為什么要電機(jī)扁線化 電機(jī)扁線的優(yōu)劣勢(shì)分析

作為保時(shí)捷品牌首款純電動(dòng)跑車，Taycan也具備了多方面的創(chuàng)新性技術(shù)，其所搭載的“扁線電機(jī)”（Hair-Pin發(fā)卡電機(jī)）不僅發(fā)揮了出色的驅(qū)動(dòng)性能，更是一項(xiàng)將領(lǐng)銜下一代新能源汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)。在剛剛落幕的法蘭克福車展上，長(zhǎng)城汽車及零部件供應(yīng)商舍弗勒等都展示了各自扁線電機(jī)的技術(shù)實(shí)力。該技術(shù)的實(shí)力究竟幾何？為何業(yè)內(nèi)普遍又將其視為開啟新電驅(qū)動(dòng)時(shí)代的“鑰匙”呢？

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1、相比起傳統(tǒng)電機(jī)所采用的圓形導(dǎo)線，扁線電機(jī)采用的是扁平導(dǎo)線。其優(yōu)勢(shì)在于電機(jī)體積更緊湊、更節(jié)約材料、功率更強(qiáng)勁。

2、扁線電機(jī)率先由國(guó)外車企發(fā)起應(yīng)用，如豐田普銳斯、雪佛蘭沃藍(lán)達(dá)等。國(guó)內(nèi)應(yīng)用案例較少，車企尚未進(jìn)行大規(guī)模采用。

3、技術(shù)層面，國(guó)內(nèi)扁線電機(jī)在設(shè)計(jì)、制造、原材料等方面均面臨挑戰(zhàn)。產(chǎn)業(yè)尚未成熟，由此帶來前期應(yīng)用成本高。市場(chǎng)成熟后，扁線電機(jī)將能降低整車成本并提升其性能。 ?

● 何謂扁線電機(jī)？

與扁線電機(jī)相對(duì)應(yīng)的就是“圓線電機(jī)”，扁線、圓線的區(qū)別就在于電機(jī)中定子繞組所用的導(dǎo)線的形態(tài)不同。傳統(tǒng)電機(jī)采用的圓形導(dǎo)線，而扁線電機(jī)則采用了扁平的矩形導(dǎo)線。

扁線電機(jī)之所以會(huì)成為未來趨勢(shì)，是由新能源汽車電驅(qū)系統(tǒng)發(fā)展決定的，小型化、集成化、高功率密度等特點(diǎn)都是新能源汽車電驅(qū)系統(tǒng)的演進(jìn)方向。畢竟，體積大、重量大、動(dòng)力弱的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在新能源汽車市場(chǎng)是不招待見的。 ? 顯而易見，采用扁線可以大幅提高槽滿率（指線圈放入槽內(nèi)后占用槽內(nèi)空間的比例），因?yàn)閳A線之間存在著空隙，而扁線則更加緊密。通俗來講，槽滿率越高，就代表著線圈中導(dǎo)線越多，產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)更強(qiáng)，那么電機(jī)的功率就會(huì)更大。 ?

有數(shù)據(jù)顯示，在相同的空間內(nèi)，扁線電機(jī)可以多填充20-30%的導(dǎo)線，從某種程度上可以理解成將電機(jī)功率提升了20-30%。反過來說，在達(dá)到相同的功率密度的前提下，扁線電機(jī)的體積也會(huì)更加緊湊。 ?

相比起傳統(tǒng)電機(jī)而言，扁線結(jié)構(gòu)還有其他優(yōu)勢(shì)。它使得導(dǎo)線與導(dǎo)線間的接觸面積大幅提高，因此散熱能力會(huì)更強(qiáng)。又因?yàn)槔@組體積更小，所以耗材就更少。 ? 電機(jī)，在電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過程中是起著樞紐作用的關(guān)鍵部件。反映在整車上，扁線電機(jī)能提供更優(yōu)越的加速性能，并且噪音更小，大幅提升了整車性能?？偠灾饩€電機(jī)順應(yīng)了新能源汽車發(fā)展潮流。誰能率先開發(fā)并量產(chǎn)扁線電機(jī)，誰就能更好地?fù)屨际袌?chǎng)，抓住新能源汽車爆發(fā)的紅利。 ?

