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一文读懂扁线电机行业崛起始末


1、为什么1%的性能提升竟然能造成行业巨变?

近期,新能源汽车领域锂电池风头竟被占仅占车辆成本10%的电机所盖。与扁线电机相关的精达股份、方正电机等企业股价则是上涨近一倍,而原因竟是一台效率提升1%的扁线电机的应用,为什么这1%的性能提升竟能引起整个行业的巨变?

纵观历史,不论是体育竞技还是企业商战,高手对决,在逼近极限的时候

每1%的提升往往都能带来远超1%的效果。

回顾扁线电机的发展历程,在国外雪佛兰Volt与丰田第四代Pruis早已经开始应用扁线电机,而国内这方面的研究虽然起步较晚。但近期,特斯拉、上汽新能源、极氪、比亚迪等新能源车企都加快了将圆线电机替换成扁线电机的步伐。

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而更换的原因就在于:扁线电机相比普通电机效率能够提升1%。

将效率1%提升的扁线电机,到底厉害在哪里?

高中物理老师告诉我们,机械做功的本质,是能量从一种形式转化到另一种形式的过程。

对于电机来说,目标就是将电能转换为机械能。而且由于能量守恒定律的存在,这个转换效率的极限,是99.99……%,无限接近但不能达到100%。

对于电机来说,损耗来自于这几个方面。

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永磁同步电机的转化效率可达到96%-97%,已经远远高于只有30-40%热效率的内燃机。

如何在这个数字上更进一步?使用更合理的定子绕组,在能量损耗最大的铜耗上做文章,是业内的共识。

简单说,抓大头,把钱花在刀刃上。

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一直说的扁线绕组,就是应对这些需求,所产生的技术趋势。

什么是扁线技术?

永磁同步电机,主要由定子组件、转子组件以及其他辅助件组成。

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定子组件是决定电机性能的关键,由定子铁芯、绕组、引出线、以及绝缘材料组成。

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铜线外侧加绝缘涂层,制成漆包线,再首尾相连组成绕组,扁线绕组便是其中的一种绕组形式。

因为其单根漆包线形状像发卡,又俗称发卡电机,在国外则称之为Hair-pin电机。

2、扁线电机有哪些好处?

(1) 高效率

简单来说,就是单位面积内,铜变多了。扁线电机相比传统圆线电机,裸铜槽满率可提升20%~30%,有效降低绕组电阻进而降低铜损耗。

关于“槽满率”这个词,我们可以用这个比喻来形容——传统圆线绕组电机,犹如美国式机械灌溉农田,无法填满互相之间的空隙,造成面积的浪费;而在中国,我们不会这样浪费宝贵的土地。

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在寸土寸金的电机定子的截面里,同样的故事在发生。相比圆线绕组,扁线电机能在同样条件下,塞进更多面积的导线。导线越粗、电阻越小,在导线上因发热损失的能量就会越小。

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其次,端部尺寸更短。Hair-pin电机相比圆线电机绕组端部尺寸更短,端部总高度短5~10mm,有效降低端部绕组铜耗,进一步提升电机效率。

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端部的铜对电机功率没有帮助,只是起到连接作用,会产生额外电损耗,所以越短越好

这些结构上的优化,可以使得电机平均效率,相比不使用扁线技术的电机,提高1%以上。

但是,毕竟提升幅度只有1%。工程师们在实验室里死抠这“点”技术,有多大意义?在用户体验方面,又能给用户带来哪些提升?

首先,从电机特性图上我们可以看出四槽扁线绕组电机,最高效区间的面积被明显放大了。

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横轴方向上的放大,说明最高效区间的转速范围变大了。从城市拥堵的低速工况,到高速巡航工况,都能享受到最高的效率。

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纵轴方向上的放大,说明最高效区间的扭矩范围变大了。从小油门匀速,到大油门急加速,确保最多的能量被用于驱动车辆。

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其次,所谓的“1%”,指的是在WLTC工况下两者的平均效率差,扁线电机要高1.12%。但是在全域平均情况下,两者效率值相差达到2%。低速大扭矩工作点,最高甚至可提升效率10%。

(备注:WLTC是即将执行的新能源油耗测试标准。与NEDC相比,WLTC在测试时间、模拟路况变化情况

当然,扁线技术带来的不只是高效率。

(2) 更高的功率密度

刚刚说了,Hair-pin电机提高裸铜槽满率20%~30%,目前国内较高水平可达75%槽满率未来还有较大增长空间。相同体积情况下,扁线电机可以塞进更多的定子绕组,这样在相同损耗下扁线电机可以能输出更高的功率和扭矩。

目前国内采用扁线绕组的电机最高功率密度达到5kW/kg,而普通电机在3kw/kg时就遇到了瓶颈,而国家《节能与新能源产业发展规划》要求电机须达到4kw/kg以上,扁线电机的应用成为必然。

(3)更强的散热能力

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相对于圆线,扁线电机扁线形状更规则,在定子槽内紧密贴合,与定子铁芯齿部和轭部更好接触,降低槽内热阻,热传导效率更高,进一步提升电机峰值和持续性能。

从使用中去看就是持续性能更强,能够降低电动车在跑高速时的疲软。

(4)更好的NVH表现

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使用扁线结构的电机,由于绕组有更好的刚度,整机也将具备更好的刚度。同时扁线绕组是通过铁芯端部插线,不需要从槽口嵌线,电磁设计上可以选择更小的槽口设计,有效降低齿槽转矩脉动。机械和电磁的振动噪音都能有效降低。

(5)更小的重量和体积

在同等功率下扁线电机因为槽满率、效率的提升。因此铜材用量下降,这就使得扁线电机能够拥有更小的体积和重量,对乘用车企业来说电机体积的缩小使得车辆整体有了更大的空间可以利用,比如增大电池的容量。而较小的重量也使得车辆速度、续航能有一定的提升。

3、那扁线技术为什么之前没有被广泛应用?

