扁线应用于永磁同步电机的铜线绕组当中。以绝大部分新能源汽车采用的永 磁同步电机为例,电机结构包括定子组件、转子组件、基座、端盖以及其他辅助标 准件。定子组件包含了定子铁芯、铜线绕组、引出线和绝缘材料,一般与电机壳体 固定。铜线绕组又区分为传统圆线绕组以及新型扁线绕组。转子组件包含转子铁 芯、永磁体、转轴、轴承等部件,和输出转轴相连,带动齿轮驱动车辆行驶。
电机的发展始终围绕整车需求,扁线电机对传统圆线电机有碾压性的技术优 势。新能源汽车目前处于快速发展时期,产品质量快速提升,消费者对整车性能 要求越来越高。整车对电驱系统的主要需求包括:高效率,高功率密度,优秀 NVH, 高集成性和低成本扁线电机在这 5 个技术指标上均碾压传统圆线电机。
电机绕组导线横截面积为四边形,与传统圆线电机差异明显。在扁线电机的 定子组件制造过程中,需要把绕组做成发卡形状,通过插入方式安装入定子,故 这种扁线电机又被称为发卡电机
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。