扁線繞組技術的案例
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 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。
新能源汽車動力密碼：定子繞組技術演變與驅動系統的未來圖景
新能源汽車的動力角逐，本質是驅動電機的技術博弈！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。
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 定子繞組技術PIW、 HPW、FLW怎么選？
來源：
RIO電驅動
定子繞組是提高電機效率（efficiency）、壽命（lifetime）、體積（volume）和成本的關鍵因素。因此，要滿足交通電氣化的挑戰性，選擇合適的繞組技術和適當的設計是必須的。本文討論并對比用于電驅動的高速電機（high speed electrical machines）的定子繞組技術。
汽車應用中最常用的繞組配置（winding configurations），絞合線（stranded wire）、發夾式（hairpin）以及創新型成型利茲線（formed litzwires）。本文從相位電阻（phase resistance）、交流損耗系數（AC loss factor）和熱特性（thermal behavior）來分析三個繞組方案的主要優點。
現代電動汽車中最常見的電機拓撲（motor topologies）結構，包括感應電機（IM）、永磁同步電機（PMSM）、外勵磁機（EEM）。本文選擇的基準電機（reference machine）是一臺24 krpm的永磁輔助同步磁阻電機（Permanent Magnet assisted Synchronous Reluctance Machine），峰值功率為200 kW。
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
近年來，持續選擇交
流異步電機技術路徑的特斯拉，在其新推出的 Model 3 車型中，也開始采用永磁同
步電機方案。
提升功率密度為主要發展趨勢
相比于過去幾年，我國的驅動電機技術已經取得了較大進步，已經具備自主研發各類新能源汽車所需驅動電機產品的技術能力，主要性能指標也已經達到國際先進水平，但在峰值轉速、功率密度及效率方面與國外仍存在一定的差距。
國內外電動汽車電機主要朝以下幾個方面發展：高功率密度、電機冷卻方式發展多樣化、低成本化、高集成化、良好的振動噪聲特性和高效率。
2.3.1 扁線繞組——高功率密度解決方案
根據國家制造強國建設戰略咨詢委員會正式發布的《中國制造 2025 技術路線》，到 2025 年，新能源乘用車驅動電機的 20s 有效比功率要達到 4.5KW/kg，2030 年要達到 5KW/kg。
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。
展開 電機 + 機器人：全球技術突破與產業新局速遞
基地采用220扁線繞組技術和雙面冷卻碳化硅控制器，電機功率密度提升20%，系統效率達99.2%。首條生產線目前已完成調試并下線首臺樣件，其余產線將于三季度陸續投產，產品覆蓋驅動電機、電控系統及多合一總成。該項目是重慶新能源汽車產業鏈的重要補鏈工程，將助力西南地區形成“電驅-電池-整車”閉環生態。
15. 杭叉集團擬控股國自機器人99.23%，加碼智慧物流
7月11日，國內叉車龍頭杭叉集團公告，控股子公司杭叉智能將以3.98億元收購關聯方持有的國自機器人99.23%股份，交易完成后國自機器人將并入杭叉智能。
杭叉集團借此整合智能物流上下游資源，強化AGV/AMR等全場景解決方案能力。國自機器人深耕移動機器人11年，巡檢及倉儲AGV已服務國家電網、寶馬等頭部客戶，并率先實現中國物流機器人大規模出口。
在智慧物流市場2025年預計達9655億元的背景下，此次并購將加速雙方技術、渠道協同，搶占高速增長賽道。
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展開 博格華納丨集成式電驅動模塊iDM
這一先進電驅動產品可確保電機平穩安靜地運行，而其發卡式扁線定子繞組電機技術提供卓越的性能表現和出色的噪聲、振動與聲振粗糙度。
到2025年之前，博格華納的iDM電驅動系統還將提供峰值功率達到300kW、峰值扭矩達到4500N.m的產品。
值得一提的是，iDM模塊中使用的所有組件均為博格華納全自主研發的成熟技術，且都可作為高集成模塊或獨立新能源汽車驅動系統解決方案。此外，該產品支持整車平臺各類軟件功能需求，并提供支持車輛動態和能源管理的高級版本控制器。其軟件架構符合當前市場需求，易集成于AUTOSAR等通用平臺，可滿足ASIL D安全等級需求。
為應對現代車輛系統中不斷增加的數據交換需求，博格華納的先進控制器還可與CAN，CAN FD總線和flexray配合使用。
iDM電驅動系統主要由八個模塊構成：高性能電機、傳動系統冷卻模塊、電機控制模塊、信號連接接口、高壓電源接口、傳動軸接口以及駐車鎖死系統。
iDM的核心組件——永磁同步電機、高性能電子控制模塊和高效減速機構集成在一起，盡最大可能縮減布局空間，方便整車廠在整車上布置。
博格華納iDM的三大主要模塊：
（1）高速電機：博格華納的iDM系統中的電機是最高轉速16000 rpm的永磁同步電機。可以支持更高速比從而提升輪端扭矩輸出，減小電機尺寸。該電機也采用發卡式定子繞組技術以大幅提升電機的功率密度。
憑借該項專利技術，博格華納的高速電機在噪聲、振動與聲振粗糙度等方面表現卓越。
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解讀丨BYD-DMi混動系統
比亞迪扁線電機示意圖
正如此前所說，從結構和工作原理的復雜程度上，「EHS系統」或許并不那么驚艷，但在這套系統的背后有著幾項比較關鍵的技術，包括但不限于：
「扁線電機」：「EHS系統」中的「電機」采用了扁線成型繞組技術，從官方數據來看，「電機」的最高效率達到了97.5%，額定功率提高32%，高效區間（效率大于90%的區間）占比高達90.3%，質量功率密度達到5.8kW/kg；
自研的第四代「IGBT系統」：根據官方數據來看，比亞迪「電控」的綜合效率高達98.5%，「電控」高效區（即「電控」效率超過90%的區域）占比高達93%，極大的降低了電控損耗，提高效率。
比亞迪第四代IGBT制造過程示意圖（動圖）
總的來說，「EHS系統」核心是讓「發動機」專注在最佳效率區間運行，而更多地發揮「電機」的作用。
3. 「刀片電池」：比亞迪任性的資本
從官方放出的消息來看，「比亞迪DM-i混動系統」使用的「刀片電池」應該與純電車型使用的「刀片電池」略有不同，官方稱之為『混動專用功率型刀片電池』，讓我不得不感嘆，能自己造「電池」的主機廠就是有任性的資格，而其特殊之處大致有以下幾點：
比亞迪刀片電池示意圖
單節「電池」電壓達到20V：每節「電池」內串聯了若干節（推測為6節）軟包卷繞式「電芯」，使得單節電壓達到20V以上，確保「電池」在低電量時，仍能有足夠的電壓保證「電機」的驅動效率；
「電池組」可靈活搭配：單個「電池組」由10片至20片「刀片電池」組成，換言之，電量將在8.3~21.5kWh之間，即理論純電續航可設定在50~120km之間。
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