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【扁線專欄】扁線電機的優(yōu)點那么多,這些缺點大家都知道嗎?

發(fā)布時間:2023年7月6日 | 文章來源:旺材電機與電控 | 瀏覽次數(shù):2,621 | 訪問原文

專欄
扁線專欄
扁線電機與圓線電機的區(qū)別在于銅線的成形方式,扁線有利于電機槽滿率的提升,一般圓線電機的槽滿率為40%左右,而扁線電機的槽滿率能達到60%以上。槽滿率的提升意味著在空間不變的前提下,可以填充更多的銅線,產生更強的磁場強度,提升功率密度。基于目前扁線的發(fā)展趨勢,旺材電機與電控特為粉絲開設扁線專欄以便大家交流。
扁線擁有許多傳統(tǒng)繞組不可比擬的優(yōu)點,但同時扁線電機也有部分劣勢,但總體而言瑕不掩瑜。隨著技術的發(fā)展和滲透率的逐漸提升,扁線電機應用的障礙正在被逐個化解。
應用障礙一
“趨膚效應”、“鄰近效應”明顯,交流阻抗增大,高轉速時轉換效率降低。趨膚效應指當導體中有交流電或者交變電磁場時,導體內部的電流分布不均勻,且電流集中在導體的“皮膚”部分的一種現(xiàn)象。鄰近效應指相互靠近的導體,通有交變電流時,每一根導體都處于自身電流產生的磁場中,同時還處于其他導體中電流產生的磁場中,這使得每個導體中電流分布都會受到鄰近導體影響而不均勻現(xiàn)象?!摆吥w效應”、“鄰近效應”都會增加交流阻抗,交流阻抗增大,高轉速時轉換效率降低。
上圖左:趨膚效應上圖右:鄰近效應“趨膚效應”并不影響扁線電機滲透率的快速提升,但工程師也已經有改善方案:

  • 提高扁線的寬高比,間接增加扁線的比表面積;
  • 減小導線尺寸,間接增加扁線的比表面積,但這同時也會降低槽滿率,需要綜合評估;
  • 采用多檔變速箱,降低電機轉速,代表車型為保時捷Taycan;
  • 3D打印銅線,導體尺寸和橫截面可以任意變化,給了繞組設計極大的自由空間,該方案導致導體內的電分離結構,所述電分離結構用于限制渦流路徑,因此電流密度被“強制”到剩余的導體橫截面上,此外借助于3D打印可以實現(xiàn)任意連接的幾何形狀,不需要傳統(tǒng)的繞組接頭焊接工藝,該方案短期內無法實現(xiàn)量產。
上圖左:3D打印銅線示意圖上圖右:3D打印銅線樣件
應用障礙二
非標準化;不同車企的設計方案不一樣,而定子是電機設計的核心,定子尺寸定型后,導線的線型、尺寸任意一點發(fā)生改變,都需要定制昂貴的工裝模具,兼容性低,系列化難度高。同一車企或電機企業(yè)的設計系列化趨勢初現(xiàn),以上汽E2架構為例,在設計之初就考慮了共線生產,三款不同功率的電機(150kw,180kw,250kw)適用于該架構上的所有車型,最大程度上實現(xiàn)模塊化。第三方電機的壯大也會改善系列化難度,扁線電機的技術門檻和初始投資門檻遠高于傳統(tǒng)圓線電機,技術基礎較弱的車企只能廣泛依賴于第三方電機廠商,第三方電機廠商的電機型號有限,也會成為市場上的主流產品。
上圖:保時捷Taycan電機細節(jié)圖
應用障礙三
扁線電機生產線投資額是圓線的2-5倍。扁線電機對產品的一致性要求高,技術難度大,需要投入精度較高的自動化伺服設備、焊接設備、Hair-Pin線成形設備和工裝模具等。汽車電動化和電機扁線化的趨勢已經確定,扁線電機逐漸成為資本寵兒。方正電機的年產100萬臺新能源汽車驅動電機項目,總投資5億元人民幣,項目達產后可新增銷售收入25億。
上圖:電驅生產線示意圖
應用障礙4
對扁線要求高,扁線成本高、技術難度大。扁線的加工難度增大。

  • 從圓形切換到矩形形狀,導致銅線生產加工工藝更加復雜;
  • 涂覆難度增大,扁平線R角處的漆膜涂覆非常困難,很難保證此處絕緣層的均勻性;絕緣涂層在烘干后會產生收縮,扁線是非均勻收縮,容易變形,需要改良使得R角處的涂覆厚度更厚;
  • 扁線彎折成發(fā)卡后,R角處應力集中,容易導致涂覆層破損;
  • 對扁線的精度要求高,扁線截面積大、匝數(shù)少,單根導線不一致對整體性能的影響顯著增大,對扁線的一致性要求高,復雜的加工成本使得扁線成本更高,也使得扁線加工企業(yè)享受更高的技術溢價;
  • 新能源汽車所使用的漆包線直接關系到整車運行穩(wěn)定性,對電磁線廠家的質量控制流程、研發(fā)與工藝設計能力提出了很高的要求,需要對拉絲和包漆速度、拉絲與包漆的協(xié)調、拉絲模具配置、張力控制、涂漆模具配置、烘焙溫度、絕緣漆粘度、工作環(huán)境等多個控制點的合理設計、嚴格控制。

扁線的最大成本是原材料無氧銅桿,加工費在電機中的價值量并不高。穩(wěn)定地供給合格的產品是與車企合作的關鍵,在原材料是主要成本的情況下,車企尋求加工費更低的供應商的動力并不高。