扁線繞組的案例
新能源驅動電機定子幾種常見的扁線繞組型式
03
扁線連續波繞組
扁線連續波繞(Continuous hairpin / wave winding)的最大好處是成型后兩頭端部無需焊接，但由于該繞組型式制造工藝尚處于開發階段，尚未成為主流。
新能源汽車扁線電機的繞組交流損耗分析
1．前言
永磁電機的主要功率損耗部件是鐵心，磁鋼和繞組。Hair-Pin電機在高速時有較大的繞組AC損耗，特別是發生在繞組端部的損耗。發生在端部繞組區域中的磁力線模式不同于鐵心中的繞組長度內的磁力線模式。
這些損耗可以通過直流和交流損耗來定義，直流繞組損耗很容易通過繞組的電路分析來計算，并且是算術計算。AC損耗分量是由于導體相互靠近產生的磁場的各種影響而引起的。這通常是通過創建原型和對線圈部件進行繁瑣的測量來估計的。這將使設計工作流程既昂貴又耗時。
然而，通過在JMAG中將線圈創建三維模型并進行3D的有限元分析，可以相對快速和經濟地分析AC損耗。
2．背景
（1）Bar-winding廣泛用于新能源汽車的電機設計中。
圖1 圓線繞組和扁線繞組對比
A. 優點：
1)用銅量少。
2)提高散熱性。
3)端部整齊免綁扎。
4)提高生產率。
B .缺點：存在較大渦流損耗。
（2）交流損耗的電磁場
引起交流損耗的原因主要是：漏磁通、集膚效應和臨近效應。
（3）漏磁通
漏磁通將引起線圈中的AC 損耗，它在旋轉過程分布性將變化，并且如果電流是PWM，它將具有很高的諧波分量。
（4）集膚效應
a）高速和PWM引起的高頻分量。
b）集膚效應增加了損耗。
圖2 集膚效應和頻率關系
上圖為交流電流應用于單根導線，從圖2可以看出較高的頻率如高速會導致集膚效應并增加損耗。
（5）鄰近效應
槽內的導體會產生鄰近效應。從圖3可以看出，距離越近鄰近效應越明顯，因此交流損耗也越大。
圖3 鄰近效應和距離
交流電流施加到兩根導線上。來自每根導線的磁通鏈接到另一根導線中導致了渦流。槽內的許多導體會增加AC損耗。
展開 電機技術干貨：振動原因一網打盡，扁線繞組成新能源工業新寵
發電設備</p><p>場景：風力發電機、小型柴油發電機組的定子繞組。</p><p>優勢：扁線繞組可減少繞組端部長度，降低發電機銅損，提升發電效率，如1.5MW以上風電發電機采用扁線技術后效率提升0.5%-1%。</p><p><strong style="background-color: rgb(253, 198, 32);">3、消費電子與家電</strong></p><p>1）. 高端家電電機</p><p>場景：滾筒洗衣機直驅電機、變頻空調壓縮機電機、吸塵器無刷電機等。</p><p>優勢：1）低噪音特性：適配家用場景，如扁線電機驅動的洗衣機噪音可降低5-10dB；2）高效節能：符合家電能效標準，如一級能效空調壓縮機采用扁線技術后能耗降低10%。</p><p>2）. 移動設備與工具</p><p>場景：電動工具（如電鉆、電鋸）、無人機驅動電機、平衡車電機等。</p><p>優勢：輕量化與高功率密度結合，提升設備續航和動力，如扁線電機驅動的無人機續航時間延長10%-15%。</p><p><strong style="background-color: rgb(253, 198, 32);">4、航空航天與特種領域</strong></p><p>1）. 航空航天電機</p><p>場景：飛機電傳操縱系統電機、衛星姿態控制電機、航天器推進系統電機。</p><p>優勢：高可靠性（扁線繞組結構更穩固，抗振動能力強）、輕量化（符合航空減重要求），如部分無人機和輕型飛機的驅動電機已采用扁線技術。</p><p>2）. 特種裝備</p><p>場景：艦艇推進電機、軌道交通牽引電機（如高鐵輔助供電系統電機）、軍工設備驅動電機。</p><p>優勢：耐高負荷、抗干擾能力強，滿足特種環境下的長期穩定運行需求。
