車用發(fā)卡繞組永磁同步電機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

楊晶晶 陳維春 張強(qiáng)

摘 要：隨著新能源汽車電驅(qū)系統(tǒng)的發(fā)展，對于車用驅(qū)動電機(jī)的功率密度、效率等性能提出了更高要求。而發(fā)卡繞組永磁同步電機(jī)因其相比于傳統(tǒng)圓線繞組電機(jī)有更高的槽滿率，其在功率、效率、體積等方面均具有優(yōu)越性，符合新能源汽車領(lǐng)域的發(fā)展需求。本文將針對車用發(fā)卡繞組永磁同步電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行綜述性介紹，主要涉及國內(nèi)外行業(yè)現(xiàn)狀、電機(jī)特點(diǎn)，并結(jié)合其特點(diǎn)進(jìn)行研究現(xiàn)狀總結(jié)。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī);發(fā)卡繞組;槽滿率;新能源汽車

0 前言

車用永磁同步電機(jī)經(jīng)過多年的研究發(fā)展，在新能源汽車電驅(qū)系統(tǒng)的小型化、集成化、高功率密度等發(fā)展需求下，隨著生產(chǎn)工藝技術(shù)進(jìn)步，電機(jī)繞組已由圓銅線設(shè)計(jì)逐漸向發(fā)卡繞組設(shè)計(jì)發(fā)展。為進(jìn)一步提高電機(jī)的效率和功率密度，扁線繞組的發(fā)卡電機(jī)將取代統(tǒng)圓線繞組電機(jī)，滿足新能源汽車市場需求。采用發(fā)卡繞組，可以增大電機(jī)繞組槽滿率，從而提升電機(jī)效率和功率密度，但其存在生產(chǎn)工藝較復(fù)雜、對銅線要求高等缺點(diǎn)和發(fā)展限制。下面將對車用發(fā)卡繞組永磁同步電機(jī)（下文簡稱為發(fā)卡電機(jī)）進(jìn)行綜述介紹。

1 國內(nèi)外行業(yè)現(xiàn)狀

在2010年之前，國外已有公司研發(fā)生產(chǎn)的發(fā)卡電機(jī)投入量產(chǎn)車使用，并申請專利進(jìn)行保護(hù)。早在2007年，雪佛蘭Volt車型上已搭載雷米公司研發(fā)生產(chǎn)的發(fā)卡電機(jī);日本HITACHI公司研發(fā)的發(fā)卡電機(jī)在2013年被搭載到日產(chǎn)的電動車Leaf;2015年豐田發(fā)布了第四代普銳斯車型，其搭載了來自電裝的發(fā)卡電機(jī);汽車零部件供應(yīng)商博格華納，在2015年收購了雷米公司，從而獲得其驅(qū)動電機(jī)研發(fā)技術(shù)和生產(chǎn)能力，并與其電驅(qū)動減速箱eGearDrive進(jìn)行匹配整合，成為了電驅(qū)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(zhuǎn)速超過16000rpm的高性能發(fā)卡電機(jī)，并搭載了兩檔雙離合器變速器。總體看來，發(fā)卡電機(jī)技術(shù)由國外車企率先發(fā)起應(yīng)用，并且在新能源驅(qū)動電機(jī)市場取得了良好的示范效應(yīng)。

對于國內(nèi)發(fā)卡電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，首先企業(yè)需要面對專業(yè)壁壘問題，上述海外企業(yè)已擁有成熟量產(chǎn)化的發(fā)卡電機(jī)技術(shù)，但核心專利掌握在雷米、電裝等少數(shù)幾家企業(yè)手中;另外，生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)仍需要依靠部分國外技術(shù)支持，電機(jī)自動化生產(chǎn)方案的成本在技術(shù)自主化成熟前難以控制。在2014年上汽捷能和華域電動負(fù)責(zé)聯(lián)合開展發(fā)卡電機(jī)相關(guān)研究，是國內(nèi)最早量產(chǎn)發(fā)卡電機(jī)的企業(yè)，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(fā)布其第二代搭載發(fā)卡電機(jī)的電驅(qū)動系統(tǒng)。2019年宗申新能源動力公司所研發(fā)的發(fā)卡電機(jī)已通過專家學(xué)者評審并隨后展開試產(chǎn)試銷工作。天津松正汽車技術(shù)公司在2019年發(fā)布了其系列化發(fā)卡電機(jī)，可應(yīng)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(chuàng)在德國法蘭克福車展展示了自主開發(fā)生產(chǎn)的搭載發(fā)卡電機(jī)的電驅(qū)動集成系統(tǒng)。2018年長沙華銳機(jī)電公司用于發(fā)卡定子生產(chǎn)的設(shè)備投入批量生產(chǎn)，該設(shè)備可滿足發(fā)卡繞組的可靠自動化生產(chǎn)。2018年巨力自動化公司我國第一條發(fā)卡電樞的自動化生產(chǎn)線完工投入生產(chǎn)使用，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。

