車用發卡繞組永磁同步電機發展現狀

楊晶晶 陳維春 張強

摘 要：隨著新能源汽車電驅系統的發展，對于車用驅動電機的功率密度、效率等性能提出了更高要求。而發卡繞組永磁同步電機因其相比于傳統圓線繞組電機有更高的槽滿率，其在功率、效率、體積等方面均具有優越性，符合新能源汽車領域的發展需求。本文將針對車用發卡繞組永磁同步電機的發展現狀進行綜述性介紹，主要涉及國內外行業現狀、電機特點，并結合其特點進行研究現狀總結。

關鍵詞：永磁同步電機;發卡繞組;槽滿率;新能源汽車

0 前言

車用永磁同步電機經過多年的研究發展，在新能源汽車電驅系統的小型化、集成化、高功率密度等發展需求下，隨著生產工藝技術進步，電機繞組已由圓銅線設計逐漸向發卡繞組設計發展。為進一步提高電機的效率和功率密度，扁線繞組的發卡電機將取代統圓線繞組電機，滿足新能源汽車市場需求。采用發卡繞組，可以增大電機繞組槽滿率，從而提升電機效率和功率密度，但其存在生產工藝較復雜、對銅線要求高等缺點和發展限制。下面將對車用發卡繞組永磁同步電機（下文簡稱為發卡電機）進行綜述介紹。

1 國內外行業現狀

在2010年之前，國外已有公司研發生產的發卡電機投入量產車使用，并申請專利進行保護。早在2007年，雪佛蘭Volt車型上已搭載雷米公司研發生產的發卡電機;日本HITACHI公司研發的發卡電機在2013年被搭載到日產的電動車Leaf;2015年豐田發布了第四代普銳斯車型，其搭載了來自電裝的發卡電機;汽車零部件供應商博格華納，在2015年收購了雷米公司，從而獲得其驅動電機研發技術和生產能力，并與其電驅動減速箱eGearDrive進行匹配整合，成為了電驅動橋eDM模塊;2019年保時捷Taycan上市，其搭載了最大扭矩550Nm、最高轉速超過16000rpm的高性能發卡電機，并搭載了兩檔雙離合器變速器?？傮w看來，發卡電機技術由國外車企率先發起應用，并且在新能源驅動電機市場取得了良好的示范效應。

對于國內發卡電機技術的發展，首先企業需要面對專業壁壘問題，上述海外企業已擁有成熟量產化的發卡電機技術，但核心專利掌握在雷米、電裝等少數幾家企業手中;另外，生產制造環節仍需要依靠部分國外技術支持，電機自動化生產方案的成本在技術自主化成熟前難以控制。在2014年上汽捷能和華域電動負責聯合開展發卡電機相關研究，是國內最早量產發卡電機的企業，并在近兩年于榮威ERX5等上市車型搭載，且表示將在2020年左右發布其第二代搭載發卡電機的電驅動系統。2019年宗申新能源動力公司所研發的發卡電機已通過專家學者評審并隨后展開試產試銷工作。天津松正汽車技術公司在2019年發布了其系列化發卡電機，可應用于商用車、物流車、乘用車等多種車型。同年長城汽車控股的零部件公司蜂巢易創在德國法蘭克福車展展示了自主開發生產的搭載發卡電機的電驅動集成系統。2018年長沙華銳機電公司用于發卡定子生產的設備投入批量生產，該設備可滿足發卡繞組的可靠自動化生產。2018年巨力自動化公司我國第一條發卡電樞的自動化生產線完工投入生產使用，填補了國內空白。

從上可見我國發卡電機行業起步較晚，正處于逐漸成熟的發展階段，需要面對國外企業的專利保護影響，還需經過不斷的技術攻克和追趕。面對與海外企業的激烈競爭局面，電機研發與生產技術相關的企業、高校等，在電機性能、電驅集成、制造工藝等方面仍有較大發展提升空間。