● 國(guó)外率先示范應(yīng)用 國(guó)內(nèi)仍處于初級(jí)階段

? 在多年以前，只有少數(shù)國(guó)外汽車廠商所生產(chǎn)的新能源汽車產(chǎn)品采用了扁線電機(jī)技術(shù)。比如，2007年，雪佛蘭沃藍(lán)達(dá)就搭載了雷米（已被麥格納收購(gòu)）提供的扁線電機(jī)；日產(chǎn)、豐田等車企也都應(yīng)用過該技術(shù)（豐田第四代普銳斯的扁線電機(jī)來自日本電裝）。 ? 現(xiàn)今，國(guó)內(nèi)車企及零部件供應(yīng)商也紛紛染指這一技術(shù)。在今年法蘭克福車展上，長(zhǎng)城汽車控股的零部件公司蜂巢易創(chuàng)就展示了自主開發(fā)生產(chǎn)的“扁線技術(shù)”電驅(qū)動(dòng)集成系統(tǒng)。此外，包括上汽、比亞迪和北汽在內(nèi)的主機(jī)廠，以及方正電機(jī)、漢拿電機(jī)等電機(jī)企業(yè)也都已經(jīng)展開了相應(yīng)的研究。

方正電機(jī)總經(jīng)理牛銘奎稱，“國(guó)內(nèi)扁線電機(jī)總體處于起步階段。多家整車、零部件企業(yè)正在進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)。目前，國(guó)內(nèi)有3-5家電機(jī)廠在從事扁線電機(jī)技術(shù)的開發(fā)，另有約4家整車廠也在進(jìn)行研發(fā)?！?? 另有報(bào)告顯示，根據(jù)國(guó)內(nèi)主機(jī)廠和電機(jī)企業(yè)的研發(fā)進(jìn)度來看，國(guó)內(nèi)扁線電機(jī)最快將于2020年實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，2025年市場(chǎng)滲透率有望達(dá)到67%。實(shí)際上，就當(dāng)前而言，扁線電機(jī)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)應(yīng)用相對(duì)“冷清”。 ? 牛銘奎表示，“國(guó)內(nèi)扁線電機(jī)規(guī)模應(yīng)用案例還較少，目前只有一款搭載該技術(shù)的車型投放市場(chǎng)?！彼M(jìn)一步闡釋道，基于扁線電機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)的公司和項(xiàng)目為數(shù)不少，并且更多公司都已開始緊鑼密鼓地進(jìn)行調(diào)研，后續(xù)會(huì)研發(fā)更多基于扁線電機(jī)的項(xiàng)目。 ?

國(guó)內(nèi)，扁線電機(jī)還處于追趕階段，市場(chǎng)尚不成熟。盡管是未來的發(fā)展趨勢(shì)，但車企暫未進(jìn)行大規(guī)模布局。

一位不具名人士（該人士為國(guó)內(nèi)某大型自主品牌車企研究院技術(shù)負(fù)責(zé)人）對(duì)汽車之家表示，“目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用并不多。就像燃料電池一樣，雖然都知道技術(shù)好，但是各個(gè)主機(jī)廠都不會(huì)提前大規(guī)模量產(chǎn)?！?? 總體看來，扁線電機(jī)技術(shù)由國(guó)外車企率先發(fā)起應(yīng)用，并且在新能源驅(qū)動(dòng)電機(jī)市場(chǎng)取得了良好的示范效應(yīng)，而國(guó)內(nèi)目前還在追趕當(dāng)中。 ?

● 設(shè)計(jì)/制造等環(huán)節(jié)挑戰(zhàn)大 但能降低整車成本

? 盡管從長(zhǎng)期來看，扁線電機(jī)是未來驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)展方向。在具備諸多優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，也同樣存在劣勢(shì)，比如設(shè)計(jì)難度、工藝制造難度、更易損耗等。換個(gè)角度來說，原材料、生產(chǎn)工藝、專業(yè)制造設(shè)備等痛點(diǎn)成為了扁線電機(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。

和圓線電機(jī)相比，扁線電機(jī)也有它的缺點(diǎn)。簡(jiǎn)單概括為設(shè)計(jì)難工藝難、設(shè)備難、扁線難、有損耗。

“扁線電機(jī)是一項(xiàng)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到制造工藝等環(huán)節(jié)都截然不同于傳統(tǒng)電機(jī)的技術(shù)?！迸ｃ懣Q，尤其是生產(chǎn)工藝，例如線圈成型、扭頭、焊接、浸漬等，都需要全新的開發(fā)。目前尚由歐美企業(yè)壟斷，這將成為國(guó)內(nèi)對(duì)核心技術(shù)掌握的主要瓶頸。“誰能掌握設(shè)計(jì)、制造等全方位的核心技術(shù)，誰才能真正在扁線電機(jī)領(lǐng)域取得技術(shù)突破。”牛銘奎說。 ? 市場(chǎng)現(xiàn)狀也確實(shí)如此。目前，具備扁線電機(jī)量產(chǎn)能力的廠家多為國(guó)際玩家，如日本電裝、日立電機(jī)，以及德國(guó)舍弗勒等。國(guó)內(nèi)，上汽集團(tuán)旗下零部件公司華域汽車曾于2017年實(shí)現(xiàn)了扁線電機(jī)部分出貨。 ? 上述所提及的“3-5家電機(jī)廠”和“約4家主機(jī)廠”，在扁線電機(jī)技術(shù)開發(fā)、生產(chǎn)制造等方面的能力差異都很大。牛銘奎表示，“多數(shù)廠家主要依靠國(guó)外進(jìn)口設(shè)備解決工藝問題。只有數(shù)量很少的佼佼者，實(shí)現(xiàn)了從產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)制造工藝的全方位能力積累和技術(shù)突破?！?? 除此之外，由圓形導(dǎo)線升級(jí)為扁平矩形截面導(dǎo)線所帶來的另一個(gè)問題是，處于產(chǎn)業(yè)鏈上游的導(dǎo)線制造技術(shù)也需要同步革新。