從上可見我國發(fā)卡電機(jī)行業(yè)起步較晚，正處于逐漸成熟的發(fā)展階段，需要面對國外企業(yè)的專利保護(hù)影響，還需經(jīng)過不斷的技術(shù)攻克和追趕。面對與海外企業(yè)的激烈競爭局面，電機(jī)研發(fā)與生產(chǎn)技術(shù)相關(guān)的企業(yè)、高校等，在電機(jī)性能、電驅(qū)集成、制造工藝等方面仍有較大發(fā)展提升空間。

2 發(fā)卡電機(jī)特點(diǎn)

發(fā)卡電機(jī)主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，發(fā)卡電機(jī)與傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)在結(jié)構(gòu)上主要區(qū)別為定子組件，其采用發(fā)卡（Hair-pin）繞組取代傳統(tǒng)圓線繞組設(shè)計(jì)電機(jī)，如圖2所示，是指在驅(qū)動電機(jī)定子繞組采用形狀與發(fā)卡相似的扁銅線代替?zhèn)鹘y(tǒng)的細(xì)圓線的一種技術(shù)。這樣的繞組結(jié)構(gòu)讓電機(jī)在性能表現(xiàn)上有大提升。

發(fā)卡電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)反映到整車上，其能提供更優(yōu)越的加速性能、更好的節(jié)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(fā)卡電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。

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(dá)70%左右，如下圖3所示;另外傳統(tǒng)的圓線電機(jī)，為了避免生產(chǎn)過程損傷銅線，繞組端部高度一般留得較長，而發(fā)卡電機(jī)因?yàn)槔@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(jié)省銅材。因此相同功率需求下，電機(jī)的體積可以更小，用材更少，從而實(shí)現(xiàn)輕量化，提高功率密度。

2）效率更高：電機(jī)的銅耗約占電機(jī)損耗60%以上。繞組槽滿率的提升相當(dāng)于導(dǎo)線變粗，增加了單匝繞組的截面積，根據(jù)導(dǎo)體電阻和橫截面積成反比的關(guān)系，導(dǎo)線電阻下降，而電機(jī)銅耗與繞組電阻（不考慮渦流損耗情況下）成正比，因此電機(jī)在相同設(shè)計(jì)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?yàn)閷?dǎo)線電阻變小，所以在相同設(shè)計(jì)需求下，散熱能力更好，發(fā)熱量更小，相同設(shè)計(jì)的發(fā)卡電機(jī)繞組溫升比圓銅線電機(jī)低5-10%。但必須指出，在功率密度要求提高后，電機(jī)體積更為緊湊，對電機(jī)熱管理系統(tǒng)的性能需求更高。

4）振動噪聲低：發(fā)卡繞組在槽內(nèi)和端部的一致性較圓線更好，且槽口尺寸因?yàn)椴捎冒l(fā)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(fā)卡電機(jī)在性能上擁有如此多有點(diǎn)，但其也存在一些缺點(diǎn)與發(fā)展限制。

1）工藝復(fù)雜：發(fā)卡電機(jī)的生產(chǎn)工序較為復(fù)雜且精度要求高，無法通過人工制造來實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)化，因此前期生產(chǎn)線投入較大。發(fā)卡定子的自動化制造工藝流程包括插槽紙、制造發(fā)卡、穿發(fā)卡、端環(huán)定型與焊接、焊接處絕緣處理等。目前國內(nèi)生產(chǎn)設(shè)備如上一章所述，仍處于剛起步階段，必須擺脫對國外供應(yīng)商的依賴，才能降低生產(chǎn)成本，這是大規(guī)模普及的前提。

2）趨膚效應(yīng)大：由于發(fā)卡銅線的導(dǎo)線截面積較大，當(dāng)電流頻率變高，電流的趨膚效應(yīng)會使地電流集中在導(dǎo)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(fā)卡繞組成型需要對帶有絕緣層的扁銅線進(jìn)行折彎，不像傳統(tǒng)繞組在成型后進(jìn)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(zhì)量提出了更高的要求。

從長期來看，發(fā)卡電機(jī)是未來車用驅(qū)動電機(jī)的發(fā)展方向。其具備功率密度高、效率高等優(yōu)勢的同時，也同樣存在劣勢，比如設(shè)計(jì)選型與工藝制造難度等。可見專業(yè)制造設(shè)備、生產(chǎn)工藝等痛點(diǎn)成為了發(fā)卡電機(jī)產(chǎn)業(yè)化的壁壘，這也是其尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的原因。針對上述發(fā)卡電機(jī)的劣勢與發(fā)展限制，海內(nèi)外學(xué)者開展了對發(fā)卡電機(jī)的針對性研究。

3 發(fā)卡電機(jī)研究現(xiàn)狀

關(guān)于發(fā)卡電機(jī)的研究主要針對上一章所述三個主要缺點(diǎn)和發(fā)展限制問題展開。研究內(nèi)容主要圍繞著下列幾點(diǎn)：

