探討汽車驅(qū)動電機(jī)扁線繞組換位技術(shù)

800V高壓平臺下，整車電池系統(tǒng)，充電系統(tǒng)，電驅(qū)系統(tǒng)均要向高電壓平臺進(jìn)行開發(fā)。電機(jī)作為三電系統(tǒng)中的核心，其效率表現(xiàn)直接影響了整車的性能。而在800V架構(gòu)下，電機(jī)的設(shè)計與低壓平臺的設(shè)計也有所不同，要求電驅(qū)系統(tǒng)向高效化、輕量化以及低成本化邁進(jìn)。在此背景下，由扁銅線繞制而成的電機(jī)越來越受到供應(yīng)商和主機(jī)廠的青睞。

扁線電機(jī)繞組形式

按制造工藝分類，扁線電機(jī)的繞組方式主要有Hair-pin，I-pin以及連續(xù)波繞組三類。

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I-pin繞組

I-pin繞組屬于軸向嵌裝繞組，直接將扁線導(dǎo)體軸向嵌入鐵芯槽后，對兩頭進(jìn)行扭折焊接，制造工藝較為簡單，但由于焊接部位額外占用徑向尺寸，尾部長，銅耗大，溫度增加的同時效率也會有所降低。

I-pin繞組

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Hair-pin繞組

Hair-pin繞組的制造工藝較I-pin繞組相對復(fù)雜，制造工藝過程中多了預(yù)成型這一步。Hair-pin繞組需要對扁銅線預(yù)成型成發(fā)卡狀，另一端為焊接端，制造工藝較為困難。但由于減少了一端的焊接，整體的銅耗要低于I-pin繞組，電機(jī)效率也有一定的提升。

Hair-pin繞組

除了成型工藝難度外，扁線hairpin繞組的工藝?yán)щy還在于在繞組端部的絕緣處理上，以避免繞組和定子的直接接觸。與此同時，為了保證結(jié)構(gòu)緊湊，繞組和繞組之間的間隙要足夠的小。小的間隙就會帶來兩個問題：

小間隙對工藝容差小，對氣息偏小的區(qū)域容易產(chǎn)生匝間擊穿短路問題以及隱藏的內(nèi)在缺陷。

匝間樹脂絕緣材料的損傷問題，一般通過在繞組和繞組之間的間隙內(nèi)部安裝絕緣紙的方法進(jìn)行處理，但工藝成本較高。

采用發(fā)卡電機(jī)的繞組在端部高度上也遇到了極限，常規(guī)hairpin繞組的端部以三角形的形式呈現(xiàn)，端部高度Lc受到三角形的角度 θ和間隙的限制。

“三角形”端部結(jié)構(gòu)，高度限制

目前針對繞組高度這一問題，日本電裝DENSO采用了階梯式的端部設(shè)計，減少繞組的轉(zhuǎn)彎半徑，使得端部高度Lc受到三角邊角度θ的約束減少，更加緊湊繞組結(jié)構(gòu)。而為了解決繞組間絕緣問題，DENSO在扁線基礎(chǔ)絕緣的基礎(chǔ)上，額外加上高分子聚合物絕緣材料，使得不同的線圈即便在接觸后也能滿足絕緣要求。

“階梯型”端部結(jié)構(gòu)，高度限制

在扁線基礎(chǔ)絕緣的基礎(chǔ)上，額外加上高分子聚合物絕緣材料

值得注意的是，雖然hairpin和I-pin兩種繞組在最高效率和峰值扭矩上不相上下，并且I-pin的繞組工藝更為簡單。但是由于焊點(diǎn)問題，增加的焊點(diǎn)所導(dǎo)致的失效風(fēng)險也越高，因此Hair-pin繞組工藝是國內(nèi)外廣泛采用的工藝。目前，特斯拉22款Model 3/Y后驅(qū)已經(jīng)搭載了Hair-pin繞組的扁線電機(jī)。

hair-pin繞組的扁線電機(jī)