展開 電機繞組I-pin、Hair-pin、X-pin、S-winding的區別
扁線電機已經是目前主流的電機繞組形式，與圓線相比，扁線有利于電機槽滿率的提升，一般圓線電機的槽滿率為50%左右，而扁線電機的槽滿率能達到70%以上。槽滿率的提升意味著在定子槽空間不變的條件下，可以填充更多的銅線，通過更大的電流，產生更強的磁場，進而提升功率密度。
先看一個扁線電機定子繞組裝配過程視頻。
扁線電機的繞組形式主要有I-pin、Hair-pin、X-pin、S-winding。下面是對四種扁線繞組的整理介紹。
01
—
I-pin
I-Pin繞組形如I，直接插線，然后雙邊焊接。無需預成型且為單槽裝配，可以進一步降低繞組的裝配預留空間，缺點是焊接工藝繁瑣，端部尺寸較大。
02
—
Hair-pin
Hair-pin繞組形似發卡，先成型再插線，然后單邊焊接。是目前應用最多的扁線繞組形式。
03
—
X-pin
X-pin繞組主要是在焊接端進行優化，如下圖所示。
展開 
新能源車用驅動電機定子繞組技術
2 驅動電機定子繞組技術的發展
電機繞組的發展史，就是研究如何將更多的銅導體更方便地嵌入到定子鐵芯槽內的過程，從而實現更高的槽滿率（槽滿率是表征驅動電機繞組技術的關鍵指標，本文中定義為裸導體截面積除以鐵芯槽截面積）。從驅動電機定子繞組技術的發展歷程看，可以將其劃分為第一代徑向嵌裝繞組技術與第二代軸向嵌裝繞組技術。
第一代繞組技術：徑向嵌裝繞組
徑向嵌裝繞組是指將銅導體繞制成型后，沿定子鐵芯齒部的極靴口將繞組從徑向方向裝配進鐵芯槽內（如圖3，圖4所示為聯合電子開發的圓線/扁線徑向嵌裝繞組）。
從1888年開始，工業電機上應用的主流繞組技術均為徑向嵌裝繞組，初期繞組技術以分布式圓線徑向嵌裝繞組為主，1942年又逐漸衍生出集中式圓線徑向嵌裝繞組，隨后到1995年發展出集中式扁線繞組以及分布式波繞扁線繞組。
展開 新能源汽車驅動電機性能要求及類型對比
為了實現更高的轉矩密度，新能源車用電機繞組由傳統的圓形散線繞組逐漸向扁銅線繞組發展。高速化是電動汽車電機發展的趨勢，扁線繞組逐步成為各大電動汽車廠商的首選。國外采用扁線繞組作為新能源車電機繞組已成為主流，如豐田普銳斯、美國雷米、德國大陸、韓國 LGE、寶馬 i5 等。國內廠商也在研發扁線電機技術，有個別廠商已經具備量產扁線電機的技術并在建立生產線。國內銷量排名前 20 的車型中，有一半已經開始裝配或部分裝配扁線電機。
從行業標桿豐田 Prius 的歷代技術可以看出，高速化和扁線繞組技術是未來驅動電機的技術發展趨勢。最新的 Prius2017 使用的就是扁線繞組，最高轉速達到了17000r/min，對應的電頻率達到了 1133Hz。
扁線電機的核心優勢在于可以通過提升滿槽率提升能量密度，傳統的繞組為多根細圓線，扁線繞組變成幾根粗的矩形導線。扁線電機通過槽滿率的提升，可提升填銅量，扁線電機有效銅的面積可以提高 20%以上，從而提高 20-30%的功率，傳統電機有效銅槽滿率只有 45%左右，扁線電機能做到 70%左右。工藝的改變在結構上使得電機的繞組端部尺寸減少了 20%左右，空間進一步的降低了，從而使整個系統的體積變小，實現了小型化和輕量化。一方面提升了電機的功率密度，使得電機的效率提高，也使得電機的高效區的范圍變廣，另一方面扁線與扁線之間的接觸面積變大，繞組和定子槽之間也有更好的接觸，使得散熱和熱傳導更好，散熱性變好，性能也得到了提升。
2.3.2 電機冷卻方式發展多樣化
電機冷卻方式發展多樣化。當前永磁同步電機有多種冷卻方式：包括全封閉式不通風冷卻、自然對流冷卻、全封閉式風機冷卻、螺旋槽和軸向覆蓋通道之字形布置等液體冷卻方式、端部繞組冷卻等。