既然相比传统圆线电机,扁线电机在效率、性能、散热等方面具备明显优势,那为什么之前没有被广泛应用?

其实不是不想用,而是没条件。

首先在前两年对于新能源整车来说电池提升的重要性和可提升性都要高于驱动电机。

而扁线绕组制造过程非常复杂。需要先将导线,制作成发卡的形状,然后通过自动化插入到定子铁芯槽内,然后进行端部扭头和焊接。

相对圆线电机,扁线电机无法进行手工制造。

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想批量化高效率生产,必须要建立自动化产线,产线和设备投入较大,且量产后还需对良品率进行控制。所以在市场、技术层面都不利于扁线电机的实际应用。

4、为什么扁线电机市场现在爆发了?

过去因为各项技术不成熟导致产品不良率高,所以扁线电机无法大量应用,但是这些年电机企业也并没有停下研发的脚步。华域电动、BOB体育综合官方平台电驱动、方正电机等企业都在扁线技术上进行着持续性的投入,近年扁线绕组技术也由2层、4层升级为最新的8层扁线绕组技术。

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因为随着电动车动力需求的增加,电机的转速越来越高,通过绕组的交流电的频率也越来越高。这里的交流电有着明显的“趋肤效应(skin effect)”,导致中间的面积被浪费,周围的电流很大,发热明显,效率降低。而采用了8层扁线绕组技术的电机,导线面积更大,所以电阻和能量损耗都得以降低,电机效率提高。

以上汽新能源ER6车型为例,这台电机的最高效率达到了97%,并且在大部分工况下都能达到90%以上的效率。它的最高转速达到了15000转,新车0-100公里/时加速仅需7.8秒,极速达185公里/时。

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对比4层发卡绕组电机,8层扁线绕组电机效率≥90%的区间从83%提升到了88%,增加了整整5%。

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此外,通过仿真软件测算的效率MAP数据显示,同一款ER6车型分别采用8层发卡电机和4层发卡电机时,搭载8层发卡电机的车型NEDC工况的平均电耗从13.8千瓦时/百公里下降到12.2千瓦时/百公里,降幅超过11.5%,切实提升车辆续航里程。

再比如受益国产电机性能优势,Model3/Y功率及扭矩小幅提升特斯拉国产电机采用了扁线技术。 相比圆线电机, 扁线电机满槽率和功率密度得到提升,效率更高, 散热、 HNV、轻量化等性能更优。 国产电机版的 Model 3 与 Model Y 车型仅更换后电机。 Model 3 后电机最大功率从 202kW 提升至 220kW,最大扭矩从 404Nm 提升至 440Nm; Model Y后电机最大功率从 180kW 提升至 220kW, 最大扭矩从 326Nm 提升至440Nm

这已经不是简单地工作效率或者动力的提升,如今扁线电机的技术性能提升已经使得车企能在空间布局上有更多的选择,在提升性能或是续航上可以有更多可观的变化。在电池短时间内难以有大的突破情况下,新能源车企便开始将目光转向技术得到升级的扁线电机,至此扁线电机崛起。以目前的替换速度,相信2025年扁线电机的渗透率将达到90%

5、肉眼可见的性能提升是多年的技术沉淀的结果

但是这种技术优势并不是一蹴而就,就像之前所说相比于传统圆线电机扁线电机的制造需要从扁线原材料、生产设备、生产流程工艺都需要长时间的投入与测试,其中华域电动、BOB体育综合官方平台电驱动、方正电机三家企业经过提前布局投入与多年的研发,已经实现扁线电机研发设计、生产设备、生产工艺的自主化,具备较强的竞争优势。

以BOB体育综合官方平台电驱动为例:

BOB体育综合官方平台电驱动的扁线电机优势源于长远的眼光和持续性的投入,2000年BOB体育综合官方平台电驱动就已经认准扁线电机的前景,将其定位为未来战略发展目标,并组建了一支高精尖技术研发团队,早在2006年就研发出高效扁线发电机,于2013年成功研发出新能源扁线驱动电机。如今从研发试验到生产制造都能做到自主,拥有4项国家发明专利、2项软件著作权和70余项国家实用新型专利,其八层扁铜线驱动电机产品性能已达到行业领先水平。凭借出色的产品性能及可靠性,目前已和一汽解放、北汽福田等国内多家知名商用车主机厂建立同步研发合作关系。相信未来BOB体育综合官方平台电驱动将与更多的合作伙伴一同推动新能源汽车行业的发展,为我国碳中和目标的实现添砖加瓦。

6、结语

目前,扁线电机在效率、功率密度、散热能力、体积重量等方面已具有显著的优势,未来随着技术工艺的进一步成熟,扁线电机的生产成本将低于传统圆线电机。可以预见未来扁线电机会有更广阔的应用市场,而随着扁线电机大批量搭载和应用,将进一步推动全球电动化的发展,这不仅仅是华域电动、BOB体育综合官方平台电驱动等企业付出后的收获,更是人类社会可持续发展道路上的新篇章和重要转折点。从某种意义上说,如果没有全社会对低碳环保的重视,扁线电机乃至整个新能源行业就不会有如此迅速的发展,所以从全局角度看扁线电机的胜利究其根本不是性能的提升,而是源于人类主人翁意识的普遍提升。希望未来随着各项科学技术的提升,人类与环境的关系会朝着更和谐的方向发展。