扁線泰富西瑪電機的特點、優(yōu)點及技術性能提高

扁平線泰富西瑪電機一般采用4層或8層扁平線結構。每道工序都可以通過專有設備實現全自動化，產品一致性好，生產效率高。然而，它對設備專用性提出了很高的要求，在經濟上不適合小批量生產原型。


定子槽內有規(guī)則布置的扁線電機繞組，槽滿率高，純銅槽滿率達到70%，提高了電機的轉矩輸出能力和散熱能力；雙V型磁鋼結構轉子，磁鋼利用率高，提高了電機轉矩和效率；扁線電機定子銷端激光焊接，焊點飽滿圓潤，焊接強度高，焊接效率高，焊點一致性好。



扁線電機具有體積小、重量輕、功率密度高的結構特點。方正設計的方線電機定子鐵芯外徑220mm，每槽8根導線，C型絕緣紙，繞組采用行星式四路并聯。中點采用母線環(huán)連接，結構緊湊，可靠性高。



扁平線泰富西瑪電機具有高輸出功率。方正扁平線電機的峰值功率為350Nm/170kW，連續(xù)功率為150Nm/65kW。

發(fā)動機的最高效率為97.5%，NEDC的平均效率大于94%。


扁線電機的優(yōu)點

1、槽滿率高，通?？梢赃_到70%以上的槽滿率。提高槽滿率可以有效地提高電機的功率密度，改善定子槽內的散熱；

2、具有較強的散熱能力，除了減少扁線在中低速時產生的熱量外，由于交流電阻比圓線定子減小，鎖止槽中的熱阻也減小。這樣導熱性更好；

3、具有更強的動力和扭矩能力；扁平線電機具有更低的發(fā)熱量和更好的散熱能力。通過電磁設計，定子繞組上的熱負荷相應增加，并為轉子提供更多空間，以確保扁線定子和圓線定子的溫度。在類似情況下，增大轉子外徑以提高電機的峰值效率；

4、與圓線繞線電機相比，扁線繞線電機具有更多的低速效率優(yōu)勢，更適合中國城市道路條件下車輛的需要。

扁平線在未來將有百倍大的市場空間。據測算，2020年，扁平線電機滲透率約為10%，疊加新能源汽車滲透率約為5.4%，扁平線綜合滲透率不足1%。未來，新能源汽車將取代傳統(tǒng)的燃油汽車，扁平線電機將取代傳統(tǒng)的圓線電機。扁平電線的市場空間是普通電線的一百倍。

1、產業(yè)發(fā)展的動力，扁平線電機的五大優(yōu)勢

優(yōu)點1：高能量轉換效率可節(jié)省電池成本。扁平線電機可以大大提高轉換效率，降低電池成本。根據上汽綠色核心渠道評估，在WLTC工況下，扁平線電機的轉換效率比傳統(tǒng)的圓線電機高1.12%；低于全球平均值，這對應于兩個效率值之間的差異為2%；在城市工況下（低速和高扭矩），兩個效率值之間的差異是10%。根據一輛典型的500公里a級車（配備60kWh電池和150kW電機）的計算，在WLTC條件下，扁平線電機電池的成本將節(jié)省672元，在城市條件下，電池的K成本將節(jié)省6000元。

每輛自行車節(jié)省1000元的成本對汽車公司來說意義重大。以NIO為例，2021第一季度，一輛自行車的毛利為8417元，而一輛自行車的凈利潤只有-2239元。在新能源汽車和動力電池成本居高不下的情況下，降低成本是汽車制造商永恒的追求，提高發(fā)動機的工作效率是降低成本最有效的途徑之一。

銅耗的降低使扁線電機的轉換效率高于圓線電機。電機損失的能量有65%來自銅損耗，20%來自鐵損耗，10%來自風摩擦損耗，5%來自雜散損耗。當電流流過銅線時，銅損耗來自電阻加熱Q=I2R。當槽滿率較高時，相同功率的電機所需的銅線較短，內阻減小，發(fā)熱減少，銅耗降低。

理論上，圓導線的槽填充水平一般在40%左右，而扁導線的槽填充水平可以提高到70%。由于圓導線的橫截面是圓形的，當扁平導線之間的間距較小且槽填充率較高時，導線之間不可避免地會出現不規(guī)則間隙。

相片

扁平線電機的高效率范圍遠高于圓線電機。對圓線電機高效率范圍的一般要求是效率大于85%的范圍之比不小于85%，稱為“雙85”。大于90%的扁線電機效率不低于90%，稱為“雙90”。電機的效率取決于速度和扭矩。城市交通中頻繁的啟停工況屬于低速大扭矩工況，是城市交通的低效區(qū)圓線電機，而扁線電機在這種情況下轉換效率更高。

優(yōu)點2：散熱性好，提高高溫性能。扁線電機具有良好的散熱性能，溫升比圓線電機低10%。扁平導線和圓形導線之間的緊密接觸改善了散熱。研究發(fā)現，在高槽滿率下，繞組間的導熱系數是低槽滿率的150%。繞組具有各向異性導熱系數，軸向導熱系數是徑向導熱系數的100倍。在溫升較小的情況下，車輛可以獲得更好的加速性能。

