扁線電機(jī)目前在中國都比較關(guān)注,但應(yīng)用比較少,主要因?yàn)樾履茉词袌霭l(fā)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(jī)產(chǎn)品應(yīng)用于新能源汽車,特別是日本及歐美企業(yè),豐田以及通用都采用了扁線電機(jī)。
最具有代表性的便是雪佛蘭VOLT(雷米電機(jī))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(yīng)商外,國內(nèi)有穩(wěn)定出貨量的供應(yīng)商主要有華域電動、松正電機(jī),以及即將投產(chǎn)的方正電機(jī)。
驅(qū)動電機(jī)主要由定子組件、轉(zhuǎn)子組件、端蓋和輔助標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(fā)卡一樣的形狀,穿進(jìn)定子槽內(nèi),再在另外一端把發(fā)卡的端部焊接起來。
▲分段發(fā)卡繞組
▲連續(xù)發(fā)卡繞組
扁線電機(jī)的優(yōu)勢
優(yōu)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(jī)可以做到70%的槽滿率,填充的銅可以增加20-30%,產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場強(qiáng)度,從某種程度上等同于增加20-30%的功率。
優(yōu)勢2:溫度性能更好。內(nèi)部空隙變少,扁線與扁線之間的接觸面積大,散熱和熱傳導(dǎo)更好;繞組和鐵心槽之間接觸更好,熱傳導(dǎo)更好;而電機(jī)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(shè)計的扁銅線電機(jī)繞組溫升比圓銅線電機(jī)低10%。
優(yōu)勢3:電磁噪音更低。扁線電機(jī)導(dǎo)線的應(yīng)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(jìn)一步降低電機(jī)電磁噪音。
優(yōu)勢4:端部短,節(jié)省銅材,提升效率。傳統(tǒng)的圓線電機(jī),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(jī)來說,因?yàn)榫€都是硬線,可以在加工的時候把端部做得小一點(diǎn),與圓線電機(jī)相比減少20%的端部尺寸,空間進(jìn)一步降低,可以把系統(tǒng)的體積進(jìn)一步縮小,實(shí)現(xiàn)小型化和輕量化。
優(yōu)勢5:扁線電機(jī)最高效率點(diǎn)不一定比圓線高多少,但高效區(qū)可以進(jìn)一步拓寬。
扁線電機(jī)的劣勢
劣勢1:高速集膚效應(yīng)。新能源汽車做高功率密度要求往高轉(zhuǎn)速走,以前都是做一萬轉(zhuǎn)甚至是一萬二,現(xiàn)在往一萬六甚至是兩萬的方向做。需要在電機(jī)設(shè)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(jī)銅線國內(nèi)做的廠家比較多,并且質(zhì)量做的可以非常好。能夠做扁線電機(jī)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(shè)備精度要求高,前期投入大,因?yàn)樗木热绻桓?,產(chǎn)品的可靠性和一致性都會比較差。車企擔(dān)心的也是質(zhì)量的可靠性以及穩(wěn)定性。
劣勢4:系列化的設(shè)計難,電機(jī)要想把成本降低,最好是把它做到系列化,系列化的設(shè)計是目前扁線電機(jī)不如圓線電機(jī)的地方。
劣勢5:專利壁壘過多,扁線電機(jī)專利目前主要還是在歐美及日本企業(yè)里,中國企業(yè)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(shè)計時就必須留有變形余量。
劣勢7:絕緣涂層在烘干后會產(chǎn)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(chǎn)生損壞,導(dǎo)致在實(shí)際加工中,扁線的良品率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于圓線。
扁線電機(jī)生產(chǎn)工藝
發(fā)卡電機(jī)定子主要生產(chǎn)工藝流程,線成型和紙成型以及插紙,這兩個工序同步進(jìn)行。進(jìn)入到定子的插線工藝,然后進(jìn)行扭線,扭線完成后進(jìn)行焊接的工藝。焊接完成后,電機(jī)的定子基本工序完成,后面是涂敷,然后進(jìn)行性能測試和驗(yàn)證。這是基本的流程,中間有很多細(xì)節(jié)。