水冷為目前主流方案。目前新能源汽車驅動電機多用機殼水冷方案。
展開 新能源車用驅動電機定子繞組技術
第一代繞組技術：徑向嵌裝繞組
徑向嵌裝繞組是指將銅導體繞制成型后，沿定子鐵芯齒部的極靴口將繞組從徑向方向裝配進鐵芯槽內（如圖3，圖4所示為聯合電子開發的圓線/扁線徑向嵌裝繞組）。
從1888年開始，工業電機上應用的主流繞組技術均為徑向嵌裝繞組，初期繞組技術以分布式圓線徑向嵌裝繞組為主，1942年又逐漸衍生出集中式圓線徑向嵌裝繞組，隨后到1995年發展出集中式扁線繞組以及分布式波繞扁線繞組。
展開 新能源車用驅動電機定子繞組技術
第一代繞組技術：徑向嵌裝繞組
徑向嵌裝繞組是指將銅導體繞制成型后，沿定子鐵芯齒部的極靴口將繞組從徑向方向裝配進鐵芯槽內（如圖3，圖4所示為聯合電子開發的圓線/扁線徑向嵌裝繞組）。
從1888年開始，工業電機上應用的主流繞組技術均為徑向嵌裝繞組，初期繞組技術以分布式圓線徑向嵌裝繞組為主，1942年又逐漸衍生出集中式圓線徑向嵌裝繞組，隨后到1995年發展出集中式扁線繞組以及分布式波繞扁線繞組。
展開 電機的“好壞”到底由誰決定的？
而交流異步電機，由于轉子使用了傳統的線圈繞組結構，會導致它在滿負荷運行時會散發大量的熱，過高的溫度不僅會融掉內部的各種絕緣材料，極端的甚至還能把繞組也融掉。
因此，為了保證不過熱，很多車企都嚴格限制電機轉速，這就導致很多電車沒法發揮極致的加速、極速等性能；只有散熱提升，電機才有解限、以及繼續向上發展的可能。
優秀的電機散熱應該是怎樣的？
現在很多車企都在提升電機散熱能力的技術布局，把升級重點集中在了扁線電機、薄片層疊工藝、油冷系統方面。
對比分析扁線電機VS圓線電機
今天我們就來看看電機新技術——扁線電機的概念和定義，以及相對于傳統的圓線電機，扁線電機都有哪些優劣勢。
01
扁線電機定義
扁線電機特指定子繞組所用的導線形態發生變化，從多根細的圓線轉變成幾根粗的矩形導線，俗稱扁線。
扁線驅動電機整機結構與圓線電機沒有大的區別，基本包括鋁殼、前后軸承、定子總成、轉子總成、溫感器、旋變器、EMC部件等幾大部分。
02
扁線電機優勢
扁線電機的核心優勢在于其體積小、效率高、導熱強、溫升低、噪音小。具體展開如下：
優點①：體積小
在相同功率下，相比于傳統圓線電機，扁線電機的體積更小，用材更少，成本更低，或者相同體積，槽滿率提升，功率密度提升。
圓線變成扁線，從理論上來說，在空間不變的前提下，填充的銅可以增加20-30%。
這也意味著，某種程度上功率增加了20-30%。換言之，當功率相同時，電機的外徑和體積減小，進而減少了電機材料的用量。
有學者研究表明，永磁電機損耗由繞組銅耗、鐵耗、風磨雜散、磁鋼渦流損耗組成。
其中繞組銅耗占比50%以上，銅耗大小又和繞組電阻成正比P=I^2*R，或者Q=I^2*R*t（其中P=導線發熱功率；I=電流；R=繞組電阻；t為通電時間），減小繞組電阻能直接降低銅耗、提升電機效率和功率密度。
根據導線電阻R=p*I/S（其中p=繞組電阻；I=長度；S=橫截面積）可以看出，電阻率、長度一定的情況下，只能提升繞組橫截面積來降低電阻，即提升槽滿率。
展開 新能源汽車電驅動系統平臺化發展情況淺析
圖14 135kW電驅平臺
表3 15kW電驅平臺參數
5.2 150kW電驅動系統平臺
技術特點：
同軸行星系集成設計，結構緊湊，更易于整車布置；
殼體結構強度和NVH優化；
行星系速比可調范圍大，具有更大的扭矩容量；齒輪受載均勻且軸向載荷小，利于軸承和油封選型；
電機發卡式扁線繞組，高槽滿率、高效率軸承、少油量、總成最高效率93% ；
驅動電機定子低諧波繞組結構，轉子三段斜極式，高齒輪重合度，NVH性能優異；
