定子繞組技術的案例
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
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。
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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。
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。
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 新能源驅動電機定子幾種常見的扁線繞組型式
“定子繞組是指安裝在定子上的繞組,也就是繞在定子上面的銅線。繞組是由多個線圈或線圈組構成一相或整個電磁電路的統稱。電機繞組根據線圈繞制的形狀與嵌裝布線方式不同，可分為集中式和分布式兩類。集中式繞組的繞制和嵌裝比較簡單，但效率較低，運行性能也差。目前的交流電機定子絕大部分都是采用分布式繞組，根據不同機種、型號及線圈嵌繞的工藝條件，電機各自設計采用不同的繞組型式和規格”。
01
Hair pin / 發夾式繞組
Hairpin是目前比較常見的扁線繞組形式，由于單根形狀比較像發夾，所以也叫發夾式繞組。該繞組型式的特點是只需要焊接一端。
02
i-pin繞組
i-pin最大的特點是制造工藝簡單，一字型扁銅線直接插入定子槽內后扭頭焊接，特點是端部兩頭都需要焊接。
展開 資訊丨博格華納-商用車的800V動力總成
該技術補充說，該技術支持車輛的換檔過程，并通過在下坡制動或開車時產生動力為電池充電。
HVH 320電動機是博格華納HVH系列電動機產品系列的最新成員，該系列產品既適用于輕型乘用車，也適用于重型商用車。這些電機采用獲得專利的定子繞組技術，易于集成，可作為全罩式電機或轉子/定子組件使用。此外，該公司還說，電動機可以在整個車輛的各種建筑位置上使用。
博格華納表示，它還提供可以達到相同的下一代800V電壓等級的逆變器。
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展開 汽車專題第七期 |新能源汽車—電機篇（三）
應用Ansys Fluent計算定子，轉子，繞組溫升。
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?？梢灾С指咚俦葟亩嵘喍伺ぞ剌敵?，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。
展開 極氪001三電技術解析
而想要功率大一些、體積再緊湊一些，難度就相應提高了，需要從繞組上下功夫，這涉及到復雜的電磁學知識。三者中最困難的也是需要付出更多成本的，是研究如何提高電機的效率，尤其是提高全工況下的效率。
同時，扁線的使用可以讓銅線之間的間隙變少，增加相互之間的接觸面積，方便銅線上的熱量向外界傳導。而扁線繞組還可以采用較扁平的匯流焊接方式，能減小無法與定子鐵芯接觸的銅線長度，同樣有利于銅線向定子鐵芯傳熱。這可以使扁銅線電機具備更好的散熱性能，讓你可以持續保持高速行駛，或者在連續的行駛中擁有更強大的再加速能力。
但除了這些好處之外，扁銅線電機也有自身的一些缺點。首先就是加工的難度更大，尤其是絕緣涂層在扁線加工過程中容易產生損壞，導致良品率偏低。而在設計中，銅線也并非越粗越好，交變的電流會集中在導體的“皮膚”上（趨膚效應），反而會導致電機在高頻率、大電流工況下電阻的增加，使高速工況的效率不如圓線電機。
隨著繞組層數的增加，還能在一定程度上提高電機的最大功率，使極氪001(參數|詢價)的這臺電機可以在尺寸上更極致，6.05kW/kg的功率密度配合200kW的最大功率、384N·m的最大扭矩，足以稱得上是又小又強大。
●充電如何實現速度與兼容性的結合？
想要提高充電速度，首先要看電池能不能實現快速的充放電。極氪001選用了充電倍率達到2.2C的電芯（充電倍率是充電快慢的一種量度，它在數值上等于充電電流與電池額定容量的比值），同時在充電過程中，云端BMS系統還會對充電過程中電芯的溫度分布、電壓變化、母線電流進行全程監測，確保充電不過流不過溫，保障充電又快又安全。