扁線電機(jī)生產(chǎn)工藝流程:插槽紙→制造發(fā)卡→穿發(fā)卡→端環(huán)定型→端環(huán)焊接→接星點(diǎn)→焊接處絕緣處理
扁線電機(jī)應(yīng)用情況
從長期來看,小型化、高速化將是新能源汽車電機(jī)的主要發(fā)展趨勢,而小型化必然要求電機(jī)功率密度有大幅度提升,從技術(shù)要求來看,“十三五規(guī)劃”提出新能源汽車驅(qū)動電機(jī)的峰值功率密度要達(dá)到4kW/kg,而目前這一數(shù)據(jù)僅達(dá)到3.2-3.3kW/kg。
扁線繞組電機(jī)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(jīng)成功應(yīng)用,是我國下一代新能源汽車電機(jī)發(fā)展的必然趨勢,目前包括比亞迪、上汽、北汽、精進(jìn)新能源在內(nèi)主機(jī)廠和電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)展開了相應(yīng)的研究。
2020年之前,扁線電機(jī)對圓形電機(jī)的替代作用仍然不夠明顯。得益于扁線電機(jī)體積小的優(yōu)勢,扁線電機(jī)將優(yōu)先在混動車型上得到大規(guī)模應(yīng)用,尤其是插電車型。但國內(nèi)由于政策和市場的因素,插電車型占比較低。而純電領(lǐng)域,目前只有上汽榮威ERX5一款車型裝配扁線電機(jī),應(yīng)用較少。
通用三代扁線電機(jī)發(fā)展歷程給我們的啟示
通用第1代扁線電機(jī)
Chevrolet Voltec,該電機(jī)采用的4ET50驅(qū)動系統(tǒng)(Chevrolet Voltec 4ET50-2011)是一款雙電機(jī)架構(gòu)系統(tǒng)。其中Motor B電機(jī)為扁線發(fā)卡電機(jī),功率110kw,轉(zhuǎn)矩370NM,轉(zhuǎn)速9500rpm,槽極比為12極72槽。
▲2011-chevrolet-volt-transmission-cutaway
該電機(jī)采用軸向插線的發(fā)卡繞組技術(shù),也就說單發(fā)卡繞組,這種發(fā)卡繞組使得槽內(nèi)排列非常規(guī)整,從而大大提高了槽滿率,同時端部精湊型得以增強(qiáng),這兩項(xiàng)的改進(jìn)最終的效果是直流電阻下降30~40%。
雖然發(fā)卡電機(jī)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(chǎn)生集膚效應(yīng)。
GM用Voltec車型作了電機(jī)工作點(diǎn)轉(zhuǎn)速統(tǒng)計,確定在urban2和 US06等工況下電機(jī)轉(zhuǎn)速基本在6000rpm以下,沒有超過8000rpm,也就是說扁線的低電阻優(yōu)勢得以發(fā)揮。從這個角度而言,扁線電機(jī)更適用于中低速的應(yīng)用場合。
圓線繞組端部在浸漆后,成為一個實(shí)心整體,冷卻油很難滲入內(nèi)部,帶著中間層導(dǎo)體的熱量,容易在繞組內(nèi)部形成熱孤島。4ET50的電機(jī)中采用了端部噴油冷卻技術(shù),因?yàn)楸饩€端部導(dǎo)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(dǎo)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(jī)
Spark是在2014年發(fā)布的,主驅(qū)是一款峰值功率105kw的電機(jī),轉(zhuǎn)速不高只有4500rpm。其采用的技術(shù)組合是:軸向插入式扁線+雙V轉(zhuǎn)矩結(jié)構(gòu)+噴油冷卻技術(shù)。
電動機(jī)的專項(xiàng)研究工作是由通用汽車位于底特律市郊威克瑟姆鎮(zhèn)的試驗(yàn)室負(fù)責(zé),馬里蘭州巴爾的摩進(jìn)行量產(chǎn)。
純電動/增程式混動的電機(jī)運(yùn)行時間遠(yuǎn)大于全/插電混動電機(jī),電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和功率需求也更高。增程式混動一般選擇功率分流驅(qū)動結(jié)構(gòu),B電機(jī)作為主驅(qū)電機(jī)。
第一代雪佛蘭沃藍(lán)達(dá)的驅(qū)動系統(tǒng)所有推進(jìn)動力由B電機(jī)提供,所以B電機(jī)需要滿足加速和驅(qū)動需求。一臺發(fā)卡永磁B電機(jī)和一臺集中繞組永磁A電機(jī)設(shè)計應(yīng)用于早期產(chǎn)品。選擇集中繞組主要是空間限制。