電子駐車可選；
適用于搭載中高端乘用車、商務車等多種車型。
圖15 150kW電驅平臺
表4 150kW電驅平臺參數
5.3 150kW同軸電驅動橋
技術特點：
同軸式設計，尺寸更緊湊，易于整車布置；
高強度結構，與電機、橋管集成一體式設計，可搭載3.5t以下皮卡、廂貨等商用車；
驅動電機發卡式扁線繞組，高槽滿率，高效率軸承，少油量，總成最高效率93% ；
驅動電機定子低諧波繞組結構，轉子三段斜極式,高齒輪重合度，NVH性能優異；
采用高強度鋁殼體，重量更輕；
電子駐車、機械差速鎖可選。
圖16 150kW電驅系統平臺
表5 150kW電驅平臺參數
5.4 35kW減速器
技術特點：
分體式設計，可靈活搭載多種電機；
高扭矩容量，輸出扭矩可擴展至1800Nm；
極限轉速12000rpm，可擴展至14000rpm；
高齒輪重合度，NVH性能優異；
高效率球軸承，最高傳動效率98%；
適用于A00 , A0級車型。
展開 
新能源汽車動力密碼：定子繞組技術演變與驅動系統的未來圖景
定子繞組從傳統徑向到軸向的跨越式發展，Hair-pin、I-pin 等技術路線百家爭鳴。與此同時，高轉速、低成本等難題橫亙在前，電機材料與工藝該如何破局？一起探尋驅動電機技術的演進與突圍之路。
新能源汽車驅動電機
定子繞組技術的發展與創新
隨著新能源汽車行業的快速發展，驅動電機定子繞組技術經歷了從傳統徑向嵌裝到現代軸向嵌裝的變革。目前，軸向嵌裝繞組技術已成為主流，其中Hair-pin、I-pin、S-winding和X-pin四種技術路線各具優勢，推動了新能源汽車電機性能的不斷提升。
01繞組技術發展歷程
第一代：徑向嵌裝繞組技術
徑向嵌裝繞組是將銅導體繞制成型后，沿定子鐵芯齒部的極靴口裝配進鐵芯槽內。早期以分布式圓線徑向嵌裝為主，1942年發展出集中式圓線徑向嵌裝，1995年進一步發展為集中式扁線繞組和分布式波繞扁線繞組。這種技術受限于鐵芯槽口極靴形狀，影響電機的峰值/持續特性及NVH性能，且生產工藝難以實現高節拍自動化生產。
第二代：軸向嵌裝繞組技術
從1958年開始，軸向嵌裝繞組技術進入市場應用。該技術將扁銅線導體沿定子鐵芯端面槽口裝配進鐵芯槽內，具有更高的自動化生產潛力和更好的性能表現。目前，軸向嵌裝繞組技術主要有Hair-pin、I-pin、S-winding和X-pin四種技術路線。
02主流軸向嵌裝繞組技術對比
Hair-pin繞組：Hair-pin繞組是目前的主流技術，槽滿率可達70%，具有電磁設計靈活、產品設計與制造均衡度好的優勢。其繞組嵌裝所需的裝配預留空間和導體間隙小，適合大規模自動化生產。
I-pin繞組：目前以聯合電子、博世為代表。I-pin繞組無需預成型且為單槽裝配，槽滿率可達74%，功率、扭矩與效率性能優異。其制造難度低，但焊接工藝繁瑣，端部高度較大，裝配復雜度較高。
展開 蔡蔚：下一代電驅動系統全產業鏈的關鍵技術
“發卡式”（Hairpin）繞組，特別是扁線發卡式繞組是我本世界初發明的，20年后的今天，發卡扁線繞組仍然是引領高效汽車驅動電機的先進技術。沿槽高方向布置的扁線導體層數增多有利于減低渦流擠膚效應，但卻使制造工藝變得復雜。換位扁線是值得探索的高頻電機繞組新技術。
至于I-PIN型繞組，我認為焊點太多，制造問題明顯，主要是焊點太多，端部較長。這是當年大陸公司首先提出的，并以此與雷米合資提供通用汽車的42V混合動力皮卡電機。
S型繞組，是用連續波繞的繞組方式。我常將其工藝流程比做先做“鳥籠子”，后將其沿徑向壓縮從電機定子內圓漲入定子槽。隨著電機變大徑向壓縮變得越來越難，甚至不可能。該技術是在本世紀初美國雷米公司從福特的偉世通（Visteon）公司初買的，當時只用在汽車發電機上。
