扁线泰富西玛电机的特点、优点及技术性能提高

扁线泰 富西玛电机的特点、优点及技术性能提高

扁平线泰富西玛电机一般采用4层或8层扁平线结构。每道工序都可以通过专有设备实现全自动化，产品一致性好，生产效率高。然而，它对设备专用性提出了很高的要求，在经济上不适合小批量生产原型。


定子槽内有规则布置的扁线电机绕组，槽满率高，纯铜槽满率达到70%，提高了电机的转矩输出能力和散热能力；双V型磁钢结构转子，磁钢利用率高，提高了电机转矩和效率；扁线电机定子销端激光焊接，焊点饱满圆润，焊接强度高，焊接效率高，焊点一致性好。



扁线电机具有体积小、重量轻、功率密度高的结构特点。方正设计的方线电机定子铁芯外径220mm，每槽8根导线，C型绝缘纸，绕组采用行星式四路并联。中点采用母线环连接，结构紧凑，可靠性高。



扁平线泰富西玛电机具有高输出功率。方正扁平线电机的峰值功率为350Nm/170kW，连续功率为150Nm/65kW。

发动机的最高效率为97.5%，NEDC的平均效率大于94%。


扁线电机的优点

1、槽满率高，通常可以达到70%以上的槽满率。提高槽满率可以有效地提高电机的功率密度，改善定子槽内的散热；

2、具有较强的散热能力，除了减少扁线在中低速时产生的热量外，由于交流电阻比圆线定子减小，锁止槽中的热阻也减小。这样导热性更好；

3、具有更强的动力和扭矩能力；扁平线电机具有更低的发热量和更好的散热能力。通过电磁设计，定子绕组上的热负荷相应增加，并为转子提供更多空间，以确保扁线定子和圆线定子的温度。在类似情况下，增大转子外径以提高电机的峰值效率；

4、与圆线绕线电机相比，扁线绕线电机具有更多的低速效率优势，更适合中国城市道路条件下车辆的需要。

扁平线在未来将有百倍大的市场空间。据测算，2020年，扁平线电机渗透率约为10%，叠加新能源汽车渗透率约为5.4%，扁平线综合渗透率不足1%。未来，新能源汽车将取代传统的燃油汽车，扁平线电机将取代传统的圆线电机。扁平电线的市场空间是普通电线的一百倍。

1、产业发展的动力，扁平线电机的五大优势

优点1：高能量转换效率可节省电池成本。扁平线电机可以大大提高转换效率，降低电池成本。根据上汽绿色核心渠道评估，在WLTC工况下，扁平线电机的转换效率比传统的圆线电机高1.12%；低于全球平均值，这对应于两个效率值之间的差异为2%；在城市工况下（低速和高扭矩），两个效率值之间的差异是10%。根据一辆典型的500公里a级车（配备60kWh电池和150kW电机）的计算，在WLTC条件下，扁平线电机电池的成本将节省672元，在城市条件下，电池的K成本将节省6000元。

每辆自行车节省1000元的成本对汽车公司来说意义重大。以NIO为例，2021第一季度，一辆自行车的毛利为8417元，而一辆自行车的净利润只有-2239元。在新能源汽车和动力电池成本居高不下的情况下，降低成本是汽车制造商永恒的追求，提高发动机的工作效率是降低成本最有效的途径之一。

铜耗的降低使扁线电机的转换效率高于圆线电机。电机损失的能量有65%来自铜损耗，20%来自铁损耗，10%来自风摩擦损耗，5%来自杂散损耗。当电流流过铜线时，铜损耗来自电阻加热Q=I2R。当槽满率较高时，相同功率的电机所需的铜线较短，内阻减小，发热减少，铜耗降低。

理论上，圆导线的槽填充水平一般在40%左右，而扁导线的槽填充水平可以提高到70%。由于圆导线的横截面是圆形的，当扁平导线之间的间距较小且槽填充率较高时，导线之间不可避免地会出现不规则间隙。

相片

扁平线电机的高效率范围远高于圆线电机。对圆线电机高效率范围的一般要求是效率大于85%的范围之比不小于85%，称为“双85”。大于90%的扁线电机效率不低于90%，称为“双90”。电机的效率取决于速度和扭矩。城市交通中频繁的启停工况属于低速大扭矩工况，是城市交通的低效区圆线电机，而扁线电机在这种情况下转换效率更高。

优点2：散热性好，提高高温性能。扁线电机具有良好的散热性能，温升比圆线电机低10%。扁平导线和圆形导线之间的紧密接触改善了散热。研究发现，在高槽满率下，绕组间的导热系数是低槽满率的150%。绕组具有各向异性导热系数，轴向导热系数是径向导热系数的100倍。在温升较小的情况下，车辆可以获得更好的加速性能。

