扁线电机结构和优劣势分析

本文摘要（由AI生成）：

本文比较了扁线电机与圆线电机的优劣势。扁线电机在功率密度、转矩密度和效率方面有所提高，同时材料成本降低。然而，扁线电机设计变型困难，铁芯长度不易改变，表面肌肤效应影响大，AC损耗变大，铜线重量可能增加，且设计专利基本被外国公司拥有。在生产制造工艺方面，扁线电机生产成本高，换型困难，质量控制难，生产节拍长，且设备制造专利基本被外国公司拥有。然而，扁线电机适合于大批量生产，乘用车项目，全自动生产设备，人员少。此外，扁线电机多数应用在混动驱动系统，与变速器油冷系统集成在一起，通过油泵或者离心泵驱动ATF机油进入电机轴，磁钢系统，同时直接喷洒在绕组端部进行冷却。

一、扁线电机历史基本概述

扁线电机发展由来已久，几十年了，最初是工业领域大功率电机，大功率发电机组，后来延伸到车辆领域，车辆上很多应用功能采用扁线电机，比如：汽车发电机，起动机，EPS电机，主驱动电机，P2混动电机等等。

• 汽车起动机转子，扁线绕组，电流密度大，过载能力高。

• 汽车发电机定子，日本电装公司，电流密度大，发电效率高，输出电流大，体积小，典型的高功率密度电机。
  

• 汽车BSG电机，大陆公司，异步感应电机，hairpin定子结构设计

• 汽车驱动电机，比如混动P2电机，增程式混动电动机与发电机，纯电驱动电机。

1. P2系统电机，舍弗勒P2电机（下图左）；FEV P2结构（下图右）。

2. 增程式混动电动机与发电机GM Voltec

3. 纯电驱动电机， 保时捷Taycan，四驱双电机。

二、扁线驱动电机结构组成

扁线驱动电机整机结构与圆线电机没有大的区别，基本包括铝壳，前后轴承，定子总成，转子总成，温感器，旋变器，EMC部件，等几大部分。如图：

定子铁芯，扁线导体可以分为I PIN，Hairpin，Wave Winding等几种工艺上的区别。

三、扁线驱动电机定子的类别

1. 分瓣定子铁芯segment结构

比如P2系统定子结构。集中单齿绕组，然后集成安装在一起（右侧图片示意图）。这种结构对于集成装配工艺要求较高，需要保证同轴度，圆度，齿与齿之间的均匀分布，否则，影响转矩脉动，齿槽转矩，振动较大。

2. 分瓣定子铁芯segment结构

绕组连续绕制，Wave Winding，整体成型，segment铁芯分别沿着径向插入绕组中，整形外圆sleeve定心。

优势：提高硅钢片利用率，节省成本；没有焊点，缩短绕组端部高度，降低电机轴向长度，节约铜材。

这种铁芯总成，由于槽口与槽宽等宽，齿槽转矩较大，转矩脉动也偏高，NVH较大，需要电磁多目标优化设计，利用其它措施改进它的劣势。

3. 整圆定子铁芯结构

绕组连续绕制，Wave Winding，边绕制边把绕组径向推入槽里。优势：没有焊点，缩短绕组端部高度，节省生产成本。这种铁芯总成，由于槽口与槽宽等宽，齿槽转矩较大，转矩脉动也偏高，NVH大，需要电磁多目标优化设计，利用其它措施改进它的劣势。