扁線由于工序復(fù)雜、精度要求高，通過人工制造基本不能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)必須依賴專業(yè)的高端設(shè)備。

技術(shù)難題是一方面，由此所帶來的產(chǎn)品性價(jià)比又是一方面。上述不具名人士也提到，“扁線電機(jī)在設(shè)計(jì)、制造等方面的難度都比較大?！边@也反映了在市場(chǎng)成熟前，缺少合作伙伴來共同承擔(dān)研發(fā)等各方面的成本，由此導(dǎo)致車企應(yīng)用該技術(shù)成本較高?！袄麧?rùn)為王”恰好能解釋車企為何沒有提前進(jìn)行大規(guī)模量產(chǎn)。 ? 鑒于扁線電機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，當(dāng)其越過技術(shù)降本和規(guī)模降本的臨界點(diǎn)時(shí)，該技術(shù)還是具備市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的。牛銘奎認(rèn)為，“相比起傳統(tǒng)的圓線電機(jī)，扁線電機(jī)能降低8%-12%的有效材料成本。如果再考慮給整車性能、電耗等方面帶來的優(yōu)勢(shì)，扁線電機(jī)能將成本降低大約15%?！?/p>

? 全文總結(jié)： 現(xiàn)如今，扁線電機(jī)對(duì)傳統(tǒng)電機(jī)的替代作用仍不明顯，短期內(nèi)投產(chǎn)應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)是車企所不愿承擔(dān)的。任何一項(xiàng)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)的道路都非?？部?，技術(shù)不成熟導(dǎo)致市場(chǎng)應(yīng)用難，市場(chǎng)培育不到位又反過來制約技術(shù)的快速突破。站在長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來考慮，技術(shù)更迭是大勢(shì)所趨；于消費(fèi)者而言，如果為更優(yōu)質(zhì)的用戶體驗(yàn)而付出更少的成本又何樂而不為呢？

編外話 ? /為什么要電機(jī)扁線化/

扁線電機(jī)繞組導(dǎo)線橫截面積為四邊形，與傳統(tǒng)圓線電機(jī)差異明顯。圓線導(dǎo)體排列出的槽滿率一般約?40%?左右，而扁線導(dǎo)體排列則可以提升至?70%。扁線電機(jī)繞組槽滿率高，直接導(dǎo)致導(dǎo)體的截面積（S）變大，使得導(dǎo)體直流電阻（R）相應(yīng)下降，進(jìn)而降低不必要的銅耗，提升了銅線的利用效率。 ?

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圖：電阻定律&電熱計(jì)算公式 數(shù)據(jù)來源：綠芯頻道 ?

其次，扁線電機(jī)的端部尺寸更短，可以進(jìn)一步降低端部繞組銅耗，進(jìn)一步提升電機(jī)效率。

圖：扁線電機(jī)的端部高度比圓線電機(jī)更短 數(shù)據(jù)來源：EDC 電驅(qū)未來公眾號(hào) ? ?

圖：扁線電機(jī)與圓線電機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)比 數(shù)據(jù)來源：車云網(wǎng) ?

? /扁線電機(jī)的優(yōu)勢(shì)/ ? ?

優(yōu)勢(shì)一：電機(jī)的平均效率可以提升1%-2%

根據(jù)上汽綠芯頻道評(píng)估，在WLTC（World Light Vehicle Test Procedure）標(biāo)準(zhǔn)工況，扁線電機(jī)比傳統(tǒng)圓線電機(jī)的轉(zhuǎn)換效率高1.12%；在全域平均下，兩者效率值相差2%；在市區(qū)工況（低速大扭矩），兩者效率值相差10%。因此，扁線電機(jī)中低速效率高，更適合于中國(guó)城市路況。 ?

表：扁線電機(jī)與圓線電機(jī)的效率對(duì)比分析 數(shù)據(jù)來源：綠芯頻道 ? ?