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連續(xù)波繞組

波繞扁線是一種焊點(diǎn)少，設(shè)計靈活性高的繞組工藝，但以目前現(xiàn)有的線圈排布方式，主要存在以下幾個問題：

繞組支路不對稱，導(dǎo)致反電勢、電阻、電感存在差異，降低電機(jī)性能，同時繞組環(huán)流將增加電機(jī)的附加損耗，導(dǎo)致電機(jī)局部過熱。

電機(jī)繞組排布困難，容易發(fā)生交疊，難以放進(jìn)定子槽。

當(dāng)波繞組的跨距不同時，制作過程復(fù)雜，模具投入成本高，生產(chǎn)難度大。

連續(xù)波繞組

電機(jī)冷卻及散熱研究

800V高壓平臺和扁線繞組工藝的應(yīng)用必將導(dǎo)致電機(jī)朝著高功率，高轉(zhuǎn)速的方向發(fā)展。尤其在應(yīng)用了Hairpin繞組的電機(jī)上，由于集膚效應(yīng)和渦流產(chǎn)生的熱損耗，不僅降低電機(jī)整體效率，電機(jī)長時間在高溫環(huán)境下運(yùn)行容易發(fā)生磁體退磁，絕緣材料老化以及降低變速箱等驅(qū)動單元使用壽命的問題。因此這就對電機(jī)的散熱手段提出了新的要求。

電機(jī)冷卻主要有風(fēng)冷，油冷以及水冷等三種手段，風(fēng)冷由于散熱效果有限，目前已有的電機(jī)鮮有采用這種冷卻形式。

水冷電機(jī)是借鑒了油車中發(fā)動機(jī)的冷卻方式借用冷卻水和乙二醇的混合液，通過殼體的冷卻回路對電機(jī)進(jìn)行冷卻。但是隨著電機(jī)的功率密度越來越大，長需要對發(fā)熱熱源直接進(jìn)行冷卻以獲得良好的散熱效果，而水其本身的導(dǎo)電導(dǎo)磁特性，并且沸點(diǎn)低，易膨脹等問題導(dǎo)致現(xiàn)在已有的水冷技術(shù)難以滿足電機(jī)高功率的需求。

油冷是現(xiàn)在主要應(yīng)用的冷卻方式。冷卻油本身不導(dǎo)電不導(dǎo)磁，可以直接在電機(jī)殼體內(nèi)部對齒軸、定子等進(jìn)行冷卻，可以起到較好的冷卻效果。除此之外，通過調(diào)整冷卻油的配方，還可在冷卻的同時對電驅(qū)系統(tǒng)內(nèi)部的零件起到潤滑的作用。因此采用優(yōu)良配比的油冷方案將成為未來電機(jī)冷卻方案的主流趨勢。

基于上述的油冷測量，不少新勢力在多合一電機(jī)技術(shù)方面也進(jìn)行了智能油溫測量的考慮，以華為的One-drive高轉(zhuǎn)速智能油冷四驅(qū)系統(tǒng)為例，其計劃采用噴淋式油道設(shè)計直接對齒軸等摩擦生熱的零件進(jìn)行冷卻，獲得最好的冷卻效果。

汽車驅(qū)動電機(jī)扁線繞組換位技術(shù)

在2021年全球新能源汽車前沿及創(chuàng)新技術(shù)評選中，由哈爾濱理工大學(xué)申報的《汽車驅(qū)動電機(jī)扁線繞組換位技術(shù)》能有效減小環(huán)流和渦流損耗，可以省去槽部插線、端部扭轉(zhuǎn)、焊接等復(fù)雜工藝，有望成為驅(qū)動電機(jī)第三代繞組引領(lǐng)技術(shù)。

