发展扁线电机正当时
扁线电机的定义
电驱动系统作为新能源汽车的核心零部件之一，对新能源汽车的性能有着重要影响，对于新能源汽车的动力性、经济性、舒适性、安全性、可靠性、耐久性有着重要意义。而提高电驱动的技术水平和质量，需要从驱动能力、驱动效率、控制精度、系统稳定、电磁性能、工作寿命等关键技术入手。此外，从产业化的需求来讲，低成本、小型化、智能化是核心中的核心。电动汽车电驱动系统主要由四大部分组成：驱动电机、变速器、功率变换器和控制器。驱动电机是电气驱动系统的核心，其性能和效率直接影响电动汽车的性能。驱动电机和变速器的尺寸、重量也会影响到汽车的整体效率。功率变换器和控制器则对电动汽车的安全可靠运行有很大关系。二级市场对传统的新能源驱动电机的认知已经非常清楚，比如电机的构成包括定子、转子、端盖、轴承、接线盒、接线端子等，而扁线电机市场之前了解的非常少，公开资料查到的信息也非常有限。经过对产业的长期跟踪，和多位产业专家的研讨，我们发现新能源扁线电机的趋势已经非常确定，反而市场对此认知极其有限，在此，我们期望通过本篇行业深度报告为大家做一次比较详细的描述。首先是扁线电机的定义，特指的是定子绕组所用的导线形态发生变化，从多根细的圆线转变成几根粗的矩形导线，俗称扁线。
图1 Bolt扁线电机透视图
图2 宝马iX3定子
图3 蜂巢易创扁线定转子示意图
图4 电机部件
扁线电机优缺点都很多，优点简单说即体积小、材料省、效率高、导热强、温升低、噪音小。具体如下：优势 1 ：相同功率，体积更小 ， 用材更少， 成本更低 ，或者相同体积， 槽满率提升 ，功率密度提升。圆线变成扁线，从理论上来说，在空间不变的前提下，填充的铜可以增加 20-30%。这意味着，在整个电机的空间不变的情况下，可以增加 20-30%左右的铜，从某种程度上等同于增加 20-30%的功率。反过来，在功率相同的情况下，可以减小电机外径和体积，进而减少电机其他材料的用量。比如，有人做过研究，发现永磁电机损耗由绕组铜耗、铁耗、风磨杂散、磁钢涡流损耗组成，其中绕组铜耗占比 50%以上，铜耗大小又和绕组电阻成正比 P=I^2*R（或者Q=I^2*R*t，其中 P 代表导线发热功率，I 代表电流，R 代表绕组电阻，t 为通电时间），减小绕组电阻能直接降低铜耗、提升电机效率和功率密度。根据导线电阻 R=ρ*l/S（ρ为绕组电阻率，l 为长度，S 为横截面积）可以看出，电阻率、长度一定的情况下，只能提升绕组横截面积来降低电阻，即想办法提升槽满率。优势 2 ：温度性能更好。内部空隙变少，扁线与扁线之间的接触面积大，散热和热传导更好；绕组和铁心槽之间接触更好，热传导更好；而电机对散热和温度是非常敏感的，散热性变好，性能会提升。有人通过温度场仿真，得出相同设计的扁铜线电机绕组温升比圆铜线电机低 10%。除了散热性能变好，包括与温度相关的其他一些性能都能得到改善。优势 3 ：电磁噪音更低。使电枢具备更好的刚度，对电枢噪音具有抑制作用；可以取相对较小的槽口尺寸，有效降低齿槽力矩，进一步降低电机电磁噪音。优势 4 ：端部短，节省铜材，提升效率。如果是圆线电机，将一捆细圆线直接填到槽里，槽中的线对电机做功是有贡献的，而在槽外的线即端部，对电机的出力是没有贡献的，但它又是必不可少。如果没有这段线，它是不可能把槽与槽之间的线连在一起。传统的圆线电机，由于工艺问题，它的端部一般留得比较长，否则很容易在工艺过程中损伤铜线。对扁线电机来说，因为线都是硬线，可以在加工的时候把端部做得小一点，节省铜材，还可以提高效率等。
图5 圆线和扁线绕组截面对比
和圆线电机相比，扁线电机也有它的缺点，简单的概括为 设计难、工艺难、设备难、扁线难、有损耗。具体如下：缺点 1 ：集肤效应导致损耗增加。圆线电机可以用细线，线比较多，而扁线比较粗，会产生一种集肤效应，该效应会使扁线电机的损耗有所增加，但影响有限。具体的影响表现为频率越高，扁铜线绕组的交流铜耗会越高。同时该效应还和电磁设计有关，比如槽内磁密幅值、槽口高度等，也和扁铜线的尺寸有关。
缺点 2 ：铜线要求高。粗的铜材料具有一定的弹性，弯折后会有一定程度的反弹，这个需要设计师提前设计好，这非常考验设计师水平。正是因为弯折和反弹等因素，绝缘层容易损坏而产生缺口。于是对铜线的质量提出了更高的要求。并且扁线中的发卡电机对铜线的要求更高，传统扁铜线电机在绕组成型后可以进行包裹绝缘处理，但是发卡电机不行。据报道，日立金属专门为普锐斯电机专门开发了铜线。缺点 3：设备要求高。扁线由于工序复杂、精度要求高，通过人工制造基本不可能实现大规模量产，必须依赖专业的高端设备，这是大规模普及的前提，也是制约其国产化的一个重要原因。从厂家看，目前国内暂时还没有合格的设备供应商。国外有日本、意大利、德国的供应商，价格高昂是一方面因素，同时像日本产线也很难引入到国内。缺点 4 ：系列化设计难，对设计师要求高 。