按照典型的續(xù)航500km的A級(jí)轎車（搭載60kwh電池包和150kw電機(jī)）計(jì)算，假設(shè)電池成本以1元/wh，即每kwh的電池成本是1000元：

表：扁線繞組效率分析 數(shù)據(jù)來源：德邦研究所 ?

優(yōu)勢(shì)二：功率密度提高 20%以上，可達(dá)4.7kW/kg

由于扁線電機(jī)槽滿率的提高，相同體積下可以塞進(jìn)更多的定子繞組，相同損耗下可以輸出更高的功率和扭矩。 ? 國(guó)家政策層面是倡導(dǎo)高電機(jī)功率密度。在“十三五”乘用車規(guī)劃中提出，新能源乘用車電機(jī)功率密度應(yīng)滿足4.0kW/kg，高于當(dāng)前圓線電機(jī)約3.5kW/kg的水平，而當(dāng)前領(lǐng)先企業(yè)的扁線電機(jī)的功率密度約4.5kW/kg。因此，在圓線電機(jī)功率密度提升進(jìn)入困境時(shí)，發(fā)展扁線電機(jī)是電機(jī)發(fā)展的確定方向。

優(yōu)勢(shì)三：散熱效果更好

由于扁線繞組的定子槽可以做到緊密貼合接觸，可以降低槽內(nèi)熱阻，使得熱量在導(dǎo)體間的傳導(dǎo)效率更高，因此提升高溫動(dòng)力性強(qiáng)，有著更寬松的溫升條件，整車可以實(shí)現(xiàn)更好的加速性能。

優(yōu)勢(shì)四：機(jī)械噪音和電磁噪音更小

扁線電機(jī)導(dǎo)線的應(yīng)力比較大，剛性比較大，電樞具備更好的剛度，對(duì)電樞噪音具有抑制作用。 ? ?

圖：扁線電機(jī)與圓線電機(jī)性能對(duì)比 數(shù)據(jù)來源：霍從崇 ? ?

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/扁線電機(jī)的劣勢(shì)/

劣勢(shì)一：“趨膚效應(yīng)”、“鄰近效應(yīng)”明顯，交流阻抗增大，高轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)換效率降低

趨膚效應(yīng)：當(dāng)導(dǎo)體中有交流電流或者交變磁場(chǎng)時(shí),導(dǎo)體內(nèi)部的電流分布不均勻,電流分布會(huì)趨向于導(dǎo)體的皮膚部分,越靠近導(dǎo)體表面,電流密度越大。由此,導(dǎo)體通過電流的有效部分減少,導(dǎo)體的等效電阻增加,使得損耗也增加。 ?

圖：趨膚效應(yīng) 數(shù)據(jù)來源：德邦研究所 ? 鄰近效應(yīng)：互相靠近的導(dǎo)體,通有交變電流時(shí),每一導(dǎo)體不僅處于自身電流產(chǎn)生的電磁場(chǎng)中,同時(shí)還處于其他導(dǎo)體中電流產(chǎn)生的電磁場(chǎng)中,這使得各個(gè)導(dǎo)體中電流分布會(huì)要臨近導(dǎo)體影響而不均勻的現(xiàn)象。 ?

圖：鄰近效應(yīng) 數(shù)據(jù)來源：德邦研究所 ? ?

劣勢(shì)二：扁線電機(jī)生產(chǎn)線投資額是圓線的 2-5 倍

扁線電機(jī)對(duì)產(chǎn)品的一致性要求高，技術(shù)難度大，需要投入精度較高的自動(dòng)化伺服設(shè)備、焊接設(shè)備、Hair-Pin線形成形設(shè)備和工裝模具等。

劣勢(shì)三：扁線的加工難度增大

1）矩形銅線生產(chǎn)加工工藝更加復(fù)雜； 2）扁線R角處的漆膜涂敷困難，難保證此處絕緣層的均勻性；絕緣涂層在烘干后會(huì)產(chǎn)生收縮，扁線是非均勻收縮，容易變形和皸裂，需要改良使得R角處的涂覆厚度更厚； 3）扁線彎折成發(fā)卡后，R角處應(yīng)力集中，容易導(dǎo)致涂覆層破損； 4）對(duì)扁線的精度要求高，扁線截面積大、匝數(shù)少，單根導(dǎo)線不一致對(duì)整體性能的影響顯著增大，對(duì)扁線的一致性要求高。復(fù)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(shù)溢價(jià)。

劣勢(shì)四：專利壁壘過多

扁線電機(jī)專利目前主要還是在歐美及日本企業(yè)里，國(guó)內(nèi)企業(yè)掌握專利較少。

編輯：黃飛

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