2 發卡電機特點

發卡電機主要結構如圖1所示，發卡電機與傳統永磁同步電機在結構上主要區別為定子組件，其采用發卡（Hair-pin）繞組取代傳統圓線繞組設計電機，如圖2所示，是指在驅動電機定子繞組采用形狀與發卡相似的扁銅線代替傳統的細圓線的一種技術。這樣的繞組結構讓電機在性能表現上有大提升。

發卡電機的優點反映到整車上，其能提供更優越的加速性能、更好的節能效果、并且噪音更小，可提升整車性能。下面分別綜述介紹了發卡電機的優點。

1）功率密度高：由于圓線變成扁銅線，在繞組空間不變的前提下其銅的槽滿率可以提升超過20%，達70%左右，如下圖3所示;另外傳統的圓線電機，為了避免生產過程損傷銅線，繞組端部高度一般留得較長，而發卡電機因為繞組為成型的扁銅線，可以在加工的時候把端部做得更短，端部高度更低，體積減小且可節省銅材。因此相同功率需求下，電機的體積可以更小，用材更少，從而實現輕量化，提高功率密度。

2）效率更高：電機的銅耗約占電機損耗60%以上。繞組槽滿率的提升相當于導線變粗，增加了單匝繞組的截面積，根據導體電阻和橫截面積成反比的關系，導線電阻下降，而電機銅耗與繞組電阻（不考慮渦流損耗情況下）成正比，因此電機在相同設計需求下，銅耗更低，其最高效率可提升1%。

3）溫度性能好：由于定子繞組每匝間空隙更小，繞組扁銅線與鐵芯槽接觸面積變大，且因為導線電阻變小，所以在相同設計需求下，散熱能力更好，發熱量更小，相同設計的發卡電機繞組溫升比圓銅線電機低5-10%。但必須指出，在功率密度要求提高后，電機體積更為緊湊，對電機熱管理系統的性能需求更高。

4）振動噪聲低：發卡繞組在槽內和端部的一致性較圓線更好，且槽口尺寸因為采用發卡繞組可以更小，使得定子具備更好的剛度，且降低了齒槽力矩，可減小振動和抑制噪聲。

盡管發卡電機在性能上擁有如此多有點，但其也存在一些缺點與發展限制。

1）工藝復雜：發卡電機的生產工序較為復雜且精度要求高，無法通過人工制造來實現量產化，因此前期生產線投入較大。發卡定子的自動化制造工藝流程包括插槽紙、制造發卡、穿發卡、端環定型與焊接、焊接處絕緣處理等。目前國內生產設備如上一章所述，仍處于剛起步階段，必須擺脫對國外供應商的依賴，才能降低生產成本，這是大規模普及的前提。

2）趨膚效應大：由于發卡銅線的導線截面積較大，當電流頻率變高，電流的趨膚效應會使地電流集中在導體表面，造成繞組的交流銅耗上升，從而降低效率。

3）銅線要求高：發卡繞組成型需要對帶有絕緣層的扁銅線進行折彎，不像傳統繞組在成型后進行包裹處理，因此在成型過程中絕緣層容易被損壞，這對銅線質量提出了更高的要求。

從長期來看，發卡電機是未來車用驅動電機的發展方向。其具備功率密度高、效率高等優勢的同時，也同樣存在劣勢，比如設計選型與工藝制造難度等。可見專業制造設備、生產工藝等痛點成為了發卡電機產業化的壁壘，這也是其尚未實現大規模應用的原因。針對上述發卡電機的劣勢與發展限制，海內外學者開展了對發卡電機的針對性研究。

3 發卡電機研究現狀

關于發卡電機的研究主要針對上一章所述三個主要缺點和發展限制問題展開。研究內容主要圍繞著下列幾點：

1）損耗特性研究。發卡電機由于采用扁銅線，在大電流工況會受趨膚效應影響，引起銅耗上升。為了探究趨膚效應對發卡電機總能耗的影響，研究用駕駛模擬的方法進行電機試驗評估電機在驅動工況中能量需求，并量化了發卡繞組由于趨膚效應而耗散的額外能量來進行損耗特性研究。有學者研究損耗特性優化繞組結構或提出改進設計，可通過計算扁線幾何尺寸和發卡間連線（串并聯）方式相關的附加損耗，結合電磁耦合仿真軟件分析，提出的選型方案降低電機損耗。另外，研究中設計自動選型分析軟件，分析不同的極數和槽數組合生成的繞組配置，考慮各個配置的損耗特性和連接方式優缺點，對繞組配置進行選型，提高電機效率。