展開 極氪001三電技術解析
而想要功率大一些、體積再緊湊一些，難度就相應提高了，需要從繞組上下功夫，這涉及到復雜的電磁學知識。三者中最困難的也是需要付出更多成本的，是研究如何提高電機的效率，尤其是提高全工況下的效率。
同時，扁線的使用可以讓銅線之間的間隙變少，增加相互之間的接觸面積，方便銅線上的熱量向外界傳導。而扁線繞組還可以采用較扁平的匯流焊接方式，能減小無法與定子鐵芯接觸的銅線長度，同樣有利于銅線向定子鐵芯傳熱。這可以使扁銅線電機具備更好的散熱性能，讓你可以持續保持高速行駛，或者在連續的行駛中擁有更強大的再加速能力。
但除了這些好處之外，扁銅線電機也有自身的一些缺點。首先就是加工的難度更大，尤其是絕緣涂層在扁線加工過程中容易產生損壞，導致良品率偏低。而在設計中，銅線也并非越粗越好，交變的電流會集中在導體的“皮膚”上（趨膚效應），反而會導致電機在高頻率、大電流工況下電阻的增加，使高速工況的效率不如圓線電機。
隨著繞組層數的增加，還能在一定程度上提高電機的最大功率，使極氪001(參數|詢價)的這臺電機可以在尺寸上更極致，6.05kW/kg的功率密度配合200kW的最大功率、384N·m的最大扭矩，足以稱得上是又小又強大。
●充電如何實現速度與兼容性的結合？
想要提高充電速度，首先要看電池能不能實現快速的充放電。極氪001選用了充電倍率達到2.2C的電芯（充電倍率是充電快慢的一種量度，它在數值上等于充電電流與電池額定容量的比值），同時在充電過程中，云端BMS系統還會對充電過程中電芯的溫度分布、電壓變化、母線電流進行全程監測，確保充電不過流不過溫，保障充電又快又安全。
展開 
極氪001三電技術解析
而想要功率大一些、體積再緊湊一些，難度就相應提高了，需要從繞組上下功夫，這涉及到復雜的電磁學知識。三者中最困難的也是需要付出更多成本的，是研究如何提高電機的效率，尤其是提高全工況下的效率。
同時，扁線的使用可以讓銅線之間的間隙變少，增加相互之間的接觸面積，方便銅線上的熱量向外界傳導。而扁線繞組還可以采用較扁平的匯流焊接方式，能減小無法與定子鐵芯接觸的銅線長度，同樣有利于銅線向定子鐵芯傳熱。這可以使扁銅線電機具備更好的散熱性能，讓你可以持續保持高速行駛，或者在連續的行駛中擁有更強大的再加速能力。
但除了這些好處之外，扁銅線電機也有自身的一些缺點。首先就是加工的難度更大，尤其是絕緣涂層在扁線加工過程中容易產生損壞，導致良品率偏低。而在設計中，銅線也并非越粗越好，交變的電流會集中在導體的“皮膚”上（趨膚效應），反而會導致電機在高頻率、大電流工況下電阻的增加，使高速工況的效率不如圓線電機。
隨著繞組層數的增加，還能在一定程度上提高電機的最大功率，使極氪001(參數|詢價)的這臺電機可以在尺寸上更極致，6.05kW/kg的功率密度配合200kW的最大功率、384N·m的最大扭矩，足以稱得上是又小又強大。
●充電如何實現速度與兼容性的結合？
想要提高充電速度，首先要看電池能不能實現快速的充放電。極氪001選用了充電倍率達到2.2C的電芯（充電倍率是充電快慢的一種量度，它在數值上等于充電電流與電池額定容量的比值），同時在充電過程中，云端BMS系統還會對充電過程中電芯的溫度分布、電壓變化、母線電流進行全程監測，確保充電不過流不過溫，保障充電又快又安全。
展開 新能源汽車扁線：盡享汽車電動化、電機扁線化雙重紅利 ￥5000
繞組成型技術路徑：Hair-pin占上風，長安iDD混動系統選擇S-winding
根據聯合電子的文章，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。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。
徑向嵌裝繞組難以適應自動化生產。徑向嵌裝式繞組技術由于其鐵芯槽口極靴形狀的結構設計受限，會直接影響到電機的峰值/持續特性以及NVH性能，此外在生產工藝上往往還需要手工介入調整，難以實現高節拍（60s以內）的自動化生產。
第二代繞組技術：軸向嵌裝繞組。從1958年開始，隨著繞組技術的進一步成熟，第二代軸向嵌裝繞組技術開始進入市場應用，初期的軸向嵌裝繞組也主要應用在大中型工業電機中。軸向嵌裝繞組是指將半成型或者未經預成型的扁銅線導體，沿定子鐵芯的端面槽口將繞組從軸向方向裝配進鐵芯槽內。