扁线电机最主要的缺点是很难做到非常密的系列化设计，即柔性不够，所以非常考验电机设计师的功力。从设计电机的角度来说，一般会设计一套方案，扩展出一系列的不同设计。如果只需要 100KW 电机，但在设计时，需要设计 80-120KW 这个区间内一系列的电机，一是为了满足潜在的需求，二是为了拉开与其他企业在设计上的差异。对于圆线电机，铁芯和槽数相同，只是长度和线圈的匝数不同，可以比较容易设计出一个系列。但是扁线电机很难达到这个效果。因为扁线电机的匝数都比较少，减少一根或两根线会对整个电机的性能带来较大的影响。所以， 扁线做系列化设计是比较困难 ，但是 ，并不是无法实现 ， 这对设计师又是重大考验。对以上提到的缺点，换个角度去看，我们认为原材料、工艺、设备上的难点， 正是扁线电机的壁垒所在。而且原材料和工艺已经有海外企业能解决，说明可行性没有问题，核心问题在国内电机企业或整车企业怎样在国产方向上实现突破。
图6 发卡式扁线电机的制造工艺过程
“ 扁线” 技术是必然选择？其中 一个关键原因， 是政策规定驱动电机的功率密度必须实现大幅提升。从政策上看，“十三五规划”提出新能源汽车驱动电机的峰值功率密度要达到 4kw/kg，而且是产品级，从整个行业看，国内目前产品级在 3.2-3.3kW/kg，所以还有 30%的提升空间。经过对企业的调研以及和专家的沟通，一致认为要实现功率密度的提升， 必须采用“ 扁线电机” 技术即产业界已经就“ 扁线电机” 趋势形成共识，根本原因还是在于扁线技术潜力巨大。所以扁线已经是一个绕不开的技术路线，确定性极强。那既然是必然选择，为什么新能源车驱动电机上还没有大范围推广？这就需要回到新能源扁线驱动电机的发展历程。首先，需要说明的是国外知名车企已经在驱动电机上使用扁线。2007 年，雪佛兰 BOLT 采用的技术是 Hair-Pin（发卡式扁线电机），供应商雷米（2015年已被零部件巨头博格华纳收购）。2013 年，尼桑在电动车上采用过扁线电机，供应商 HITACHI。2015 年，丰田发行第四代普锐斯采用的是的扁线电机，供应商日本电装。2020年6月份上市的保时捷Taycan采用的扁线电机。
图7 保时捷Taycan电机剖面图
图8 保时捷Taycan后驱电机结构图
2020年10月份上市的宝马iX3的第五代电驱采用的是扁线电机。
图9 宝马iX3电机总成图
图10 宝马发卡定子装配图
2020年大众在国内上市的ID.4后驱应用的扁线电机。
图11 ID.4后驱三合一动力总成
图12 ID.4 扁线定子示意图
以上是扁线电机在全球车型应用的不完全统计。从全球最新销量看，2017 年上半年，普锐斯插混销售表现不俗，接近 2.69 万量，全球第一。2020年国内暂时只有联合电子、华域电动有一定出货量。从舍弗勒中国刚刚发布的产品预告来看，所有的SOP动力总成，无一例外的选用了发卡扁线的技术路线。而从扁线驱动电机产线供应商看，目前全球能做出优质产线的企业集中在日本、意大利、德国三个发达国家，供应商数量非常有限。国内目前暂时没有实力与国外相匹敌的产线供应商。
图13 舍弗勒扁线定转子总成示意图
现在全球的整车厂、电机厂都在进行新能源扁线驱动电机的研究。但是目前，在扁线电机的设计及制造，国内有实质性动作的寥寥无几，相对领先是华域电动，有一定的产能但是产能暂时不大。同时国内方正电机正在加速布局，9 月定增预案已经提出要做年产 20 万台的高功率密度驱动电机，即公告里提出的扁线驱动电机。国内除了华域已经在做，方正明确要做外。天津松正、艺达电机、蜂巢易创等公司也积累了丰富的扁线电机制造经验，样机的技术水平已不输国际厂家。经过和专家的交流，我们发现扁线还没大规模产业化的根本在“风险”，主要来自以下方面：第一， 工艺变化大， 缺少成功经验。圆线，相对来说比较成熟，有传统工业电机的经验可以借用。扁线，它的整个工艺和圆线有比较大的不同。比如说，圆线一般是先绕好线，然后把线装到槽里，而扁线一般需要先把线做成一定的形状，然后把线插到铁芯里，然后还要经过扭头、焊接、绝缘处理等。这些工艺和以前的工艺有很大的不同。第二， 专利限制。圆线电机是一种很古老的产品，几十年以来基本做法没变。而扁线相对来说是比较新的产品，从有这个构想到目前为止也才十几年的时间。国际车企和电机企业走得比较靠前，他们有一些专利对我们构成了限制。第三， 设备限制。做圆线电机，可以买到很多进口设备，但是国产设备价钱也很便宜，而且性能也不差。但是，做扁线电机，国内的设备供应商并不成熟，而进口产线的价格贵，同时进口设备在供应的反应速度上相对较慢。比如，订一套国内的电机产线半年或是八个月就能到货。订一条进口的产线谈判可能需要半年，到货还要一年。在趋势确定的情况 下，谁优先开发并量产扁线驱动电机，谁就能提前锁定整车客户，享受到扁线市场爆发的红利，并借此优化自身开发实力、实现规模化低成本量产。全文完~
