薦讀:電機的發展始終圍繞整車需求, 扁線電機對傳統圓線電機有碾壓性的技術優勢。
新能源汽車目前處於快速發展時期, 產品質量快速提升, 消費者對整車效能要求越來越高。整車對電驅系統的主要需求包括:高效率, 高功率密度, 優秀 NVH,高整合性和低成本;扁線電機在這 5 個技術指標上均碾壓傳統圓線電機。
扁線應用於永磁同步電機的銅線繞組當中。以絕大部分新能源汽車採用的永磁同步電機為例, 電機結構包括定子元件、轉子元件、基座、端蓋以及其他輔助標準件。定子元件包含了定子鐵芯、銅線繞組、引出線和絕緣材料,一般與電機殼體固定。銅線繞組又區分為傳統圓線繞組以及新型扁線繞組。轉子元件包含轉子鐵芯、永磁體、轉軸、軸承等部件,和輸出轉軸相連,帶動齒輪驅動車輛行駛。
電機繞組導線橫截面積為四邊形,與傳統圓線電機差異明顯。在扁線電機的定子元件製造過程中,需要把繞組做成髮卡形狀,透過插入方式安裝入定子,故這種扁線電機又被稱為髮卡電機。
2021 年特斯拉換裝國產扁線電機, 帶動滲透率大幅提升, 扁線電機的趨勢已經確定。
2021 年上海車展中, 扁線電機大放異彩,眾多高階車型均搭載扁線電機。比亞迪的 DMI 車型和 e++平臺全系都是扁線電機,大眾 MEB、 蔚來 ET7、 智己 L7、 極氪 001 等明星車型採用的都是扁線電機。
行業發展驅動力, 扁線電機的五大優勢。
優勢一:高能量轉換效率帶來電池成本節約。扁線電機能大幅度提升轉換效率,降低電池成本。根據上汽綠芯頻道評估,在 WLTC 工況,扁線電機比傳統圓線電機的轉換效率高 1.12%;在全域平均下,兩者效率值相差 2%;在市區工況(低速大扭矩),兩者效率值相差 10%。按照典型的續航 500km 的 A 級轎車(搭載 60kwh 電池包和 150kw 電機)計算, WLTC工況下,搭載扁線電機的電池成本節約 672 元, 市區工況下,電池成本節約 6000元。單車千元級別的成本節約對車企意義重大。以蔚來汽車為例, 2021Q1 單車毛利 8417元,單車淨利僅-2239元。在新能源車和動力電池成本仍然偏高的情況,如何降低成本是車企的永恆追求,提高電機工作效率則是降本的有效途徑之一。
銅耗降低帶來扁線電機轉換效率高於圓線。電機損耗的能源中,有 65%來自於銅耗, 20%來自於鐵耗, 10%來自於風摩損耗, 5%來自於雜散損耗。而銅耗來自於電流透過銅線時的電阻發熱 Q=I2R,當槽滿率越高時,相同功率電機所需要的銅線更短,進而內阻降低,發熱減少,銅耗降低。
從理論上來說, 圓線的槽滿率一般在約 40%左右, 而扁線則可以提升至 70%。由於圓線的截面為圓形,不可避免在導線間存在不規則縫隙,而扁線間的間隙更小,槽滿率更高。
扁線電機的高效率區間比圓線電機高出許多,圓線電機的高效區一般要求是效率>85%的區間佔比不低於 85%,被稱為“雙 85”。而扁線電機的效率>90%的區間佔比不低於 90%, 被稱為“雙 90”。電機的效率與轉速和扭矩相關, 市區工況中出現的頻繁啟停工況屬於低轉速高扭矩工況, 而這正是圓線電機的低效率區間,而扁線電機在該工況下的轉換效率更高。
優勢二:散熱性好,提升高溫動力性
扁線電機散熱效能好, 溫升相對圓線電機降低 10%。因扁線相對圓線更為緊密的接觸, 散熱性提升,研究發現高槽滿率下繞組間的導熱能力是低槽滿率的150%。繞組在熱傳導能力上具有各向異性,軸向的熱傳導能力是徑向方向的 100倍。更低的溫升條件下,整車可以實現更好的加速效能。
優勢三:高功率密度, 整車動力更強勁。
電機的功率與銅含量成正相關,根據上汽綠芯頻道評估,扁線電機槽滿率提升,相同體積下銅線填充量增加 20-30%,輸出功率有望提升 20-30%,整車動力更強勁。國家政策層面倡導高電機功率密度。“十三五”規劃中提出,新能源乘用車電機功率密度應滿足 4.0kw/kg,高於當前圓線電機約 3.5kw/kg 的水平。在圓線電機功率密度提升進入困難模式的當前,發展扁線電機是必然之路, 根據摩恩電氣的公告顯示, 當前領先企業的扁線電機的功率密度約 4.5kw/kg。
優勢四:電磁噪音低,整車更安靜。
扁線電機導線的應力比較大,剛性比較大,電樞具備更好的剛度,對電樞噪音具有抑制作用;可以取相對較小的槽口尺寸,有效降低齒槽力矩,進一步降低電機電磁噪音。
優勢五:小體積帶來高整合效率,契合多合一電驅發展趨勢。
因扁線更高的槽滿率,同功率電機銅線用量和對應定子較少,體積有望下降30%。此外,扁線電機因更為先進繞線方式帶來更易裁剪的電機端部,與圓線電機相比減少 15-20%的端部尺寸,空間進一步降低,實現電機小型化和輕量化。
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