這頁PPT聚焦怎樣做好扁線繞組的扁線導體？
產品制造應該注意什么？
圖示耐電暈扁線正常與失效試驗結果。高頻繞組要進行局部放電試驗， 不幸的是許多電機供應商并無試驗設備，電機繞組也就沒做PDIV和PDEV試驗就出廠了。這個視頻展示了換位扁線繞組的制造過程，視頻是我在金杯電工產線上錄制的。
值得強調，絕緣老化不全是熱老化所致，也可能源于局部電老化，怎么樣區分電老化和熱老化？燒了電機原因要搞清楚。無局部放電(無PD)是熱老化，有局部放電(有PD)應屬電老化。
實在抱歉，時間所限，今天就講到這里。我準備的PPT內容太多， 還有60多頁PPT（包括功率電子控制器的關鍵技術等）將來有機會再與大家分享。
（注：本文根據現場速記整理，未經演講嘉賓審閱，僅作為參考資料，轉載請注明來源?。?/span>
展開 基于整車工況的電動汽車動力總成系統效率優化設計方法
2.電機高效區間平移設計方法
在滿足整車動力性要求的基礎上，要使電機的高效區間平移，實際上就是通過改變電機的繞組、磁路參數來調整銅耗和鐵耗的占比。如果需要高效區間在低速高矩段，即需要將銅耗設計得較低，根據銅耗理論計算公式I2R 可知需要更低的繞組電阻值，或者提高轉子磁場來減小繞組電流，具體方法如下：
1）采用集中繞組設計，縮短電機繞組端部長度，電機繞組電阻R 更小。
2）采用扁線繞組方案，或者其他提高槽滿率的工藝，使得繞組銅截面積更大，電機繞組電阻R 更小。
3）采用更大的定子槽設計，能夠放置更多的導體數，電機定子繞組電阻R 更小。
4）對于永磁電機，適當提高永磁體牌號，或者增加極弧系數，都可以使轉子磁場增加，定子繞組需要的電流I 減小。
如果需要高效區間在高速低矩段，即需要將鐵耗設計得較低，根據鐵耗理論計算公式P=KB2f2可知需要更低的損耗系數、磁通密度和頻率，具體方法如下：
1）采用扁線繞組方案，或者其他提高槽滿率的工藝，使得相同繞組銅截面積需要的定子槽更小，定子磁通密度B 可以減小。
2）對于永磁電機適當降低永磁體牌號，或減小極弧系數，都可以使轉子磁場強度降低，轉子磁通密度B 更小。
3）采用更低極對數的極槽配合，使得頻率f 更小。
4）采用更薄的沖片或者損耗系數更小的沖片牌號，使得K更小。
展開 基于整車工況的電動汽車動力總成系統效率優化設計方法
2.電機高效區間平移設計方法
在滿足整車動力性要求的基礎上，要使電機的高效區間平移，實際上就是通過改變電機的繞組、磁路參數來調整銅耗和鐵耗的占比。如果需要高效區間在低速高矩段，即需要將銅耗設計得較低，根據銅耗理論計算公式I2R 可知需要更低的繞組電阻值，或者提高轉子磁場來減小繞組電流，具體方法如下：
1）采用集中繞組設計，縮短電機繞組端部長度，電機繞組電阻R 更小。
2）采用扁線繞組方案，或者其他提高槽滿率的工藝，使得繞組銅截面積更大，電機繞組電阻R 更小。
3）采用更大的定子槽設計，能夠放置更多的導體數，電機定子繞組電阻R 更小。
4）對于永磁電機，適當提高永磁體牌號，或者增加極弧系數，都可以使轉子磁場增加，定子繞組需要的電流I 減小。
如果需要高效區間在高速低矩段，即需要將鐵耗設計得較低，根據鐵耗理論計算公式P=KB2f2可知需要更低的損耗系數、磁通密度和頻率，具體方法如下：
1）采用扁線繞組方案，或者其他提高槽滿率的工藝，使得相同繞組銅截面積需要的定子槽更小，定子磁通密度B 可以減小。
2）對于永磁電機適當降低永磁體牌號，或減小極弧系數，都可以使轉子磁場強度降低，轉子磁通密度B 更小。
3）采用更低極對數的極槽配合，使得頻率f 更小。
4）采用更薄的沖片或者損耗系數更小的沖片牌號，使得K更小。
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