優(yōu)點3：功率密度高，車輛性能更強。電機性能與銅含量呈正相關。根據上汽綠芯渠道評估，扁平線電機的槽滿率提高，銅線填充量比體積小20-30%，輸出功率預計增加20-30%。國家政治層面提倡高發(fā)動機功率密度。“十三五”規(guī)劃提出，新能源乘用車的發(fā)動機功率密度應達到4.0千瓦/千克，高于目前圓線發(fā)動機約3.5千瓦/千克的水平。在當前圓線電機功率密度已進入困難模式的時代，發(fā)展扁線電機是一條必然的道路。根據Moen Electric的公告，目前領先公司的扁平線電機功率密度約為4.5kw/kg。

實現了發(fā)動機的智能化和輕量化。

國內主流廠家大力推廣扁線電機，實現減量化。上汽ER6 8層發(fā)夾線電驅動系統(tǒng)比上一代圓線電驅動系統(tǒng)小50%。目前，華為的七合一電驅動包括：BCU制動控制單元、PDU配電單元、DCDC低壓直流電源轉換器、MCU微控制器單元、OBC車載充電器、電機和減速器。

2逐步消除應用扁線電機的障礙

扁線電機有許多傳統(tǒng)繞組無可比擬的優(yōu)點，但同時，扁線電機也有一些缺點，但總的來說，這些缺點并沒有掩蓋缺點。隨著技術的發(fā)展和滲透率的逐步提高，扁線電機應用的障礙將逐步得到解決。

應用障礙1：“趨膚效應”和“鄰近效應”明顯，高速時交流阻抗增大，轉換效率降低。趨膚效應是指當導體中存在交流電或交變電磁場時，導體中的電流分布不均勻，電流集中在導體的“表皮”部分的現象。鄰近效應指的是緊密相連的導體。當交流電流通過時，每個導體都處于由其自身電流產生的磁場中，也處于由其他導體中的電流產生的磁場中，從而減少每個受影響導體中的電流分布-相鄰導體影響碰撞?！摆吥w效應”和“鄰近效應”增加交流阻抗，交流阻抗增加，高速時轉換效率降低。

“趨膚效應”并不影響扁平線電機穿透率的快速增加，但工程師們已經做出了改進：1）增加扁平線的縱橫比，間接增加扁線；2） 減小導線的尺寸，間接增加扁導線的比表面積，同時也降低了槽的充滿率，需要綜合評價；3） 采用多速變速箱降低發(fā)動機轉速，代表車型為Porsche Taycan；4） 3D打印銅線、導體尺寸和橫截面可以隨意改變，從而為繞組設計提供了很大的自由度。該解決方案在導體內形成了電隔離結構，用于限制渦流路徑，因此電流密度限制在剩余導體橫截面內。此外，借助3D打印，任何連接幾何圖形都可以實現，而無需傳統(tǒng)的纏繞焊接工藝，這在短期內無法大規(guī)模生產。

應用障礙2：非標準化；不同汽車制造商的設計方案不同，定子是電機設計的核心。確定定子尺寸后，導線類型和導線尺寸將在每個點發(fā)生變化。而且昂貴的工裝和模具需要定制，兼容性低，序列化難度高。同一汽車制造商或發(fā)動機制造商的設計系列化趨勢開始出現。以SAIC E2架構為例。在設計的早期，考慮了共線生產。三臺具有不同輸出（150 kW、180 kW、250 kW）的電機適用于此架構。所有型號基本上都是模塊化的。第三方電機的擴展也將提高系列化的難度。扁平線電機的技術門檻和初始投資門檻遠高于傳統(tǒng)的圓線電機。技術基礎薄弱的汽車制造商只能依賴第三方汽車制造商：制造商的發(fā)動機型號有限，這也正成為市場的主流產品。

應用障礙3：扁線泰富西瑪電機生產線的投資是圓線的2～5倍。扁線電機產品一致性要求高，技術難度大，需要投資高精度自動化伺服設備、焊接設備、發(fā)夾線成型設備和工裝工具。確定了汽車電氣化和電機扁平化的趨勢，扁平線電機逐漸成為首都的寵兒。方正汽車每年生產100萬臺新能源汽車驅動電機項目，總投資5億元。項目投產后，可增加銷售額25億元。

應用障礙4：對扁線要求高，扁線成本高，技術難度大。

加工扁線比較困難。

1） 從圓形到矩形的變化導致銅線制造和加工更加復雜。

2） 涂層難度正在增加。在扁線的R角上涂刷漆膜很困難，這里很難保證絕緣層的均勻性；絕緣涂層干燥后會收縮，扁線收縮不均勻，容易變形，需要改進，使R角處的涂層厚度變厚；

3） 扁線彎曲成發(fā)夾后，應力集中在R角，容易損壞涂層；

4） 扁線精度要求高，橫截面積扁線大，匝數小，單根線的不一致性對整體性能的影響顯著增加，扁線的一致性高，復雜的加工成本使扁線更加昂貴，這也讓扁線加工企業(yè)享受到更高的技術溢價；

5） 新能源汽車中使用的磁線直接關系到汽車運行的穩(wěn)定性，對磁線制造商的質量控制流程、研發(fā)和工藝設計能力提出了很高的要求。合理設計，嚴格控制顏色協(xié)調、拉絲模配置、電壓控制、漆模配置、烘烤溫度、絕緣漆粘度、工作環(huán)境等多個控制點。

扁線泰富西瑪的最大成本是以無氧銅棒為原料，電機的加工費價值不高。穩(wěn)定的合格產品供應是與汽車公司合作的關鍵。當原材料是主要成本時，汽車公司沒有動機尋求處理費較低的供應商。

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