4. I Pin，MIBA制造工艺“见下图”。

2个I PIN等于1个HAIRPIN，双端面焊接，焊点增加一倍，绕组端部长度会高些。涂覆需要增加一倍。但是，槽满率高于Hairpin结构设计。

5. HAIRPIN导体结构

很多公司都可以生产此类设备，都在日本，欧洲。中国也很多设备厂家生产类似设备。这种工艺目前是主流工艺，多数电机厂商都采取这种工艺路线。

四、设计上的优劣势分析

• 优势方面

1. 最大亮点提高槽满率，提高12%左右，这里举例不代表每个公司具体情况，只是强调趋势。

2. 绕组端部高度，降低15%上下，具体见下图。进步把端部导体折成需要的弯曲形状，缩短端部高度（右面图片）

3. 重量下降12%，相对于传统圆线铜线绕组，铁芯有效体积下降比例，轴向缩短15%，外径缩短10%。

4. 绕组温升下降18%，由于导体接触紧密，槽里面空隙降低，有利传导热量，导热系数提高；另外由于电流密度降低，铜损必然降低。

5. NVH降低12%，电机齿槽转矩减低为原来的81%（如下图），另外扁线绕组刚度增强，弹性模量提高，物体模态发生变化，更有利于阻抗共振的发生。

6. 高效率区域面积提高22%，本田I-MMD电机改进型的高效区面积增加，车辆路况试验WLTP续航增加，或者，可以减少蓄电池容量kWH。

这里是圆线定子与扁线定子功率map对比，高效区面积对比。

7. 功率密度提高20%，由于体积缩小了，功率反而加大，自然提高整机的功率密度（如下图所示）。

8.  转矩密度提高9%，有效体积缩小了，转矩反而加大，I-MMD电机转矩提高案例（如上图）。

9.  材料成本降低10%。由于有效体积降低，硅钢片，磁钢，铜线会降低，当然，设计理念不同，铜线也可能增加。

以上对比是相对于水冷圆线电机的定性比较，优势的趋势幅度，电机项目不同，应用领域不同，比如商用车（低速大扭矩）与乘用车（高速低扭矩）对于扭矩与转速要求不同，会有差异，所以，还是应该具体项目具体讨论，才可以量化。

并且，扁线绕组工艺路线不同，比如Hairpin与Wave Winding也会导致对比结果的差异。

• 劣势方面

1. 设计变型比较困难，定子绕组一旦确定，槽内导体匝数不容易改变，绕组节距不易改变。

2. 铁芯长度不易改变，受制于模具限制。模具成本很高。

3. 表面肌肤效应相比圆线影响大，AC损耗变大，导体有效面积利用率下降。GM Bolt,6000rpm以上，AC损耗超过了标准圆线设计的损耗。

5. 铜线重量增加(虽然多数条件下铜量下降，但是，由于设计不同，可能性发生)，由于电流密度可以降低，降低直流铜耗，弥补高速区域的交流损耗的增加量，必然导致用铜提高。

6. 高速区域效率不见得高于圆线，可以通过增加槽内导体数降低AC损耗，或者降低极对数降低交流频率f，克服高速区域损耗的增加的劣势。GM Bolt 由每槽4导体改进为6导体，铜损降低10%。

6. 设计专利基本被外国公司拥有，我们开发时需要查阅专利，申请自己的专利，提高自己的竞争力。

五、生产制造工艺优劣势分析

• 基本的生产工艺流程图，基本包括：

1. 槽绝缘加热成型，插入铁芯，自动设备完成。

2. 发卡成型，集中工艺方式，比如模压成型，弹簧机或者数控CNC设备自动成型。保证漆膜不受损伤。

3. 发卡预装配成绕组，把导体分别插入预压工装，可以自动插入（如图）；国内一般人工放入。保证漆膜不受损伤。

4. 发卡装配进入定子铁芯。保证漆膜不受损伤。

5. 整体压人定子铁心，把编制好的绕组整体压进铁芯总成。

6. 绕组端部扩口，以便于扭头，焊接，工装有空间工作。

7. 绕组扭头，按照波绕组节距，扭转导体端部角度。保证漆膜不受损伤，注意角度控制，铜材反弹干扰。

8. 焊接，TIG焊接，或者激光焊接（如图）；激光焊接成本高，但是，效率高，质量稳定。TIG焊点体积较大，饱满。

9. 电性能检测，相电阻及其平衡；相电感及其平衡；PDIV，高压浪涌测试，耐压测试，耐电阻测试等等。

10. 涂覆，端部涂覆，控制涂覆质量，不脱落，粘附力强，厚度均匀，覆盖住“去漆层”。

11. 滴漆，浸漆饱满，均匀，控制浸漆量kg，量化监控。特别是铁芯中心位置的填充率，标定好工艺参数，这是特殊工序，重点监控。下图示意图

12. 电性能检测，相电阻及其平衡；相电感及其平衡；PDIV，高压浪涌测试，耐压测试，耐电阻测试等等。

• 劣势分析

1. 成本高，一条进口生产线大约1.2亿人民币，国内价格也在2-5千万。

2. 换型困难，单一品种生产

3. 质量控制难，合格率不容易控制

4. 生产节拍长

5. 设备制造专利基本被外国公司拥有，我们开发时需要查阅专利，申请自己的专利，提高自己的竞争力。

• 优势分析

1. 适合于大批量生产，乘用车项目

2. 全自动生产设备，人员少。

六、冷却系统设计特点

1. 扁线电机多数应用在混动驱动系统，集成与变速器，与变速器油冷系统集成在一起，通过油泵或者离心泵驱动ATF机油进入电机轴，磁钢系统，同时直接喷洒在绕组端部，比如：丰田Prius冷却系统。

2. 扁线电机GM 2011 VOLT， 油冷进入轴，然后离心力甩油从转子两侧喷淋到绕组内圈，同时，绕组外圈还有喷油嘴，沿着圆周方向径向滴油。

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