优点3：功率密度高，车辆性能更强。电机性能与铜含量呈正相关。根据上汽绿芯渠道评估，扁平线电机的槽满率提高，铜线填充量比体积小20-30%，输出功率预计增加20-30%。国家政治层面提倡高发动机功率密度。“十三五”规划提出，新能源乘用车的发动机功率密度应达到4.0千瓦/千克，高于目前圆线发动机约3.5千瓦/千克的水平。在当前圆线电机功率密度已进入困难模式的时代，发展扁线电机是一条必然的道路。根据Moen Electric的公告，目前领先公司的扁平线电机功率密度约为4.5kw/kg。

实现了发动机的智能化和轻量化。

国内主流厂家大力推广扁线电机，实现减量化。上汽ER6 8层发夹线电驱动系统比上一代圆线电驱动系统小50%。目前，华为的七合一电驱动包括：BCU制动控制单元、PDU配电单元、DCDC低压直流电源转换器、MCU微控制器单元、OBC车载充电器、电机和减速器。

2逐步消除应用扁线电机的障碍

扁线电机有许多传统绕组无可比拟的优点，但同时，扁线电机也有一些缺点，但总的来说，这些缺点并没有掩盖缺点。随着技术的发展和渗透率的逐步提高，扁线电机应用的障碍将逐步得到解决。

应用障碍1：“趋肤效应”和“邻近效应”明显，高速时交流阻抗增大，转换效率降低。趋肤效应是指当导体中存在交流电或交变电磁场时，导体中的电流分布不均匀，电流集中在导体的“表皮”部分的现象。邻近效应指的是紧密相连的导体。当交流电流通过时，每个导体都处于由其自身电流产生的磁场中，也处于由其他导体中的电流产生的磁场中，从而减少每个受影响导体中的电流分布-相邻导体影响碰撞。“趋肤效应”和“邻近效应”增加交流阻抗，交流阻抗增加，高速时转换效率降低。

“趋肤效应”并不影响扁平线电机穿透率的快速增加，但工程师们已经做出了改进：1）增加扁平线的纵横比，间接增加扁线；2） 减小导线的尺寸，间接增加扁导线的比表面积，同时也降低了槽的充满率，需要综合评价；3） 采用多速变速箱降低发动机转速，代表车型为Porsche Taycan；4） 3D打印铜线、导体尺寸和横截面可以随意改变，从而为绕组设计提供了很大的自由度。该解决方案在导体内形成了电隔离结构，用于限制涡流路径，因此电流密度限制在剩余导体横截面内。此外，借助3D打印，任何连接几何图形都可以实现，而无需传统的缠绕焊接工艺，这在短期内无法大规模生产。

应用障碍2：非标准化；不同汽车制造商的设计方案不同，定子是电机设计的核心。确定定子尺寸后，导线类型和导线尺寸将在每个点发生变化。而且昂贵的工装和模具需要定制，兼容性低，序列化难度高。同一汽车制造商或发动机制造商的设计系列化趋势开始出现。以SAIC E2架构为例。在设计的早期，考虑了共线生产。三台具有不同输出（150 kW、180 kW、250 kW）的电机适用于此架构。所有型号基本上都是模块化的。第三方电机的扩展也将提高系列化的难度。扁平线电机的技术门槛和初始投资门槛远高于传统的圆线电机。技术基础薄弱的汽车制造商只能依赖第三方汽车制造商：制造商的发动机型号有限，这也正成为市场的主流产品。

应用障碍3：扁线泰富西玛电机生产线的投资是圆线的2～5倍。扁线电机产品一致性要求高，技术难度大，需要投资高精度自动化伺服设备、焊接设备、发夹线成型设备和工装工具。确定了汽车电气化和电机扁平化的趋势，扁平线电机逐渐成为首都的宠儿。方正汽车每年生产100万台新能源汽车驱动电机项目，总投资5亿元。项目投产后，可增加销售额25亿元。

应用障碍4：对扁线要求高，扁线成本高，技术难度大。

加工扁线比较困难。

1） 从圆形到矩形的变化导致铜线制造和加工更加复杂。

2） 涂层难度正在增加。在扁线的R角上涂刷漆膜很困难，这里很难保证绝缘层的均匀性；绝缘涂层干燥后会收缩，扁线收缩不均匀，容易变形，需要改进，使R角处的涂层厚度变厚；

3） 扁线弯曲成发夹后，应力集中在R角，容易损坏涂层；

4） 扁线精度要求高，横截面积扁线大，匝数小，单根线的不一致性对整体性能的影响显著增加，扁线的一致性高，复杂的加工成本使扁线更加昂贵，这也让扁线加工企业享受到更高的技术溢价；

5） 新能源汽车中使用的磁线直接关系到汽车运行的稳定性，对磁线制造商的质量控制流程、研发和工艺设计能力提出了很高的要求。合理设计，严格控制颜色协调、拉丝模配置、电压控制、漆模配置、烘烤温度、绝缘漆粘度、工作环境等多个控制点。

扁线泰富西玛的最大成本是以无氧铜棒为原料，电机的加工费价值不高。稳定的合格产品供应是与汽车公司合作的关键。当原材料是主要成本时，汽车公司没有动机寻求处理费较低的供应商。

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