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比亞迪扁線電機原理及優點

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比亞迪扁線電機原理及優點

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,電機結構包括定子組件、轉子組件、基座、端蓋以及其他輔助標 準件。定子組件包含了定子鐵芯、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。轉子組件包含轉子鐵 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,消費者對整車性能 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, 高集成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。

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 定子組件製造過程中,需要把繞組做成髮卡形狀,通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

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 自於電流通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。

從理論上來説,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,提升高温動力性。 扁線電機散熱性能好,温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。更低的温升條件下,整車可以實現更好的加速性能。

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:小體積帶來高集成效率,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。

國內主流廠商大力推廣扁線電機實現體積下降。上汽 ER6 的 8 層 hair-pin線電驅動系統,比上一代圓線電驅動系統體積下降 50%。目前華為的七合一電驅 包括:BCU 制動控制單元、PDU 電源分配單元、DCDC 低壓直流電源轉換器、 MCU 微控制單元、OBC 車載充電器、電機、減速器。