2）絕緣性能分析。發卡繞組采用漆包銅線，繞組在生產過程中需要經過成型、插線、扭頭、焊接等復雜工藝，因此有必要對漆包銅線的絕緣性能展開研究，分析和提高其絕緣性能。研究提出了結合新型發卡繞組特點的瞬態電壓模型，可用于分析優化繞組絕緣層設計;文獻量化繞組漆包線的局部放電行為，分析絕緣層的絕緣性能;另外為分析繞組生命周期內絕緣性能，學者考慮繞組所受的機械應力和熱應力，進行老化測試來評估發卡繞組的絕緣性能。

3）加工工藝研究。雖然發卡繞組生產工藝復雜，但經過工藝流程優化，當產量達到一定規模時，每個定子繞組的生產成本下相比于傳統的圓線繞組更低，表明發卡繞組更適合用于規模化生產。繞組中的每一個扁銅線經過折彎等成型工序后，安裝到定子上焊接組成繞組，因此銅線成型和焊接工藝的質量和生產效率備受關注。為快速檢測發卡銅線成型后的表面缺陷和大量焊接點的焊接質量，可以結合機器視覺和機器學習的缺陷識別方法，提高檢測效率和降低檢測成本。另外，有研究提出如何應用激光焊接工藝來提高發卡繞組生產效率和焊接質量。

4）熱管理方案研究。發卡電機具有高功率密度特點，同樣功率需求的電機體積更小，這意味著對電機的熱管理系統要求更高。除了傳統風冷和水道式液冷方案的優化，學者根據發卡電機的特點提出了新型的冷卻方式方案。研究針對發卡電機端部一致性高的和發熱量大的特點，進行繞組端部的噴油冷卻試驗，對不同噴油量、噴油角度等因素的冷卻效果，給出了實際工程應用的建議;有學者探究選用空心扁線直接內部冷卻方式，結果表明盡管冷卻性能優異但空心扁線繞組在高頻工況時會有更高的電機損耗，且導線材料因內部施加冷卻所受張力更高，影響耐久性。

綜上，關于車用發卡繞組電機研究相關論文均集中在近5-8年，研究內容可以歸納為研究損耗特點優化繞組設計參數、分析與提升繞組絕緣層的絕緣性能、提高繞組生產的效率和工藝質量以及結合繞組特點提出新型熱管理方案研究。

4 總結

車用發卡電機已率先由國外企業發起應用，已有成熟供應商，早在5到10年前已在豐田、通用等品牌的多款車型搭載。而目前國內車用發卡電機市場仍在起步階段，除了上汽集團已搭載應用外，其他車企尚未進行大規模搭載，其工藝、材料等配套供應仍在發展階段。技術層面，發卡電機具有高效、高功率密度的特點，但國內相關研發和制造產業尚未成熟，面臨著設計、量產等方面的挑戰，由此帶來前期投入成本較大的問題，但不可否認的是車用發卡電機行業極具發展潛力，在市場滲透率提高后，發卡電機將能降低整車成本并提升車輛動力性和經濟性，從而提高新能源汽車的市場競爭力。

參考文獻：

[1]霍從崇.扁線電機的發展和市場應用[J].智能網聯汽車，no.01，p.69，2019.

[2]李秀超.銅扁線表面缺陷識別的設計與實現[D].碩士，大連交通大學，2013.

基金項目：昆明理工大學人才培養項目（KKSY201765024）

作者簡介：楊晶晶（1988-），男，湖北鐘祥人，博士，講師，碩士生導師，主要從事機電一體化方面的研究工作。