于電機功率密度的提升
（2）增加導體層數(shù)
（3）分割繞組，也即不等面積繞組，增加層數(shù)和分割繞組設計的本質(zhì)是減小了導體徑向尺寸，對切向漏磁場產(chǎn)生的交流損耗有抑制作用，但對徑向漏磁場無效
（4）股間換位利茲扁線繞組：可以有效抑制高頻情況下的電機繞組損耗，但增加了工藝難度，同時股間絕緣的存在降低了槽滿率
（5）混合繞組：混合換位繞組在保證較高槽滿率的前提下，在槽口處采用股間換位利茲扁線，而在其他層仍采用傳統(tǒng)實心扁線，具有寬頻域低損耗特點
八、扁線電機的工藝制造
▲扁線電機繞組的主要工藝形式（來源：劉平宙 《新能源車扁線電機技術(shù)淺析》）
Hair-pin電機生產(chǎn)工藝流程：插絕緣紙→發(fā)卡成型→插線→端部分離（擴口）→扭頭→焊接→滴漆（涂粉）→電測
需要將導線制作成發(fā)卡形狀，通過自動化插入到定轉(zhuǎn)子鐵心槽內(nèi)，然后進行端部扭頭和焊接。
相對于圓線電機，扁線電機繞組制造過程相對較為復雜，無法進行手工制造，自動化要求較高。
高壓800V電機扁銅線成型過程挑戰(zhàn)：
（1）超厚漆膜帶來的端部去漆問題，尤其是高PDIV產(chǎn)品的PI結(jié)構(gòu)，激光去漆裝置的功率如何滿足、機械去漆的漆膜粘附及刀頭壽命問題
（2）焊接工序熱量殘留，造成漆膜起皮、發(fā)黑、鼓包等問題
（3）模具工裝精度問題，由于模具工裝適配性對漆包線絕緣漆膜造成擠壓傷、擦傷等外力損傷問題
（4）發(fā)卡線成型R角延展變形導致的漆膜拉伸開裂問題
九、扁線電機面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)
（1）扁線繞組技術(shù)：增加層數(shù)可以使高速交流損耗降低，但層數(shù)多導線薄散熱能力減小，目前可行的方案集中在6層（比亞迪）、8層（上汽/吉利/緯湃科技）、10層（特斯拉）三種。但層數(shù)越多加工難度越大。
（2）電機絕緣與PDIV：更高的功率、更快的速度、更高的電壓、更高的工作頻率，可能導致電機繞組形成局部放電，給電機絕緣設計提出更高要求，在800V高壓架構(gòu)下，如何分析電機局部放電現(xiàn)象并提高電機絕緣局部放電起始電壓（PDIV）是扁線電機研發(fā)的重點之一?？梢赃x擇增加絕緣厚度，但新的絕緣材料、絕緣工藝（如氣泡漆包線）、以及電機加工過程中更好的工藝水平更有利于問題的解決。
（3）電機的冷卻：油冷可直接接觸熱源，且對電機磁路無影響，散熱效率更高。扁線電機主要熱量集中在繞組端部，對端部噴油冷卻能更好地實現(xiàn)散熱。目前較為普遍的是水冷與油冷結(jié)合的混合冷卻方式。另外新的傳熱性能更好的絕緣材料開發(fā)對提高電機散熱能力也很有幫助。
來源：驅(qū)動視界