1）損耗特性研究。發(fā)卡電機(jī)由于采用扁銅線，在大電流工況會受趨膚效應(yīng)影響，引起銅耗上升。為了探究趨膚效應(yīng)對發(fā)卡電機(jī)總能耗的影響，研究用駕駛模擬的方法進(jìn)行電機(jī)試驗(yàn)評估電機(jī)在驅(qū)動工況中能量需求，并量化了發(fā)卡繞組由于趨膚效應(yīng)而耗散的額外能量來進(jìn)行損耗特性研究。有學(xué)者研究損耗特性優(yōu)化繞組結(jié)構(gòu)或提出改進(jìn)設(shè)計(jì)，可通過計(jì)算扁線幾何尺寸和發(fā)卡間連線（串并聯(lián)）方式相關(guān)的附加損耗，結(jié)合電磁耦合仿真軟件分析，提出的選型方案降低電機(jī)損耗。另外，研究中設(shè)計(jì)自動選型分析軟件，分析不同的極數(shù)和槽數(shù)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(yōu)缺點(diǎn)，對繞組配置進(jìn)行選型，提高電機(jī)效率。

2）絕緣性能分析。發(fā)卡繞組采用漆包銅線，繞組在生產(chǎn)過程中需要經(jīng)過成型、插線、扭頭、焊接等復(fù)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(jié)合新型發(fā)卡繞組特點(diǎn)的瞬態(tài)電壓模型，可用于分析優(yōu)化繞組絕緣層設(shè)計(jì);文獻(xiàn)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(nèi)絕緣性能，學(xué)者考慮繞組所受的機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力，進(jìn)行老化測試來評估發(fā)卡繞組的絕緣性能。

3）加工工藝研究。雖然發(fā)卡繞組生產(chǎn)工藝復(fù)雜，但經(jīng)過工藝流程優(yōu)化，當(dāng)產(chǎn)量達(dá)到一定規(guī)模時，每個定子繞組的生產(chǎn)成本下相比于傳統(tǒng)的圓線繞組更低，表明發(fā)卡繞組更適合用于規(guī)模化生產(chǎn)。繞組中的每一個扁銅線經(jīng)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(zhì)量和生產(chǎn)效率備受關(guān)注。為快速檢測發(fā)卡銅線成型后的表面缺陷和大量焊接點(diǎn)的焊接質(zhì)量，可以結(jié)合機(jī)器視覺和機(jī)器學(xué)習(xí)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(yīng)用激光焊接工藝來提高發(fā)卡繞組生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量。

4）熱管理方案研究。發(fā)卡電機(jī)具有高功率密度特點(diǎn)，同樣功率需求的電機(jī)體積更小，這意味著對電機(jī)的熱管理系統(tǒng)要求更高。除了傳統(tǒng)風(fēng)冷和水道式液冷方案的優(yōu)化，學(xué)者根據(jù)發(fā)卡電機(jī)的特點(diǎn)提出了新型的冷卻方式方案。研究針對發(fā)卡電機(jī)端部一致性高的和發(fā)熱量大的特點(diǎn)，進(jìn)行繞組端部的噴油冷卻試驗(yàn)，對不同噴油量、噴油角度等因素的冷卻效果，給出了實(shí)際工程應(yīng)用的建議;有學(xué)者探究選用空心扁線直接內(nèi)部冷卻方式，結(jié)果表明盡管冷卻性能優(yōu)異但空心扁線繞組在高頻工況時會有更高的電機(jī)損耗，且導(dǎo)線材料因內(nèi)部施加冷卻所受張力更高，影響耐久性。

綜上，關(guān)于車用發(fā)卡繞組電機(jī)研究相關(guān)論文均集中在近5-8年，研究內(nèi)容可以歸納為研究損耗特點(diǎn)優(yōu)化繞組設(shè)計(jì)參數(shù)、分析與提升繞組絕緣層的絕緣性能、提高繞組生產(chǎn)的效率和工藝質(zhì)量以及結(jié)合繞組特點(diǎn)提出新型熱管理方案研究。

4 總結(jié)

車用發(fā)卡電機(jī)已率先由國外企業(yè)發(fā)起應(yīng)用，已有成熟供應(yīng)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(nèi)車用發(fā)卡電機(jī)市場仍在起步階段，除了上汽集團(tuán)已搭載應(yīng)用外，其他車企尚未進(jìn)行大規(guī)模搭載，其工藝、材料等配套供應(yīng)仍在發(fā)展階段。技術(shù)層面，發(fā)卡電機(jī)具有高效、高功率密度的特點(diǎn)，但國內(nèi)相關(guān)研發(fā)和制造產(chǎn)業(yè)尚未成熟，面臨著設(shè)計(jì)、量產(chǎn)等方面的挑戰(zhàn)，由此帶來前期投入成本較大的問題，但不可否認(rèn)的是車用發(fā)卡電機(jī)行業(yè)極具發(fā)展?jié)摿Γ谑袌鰸B透率提高后，發(fā)卡電機(jī)將能降低整車成本并提升車輛動力性和經(jīng)濟(jì)性，從而提高新能源汽車的市場競爭力。

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基金項(xiàng)目：昆明理工大學(xué)人才培養(yǎng)項(xiàng)目（KKSY201765024）

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