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前瞻性

驅(qū)動電機(jī)是新能源汽車的核心動力來源，隨著對新能源汽車輕量化、低成本、高可靠性等要求的逐步提高，對驅(qū)動電機(jī)功率密度、峰值效率、高效率區(qū)提出了日益嚴(yán)苛要求。目前的解決途徑主要集中在驅(qū)動電機(jī)磁路結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制方法上，對功率密度、效率的提高貢獻(xiàn)有限，繞組損耗占驅(qū)動電機(jī)總損耗一半左右，尤其當(dāng)高速高頻時損耗占比更大，因此，突破汽車驅(qū)動電機(jī)的繞組設(shè)計技術(shù)不僅是提高驅(qū)動電機(jī)功率密度與效率的有效解決途徑，也是未來提高電機(jī)繞組絕緣等級與電壓等級的前瞻技術(shù)。目前，汽車驅(qū)動電機(jī)廣泛采用扁線發(fā)夾繞組，該繞組特點(diǎn)是在槽內(nèi)沿高度方向緊密插入多根單匝銅扁線，銅扁線端部采用特殊工藝進(jìn)行扭轉(zhuǎn)、焊接。由于扁線發(fā)夾繞組層數(shù)受到限制，銅扁線截面積較大，導(dǎo)致銅扁線中渦流附加損耗很大，加之，汽車驅(qū)動電機(jī)時常工作在高頻、高諧波工況，會引起效率降低、發(fā)熱嚴(yán)重；除此之外，扁線發(fā)夾繞組采用的槽部插線、端部扭轉(zhuǎn)、焊接工藝極為復(fù)雜，整套生產(chǎn)線成本高，系列化生產(chǎn)困難。為克服扁線發(fā)夾繞組的局限，提出了汽車驅(qū)動電機(jī)扁線繞組換位技術(shù)，該技術(shù)采用多根小截面銅扁線構(gòu)成并繞換位結(jié)構(gòu)，可以有效減小附加損耗，提高效率和功率密度；扁線換位繞組端部無需焊接、工藝簡單、成本低、便于系列化生產(chǎn)；扁線換位繞組可以實(shí)現(xiàn)股線一體化設(shè)計，有效提高繞組絕緣等級和散熱能力；扁線換位繞組可以進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化繞制，實(shí)現(xiàn)下線前的檢測與評估，有效提高繞組的運(yùn)行可靠性。

繞組結(jié)構(gòu)

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引領(lǐng)性

汽車驅(qū)動電機(jī)扁線繞組換位技術(shù)突破了設(shè)計、制造、檢測、評價等多維度的基礎(chǔ)性與前沿性瓶頸問題，其技術(shù)引領(lǐng)性主要體現(xiàn)在以下三個方面：

提出了汽車驅(qū)動電機(jī)的扁線繞組換位技術(shù)的理論體系，針對汽車驅(qū)動電機(jī)軸向短、端部短、極數(shù)多、槽數(shù)少等繞組換位的瓶頸問題，提出了基于漏電勢補(bǔ)償?shù)倪B續(xù)換位思想，實(shí)現(xiàn)了定子繞組電負(fù)荷平衡、附加損耗低、效率高、全域溫升分布均勻；針對復(fù)雜換位結(jié)構(gòu)，提出了三維電磁熱數(shù)值模擬方法，實(shí)現(xiàn)了溫升監(jiān)測點(diǎn)的準(zhǔn)確預(yù)判。

扁線繞組換位技術(shù)

提出了汽車驅(qū)動電機(jī)扁線換位繞組系列化產(chǎn)品通用的換位設(shè)計方法和設(shè)計技術(shù)。提出了基于離散積分法、等效電路網(wǎng)絡(luò)法、多變量多目標(biāo)優(yōu)化算法的通用換位設(shè)計方法，開發(fā)了通用換位設(shè)計軟件。解決了換位設(shè)計方法和設(shè)計技術(shù)的瓶頸問題，為汽車驅(qū)動電機(jī)扁線換位繞組系列化產(chǎn)品以及新產(chǎn)品的研發(fā)提供了換位設(shè)計新技術(shù)。

扁線換位繞組通用換位設(shè)計軟件

開發(fā)了多路并繞股線環(huán)流檢測系統(tǒng)及扁線換位繞組評測技術(shù)。傳統(tǒng)研究未解決扁線換位繞組的多路并繞股線緊密貼合并聯(lián)結(jié)構(gòu)下的環(huán)流實(shí)驗(yàn)測試難題。本技術(shù)提出了扁線換位繞組多路并繞股線環(huán)流實(shí)時測試方法、搭建了實(shí)測平臺并開發(fā)了線陣型股線電流傳感器，進(jìn)而研發(fā)出了扁線繞組換位的在線評價技術(shù)和故障診斷技術(shù)，攻克了環(huán)流檢測與換位評測的難題。