軸向嵌裝繞組的第一個技術分支：Hairpin繞組。Hairpin繞組憑借其優異的功率，扭矩與效率性能迅速占領主流技術市場。Hairpin繞組可以大大減少繞組嵌裝所需的裝配預留空間和導體間隙，其槽滿率可以達到70％左右。
軸向嵌裝繞組的第二個技術分支：I-Pin繞組。
展開 新能源汽車電機驅動系統關鍵技術展望
但是，隨著驅動電機功率密度和效率的不斷提高，傳統結構和傳統工藝制造的永磁同步電機也逐漸難以滿足當前市場的競爭需求，各大傳統主機廠和新興造車勢力迫切需要尋找新的技術解決方案。
（一）扁銅線技術
發卡式(也稱為扁銅線)定子繞組如圖1所示。采用發卡式定子繞組可以提高電機定子的槽滿率，從而提高電機的功率密度。此外，發卡式定子繞組的端部尺寸較短，因而擁有更低的銅損以及更好的散熱性能。當前該類電機的生產技術、設備和專利，主要由日本、意大利和德國等傳統汽車強國所引領。從2018年開始，國內的深圳市匯川技術有限公司、松正電動汽車技術股份有限公司等電動汽車零部件供應商也陸續發力，推出了自己的扁銅線電機產品。
然而，相對于傳統圓銅線繞組而言，扁銅線繞組的高頻趨膚效應顯著。對于大功率驅動電機，發卡式定子繞組帶來的環流損耗也更加突出[7,8]。發卡式繞組的生產工藝復雜，扁銅線彎折后絕緣層容易損壞產生缺口或破面。降低發卡式定子繞組的趨膚效應和渦流損耗是當前研究的熱點。提高發卡式定子繞組的材料加工技術和制造精度將有利于該項技術國產化的推廣。
圖1 發卡式(扁銅線)定子繞組
（二）多相永磁電機技術
多相電機在輸出相同功率時的母線電壓低于傳統的三相電機，且具有更小的轉矩脈動和更強的容錯能力[9]，因此適用于對噪聲、振動、聲振粗糙度（NVH）要求高的新能源汽車電驅系統[10]。以雙三相永磁同步電機為例，電機的兩套繞組在空間上相距30°電角度，消除了5次與7次諧波磁勢，大大減少了電機的轉矩脈動[11,12]。同時，雙三相永磁同步電機兩套繞組采用隔離中線設計，相比4相與5相電機，降低了系統的階次，便于分析與控制，在電機與控制器發生故障時，控制算法不需要大的更改即可實現電機系統的容錯運行控制，因此雙三相永磁同步電機也成為了新能源汽車電機驅動系統研究的熱點。
展開 新能源汽車電機驅動系統關鍵技術展望
但是，隨著驅動電機功率密度和效率的不斷提高，傳統結構和傳統工藝制造的永磁同步電機也逐漸難以滿足當前市場的競爭需求，各大傳統主機廠和新興造車勢力迫切需要尋找新的技術解決方案。
（一）扁銅線技術
發卡式(也稱為扁銅線)定子繞組如圖1所示。采用發卡式定子繞組可以提高電機定子的槽滿率，從而提高電機的功率密度。此外，發卡式定子繞組的端部尺寸較短，因而擁有更低的銅損以及更好的散熱性能。當前該類電機的生產技術、設備和專利，主要由日本、意大利和德國等傳統汽車強國所引領。從2018年開始，國內的深圳市匯川技術有限公司、松正電動汽車技術股份有限公司等電動汽車零部件供應商也陸續發力，推出了自己的扁銅線電機產品。
然而，相對于傳統圓銅線繞組而言，扁銅線繞組的高頻趨膚效應顯著。對于大功率驅動電機，發卡式定子繞組帶來的環流損耗也更加突出[7,8]。發卡式繞組的生產工藝復雜，扁銅線彎折后絕緣層容易損壞產生缺口或破面。降低發卡式定子繞組的趨膚效應和渦流損耗是當前研究的熱點。提高發卡式定子繞組的材料加工技術和制造精度將有利于該項技術國產化的推廣。
圖1 發卡式(扁銅線)定子繞組
（二）多相永磁電機技術
多相電機在輸出相同功率時的母線電壓低于傳統的三相電機，且具有更小的轉矩脈動和更強的容錯能力[9]，因此適用于對噪聲、振動、聲振粗糙度（NVH）要求高的新能源汽車電驅系統[10]。以雙三相永磁同步電機為例，電機的兩套繞組在空間上相距30°電角度，消除了5次與7次諧波磁勢，大大減少了電機的轉矩脈動[11,12]。同時，雙三相永磁同步電機兩套繞組采用隔離中線設計，相比4相與5相電機，降低了系統的階次，便于分析與控制，在電機與控制器發生故障時，控制算法不需要大的更改即可實現電機系統的容錯運行控制，因此雙三相永磁同步電機也成為了新能源汽車電機驅動系統研究的熱點。
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