然而,第二代沃藍(lán)達(dá)的車輛架構(gòu)驅(qū)動需求分流給A/B電機(jī)。最終B電機(jī)的尺寸顯著縮小。由于A電機(jī)轉(zhuǎn)矩需求低,設(shè)計了一臺鐵氧體電機(jī)。
另外純電動汽車典型應(yīng)用單電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng),因此,驅(qū)動電機(jī)傾向于大能力滿足車輛加速和驅(qū)動需求。通用第一代純電動雪佛蘭Spark電機(jī)選擇了低速IPM和小的減速比。
如果以標(biāo)準(zhǔn)圓線繞組作為基準(zhǔn)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(dá)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(jìn)步除了和方案參數(shù)本身有關(guān)外,還受益于扁線工藝的成熟。
在Spark電機(jī)中,發(fā)卡的成型和扭曲都采用數(shù)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(jìn)行實(shí)時反饋閉環(huán)。通過這些技術(shù)手段,即保證繞組成型的精度,又能控制繞組的應(yīng)力,使得每匝線圈都是質(zhì)量是完全一致的。
通用第3代扁線電機(jī)
2017年GM發(fā)布了Chevrolet Blot ,該款電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩360Nm,峰值功率150kW,峰值轉(zhuǎn)速8810rpm,電機(jī)的峰值電流400Arms。
減速器速比提高,電機(jī)轉(zhuǎn)速提升近2倍。轉(zhuǎn)速上升,扁線電機(jī)導(dǎo)體在高速時集膚效應(yīng)加重,導(dǎo)致AC電阻增加。
Bolt的電機(jī)繞組采用的扁銅線,發(fā)卡式。扁銅線插入定子槽后,經(jīng)過彎曲、焊接成型。
優(yōu)點(diǎn):
槽滿率高,傳統(tǒng)電機(jī)45%,發(fā)卡能達(dá)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(diǎn):
由于繞組線粗,高頻集膚效應(yīng)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(chǎn)生缺口或破面
由于電機(jī)匝數(shù)少,不易系列化。
加工工藝復(fù)雜
生產(chǎn)設(shè)備要求高
這里面的缺點(diǎn)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(dāng)車運(yùn)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(yīng)會增大,從而會增大繞組的電阻,進(jìn)一步增加銅耗。
Blot將每槽導(dǎo)體從4根增加到了6根,高速的渦流損耗得以明顯下降。
導(dǎo)體數(shù)增加不僅能夠提高降低渦流損耗,還能夠改善AC電阻隨轉(zhuǎn)速增加的趨勢,Spark電機(jī)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(xiàn)拐點(diǎn)。這項(xiàng)提升有利于緩解扁線電機(jī)的高速劣勢。
Blot取消了槽內(nèi)線線之間的絕緣,進(jìn)一步改善了槽絕緣的結(jié)構(gòu),Blot的槽絕緣由上下兩個U套構(gòu)成,在兩個絕緣的交疊處,槽寬略微擴(kuò)大。這種設(shè)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(jié):通用三代扁線電機(jī)發(fā)展歷程給我們的啟示
我們從上面通用發(fā)展扁線電機(jī)的三次迭代可以看出,定指標(biāo)時很大膽,要求提得很高,但具體實(shí)施時缺失小步快跑,謹(jǐn)慎迭代,不急不躁,拒絕大躍進(jìn),保守中蘊(yùn)藏進(jìn)步。
例如雙V結(jié)構(gòu)一直沒有改變,每次只是在細(xì)節(jié)上優(yōu)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(jié)構(gòu),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(lǐng)域的小問題,這是一種反急功近利的心態(tài),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(dāng)為吾輩工程師的座右銘。