扁線繞組評測技術(shù)

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顛覆性

汽車驅(qū)動電機(jī)繞組技術(shù)經(jīng)歷了第一代常規(guī)圓散線繞組，第二代扁線發(fā)夾繞組的研發(fā)過程，初步實(shí)現(xiàn)了高槽滿率、高功率密度與輕量化。扁線繞組換位技術(shù)不但可以改變汽車驅(qū)動電機(jī)的復(fù)雜制造工藝、降低成本，而且可以突破汽車驅(qū)動電機(jī)功率密度、峰值效率以及高效率區(qū)的上限，有望替代扁線發(fā)夾繞組成為汽車驅(qū)動電機(jī)的第三代繞組。本技術(shù)顛覆了前兩代繞組股線的散線模式，全面實(shí)現(xiàn)繞組損耗、絕緣、散熱等多目標(biāo)協(xié)同設(shè)計。

扁線換位繞組通過顛覆性的手段，實(shí)現(xiàn)了效率的提升，充分利用股線的并繞、換位節(jié)距的選擇以平衡每根扁銅線所交鏈的漏磁鏈，可以使得附加損耗降到最低。與圓散線繞組和扁線發(fā)夾繞組相比，可以提高汽車驅(qū)動電機(jī)的效率，尤其對于高速高頻工況，附加損耗降低效果顯著，可以拓寬汽車驅(qū)動電機(jī)的高效率區(qū)。

扁線換位繞組顛覆了圓散線繞組和扁線發(fā)夾繞組的設(shè)計方法和設(shè)計理念，扁線換位繞組的設(shè)計方案靈活多樣，沒有扁線發(fā)夾繞組層數(shù)的限制，可以根據(jù)技術(shù)需求，設(shè)計不同的繞組排列方案和換位方式。

扁線換位繞組顛覆了圓散線繞組和扁線發(fā)夾繞組的制造工藝，既兼顧了圓散線繞組繞制和下線工藝的優(yōu)勢，又省去了扁線發(fā)夾繞組的槽部插線、端部扭轉(zhuǎn)、焊接等工藝過程，降低了生產(chǎn)成本，還可以實(shí)現(xiàn)股線一體化設(shè)計，為繞組絕緣等級和電壓等級的提高預(yù)留了空間。

汽車驅(qū)動電機(jī)扁線繞組換位技術(shù)解決了設(shè)計、檢測、評價等多維度的基礎(chǔ)性與前沿性瓶頸問題，形成了汽車驅(qū)動電機(jī)扁線繞組的換位技術(shù)體系。本技術(shù)能夠省去扁線發(fā)夾繞組的槽部插線、端部扭轉(zhuǎn)、焊接等復(fù)雜工藝過程，無需購買價格高昂的扁線發(fā)夾繞組整套生產(chǎn)線，大大降低了汽車驅(qū)動電機(jī)的生產(chǎn)制造成本；而且，與第二代扁線發(fā)夾繞組相比，能夠降低汽車驅(qū)動電機(jī)全工況的附加損耗，降低電機(jī)溫升，提高運(yùn)行可靠性，有望突破汽車驅(qū)動電機(jī)功率密度、峰值效率以及高效率區(qū)的上限；本技術(shù)亦便于提高電機(jī)繞組絕緣等級，為未來汽車驅(qū)動電機(jī)電壓等級提升奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。因此，本技術(shù)必將成為汽車驅(qū)動電機(jī)第三代繞組的引領(lǐng)技術(shù)，無論從生產(chǎn)制造成本還是技術(shù)的前沿性角度，該技術(shù)均具有很好的推廣價值和社會經(jīng)濟(jì)效益，是未來汽車驅(qū)動電機(jī)繞組的必然選擇。

編輯：黃飛