扁線電機目前在中國都比較關注，但應用比較少，主要因為新能源市場發(fā)展時間較短，主要的市場份額集中在微型乘用車市場。
國外已有成熟的扁線電機產(chǎn)品應用于新能源汽車，特別是日本及歐美企業(yè)，豐田以及通用都采用了扁線電機。
最具有代表性的便是雪佛蘭VOLT（雷米電機）和豐田普銳斯（日本電裝），均采用油冷冷卻方案。
除雷米、電裝、日立等國外供應商外，國內(nèi)有穩(wěn)定出貨量的供應商主要有華域電動、松正電機，以及即將投產(chǎn)的方正電機。
驅動電機主要由定子組件、轉子組件、端蓋和輔助標準件組成，而定子繞組中又包括鐵芯、銅線繞組、絕緣材料等組成。
扁線電機顧名思義就是定子繞組中采用扁銅線，先把繞組做成類似發(fā)卡一樣的形狀，穿進定子槽內(nèi)，再在另外一端把發(fā)卡的端部焊接起來。
▲分段發(fā)卡繞組
▲連續(xù)發(fā)卡繞組
扁線電機的優(yōu)勢
優(yōu)勢1：相同功率，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，扁線電機可以做到70%的槽滿率，填充的銅可以增加20-30%，產(chǎn)生更強的磁場強度，從某種程度上等同于增加20-30%的功率。
優(yōu)勢2：溫度性能更好。內(nèi)部空隙變少，扁線與扁線之間的接觸面積大，散熱和熱傳導更好；繞組和鐵心槽之間接觸更好，熱傳導更好；而電機對散熱和溫度是非常敏感的，散熱性變好，性能會提升。有人通過溫度場仿真，得出相同設計的扁銅線電機繞組溫升比圓銅線電機低10%。
優(yōu)勢3：電磁噪音更低。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(yōu)勢4：端部短，節(jié)省銅材，提升效率。傳統(tǒng)的圓線電機，由于工藝問題，它的端部一般留得比較長，否則很容易在工藝過程中損傷銅線。對扁線電機來說，因為線都是硬線，可以在加工的時候把端部做得小一點，與圓線電機相比減少20%的端部尺寸，空間進一步降低，可以把系統(tǒng)的體積進一步縮小，實現(xiàn)小型化和輕量化。
優(yōu)勢5：扁線電機最高效率點不一定比圓線高多少，但高效區(qū)可以進一步拓寬。
扁線電機的劣勢
劣勢1：高速集膚效應。新能源汽車做高功率密度要求往高轉速走，以前都是做一萬轉甚至是一萬二，現(xiàn)在往一萬六甚至是兩萬的方向做。需要在電機設計的過程中有一些好的方法解決掉，這是一個不好的地方。
劣勢2：銅線要求高，圓線電機銅線國內(nèi)做的廠家比較多，并且質(zhì)量做的可以非常好。能夠做扁線電機比較好的廠家不多，要求比較高，也需要大家一起共同努力把材料解決掉。
劣勢3：扁線對加工工序多，設備精度要求高，前期投入大，因為它的精度如果不高，產(chǎn)品的可靠性和一致性都會比較差。車企擔心的也是質(zhì)量的可靠性以及穩(wěn)定性。
劣勢4：系列化的設計難，電機要想把成本降低，最好是把它做到系列化，系列化的設計是目前扁線電機不如圓線電機的地方。
劣勢5：專利壁壘過多，扁線電機專利目前主要還是在歐美及日本企業(yè)里，中國企業(yè)掌握專利少，我們有專利布局，但不盡如人意。
劣勢6：扁線成型要求高和加工難度大。銅線由于具有一定的彈性，因此在設計時就必須留有變形余量。
劣勢7：絕緣涂層在烘干后會產(chǎn)生收縮形變，如果是圓線的話，收縮會比較均勻，扁線則容易產(chǎn)生損壞，導致在實際加工中，扁線的良品率遠遠低于圓線。
扁線電機生產(chǎn)工藝
發(fā)卡電機定子主要生產(chǎn)工藝流程，線成型和紙成型以及插紙，這兩個工序同步進行。進入到定子的插線工藝，然后進行扭線，扭線完成后進行焊接的工藝。焊接完成后，電機的定子基本工序完成，后面是涂敷，然后進行性能測試和驗證。這是基本的流程，中間有很多細節(jié)。
扁線電機生產(chǎn)工藝流程：插槽紙→制造發(fā)卡→穿發(fā)卡→端環(huán)定型→端環(huán)焊接→接星點→焊接處絕緣處理
扁線電機應用情況
從長期來看，小型化、高速化將是新能源汽車電機的主要發(fā)展趨勢，而小型化必然要求電機功率密度有大幅度提升，從技術要求來看，“十三五規(guī)劃”提出新能源汽車驅動電機的峰值功率密度要達到4kW/kg，而目前這一數(shù)據(jù)僅達到3.2-3.3kW/kg。
扁線繞組電機在雪佛蘭volt2、尼桑電動車、豐田第四代普銳斯等國外廠商上已經(jīng)成功應用，是我國下一代新能源汽車電機發(fā)展的必然趨勢，目前包括比亞迪、上汽、北汽、精進新能源在內(nèi)主機廠和電機生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)展開了相應的研究。
2020年之前，扁線電機對圓形電機的替代作用仍然不夠明顯。得益于扁線電機體積小的優(yōu)勢，扁線電機將優(yōu)先在混動車型上得到大規(guī)模應用，尤其是插電車型。但國內(nèi)由于政策和市場的因素，插電車型占比較低。而純電領域，目前只有上汽榮威ERX5一款車型裝配扁線電機，應用較少。
通用三代扁線電機發(fā)展歷程給我們的啟示
通用第1代扁線電機
Chevrolet Voltec，該電機采用的4ET50驅動系統(tǒng)（Chevrolet Voltec 4ET50-2011）是一款雙電機架構系統(tǒng)。其中Motor B電機為扁線發(fā)卡電機，功率110kw，轉矩370NM，轉速9500rpm，槽極比為12極72槽。
▲2011-chevrolet-volt-transmission-cutaway
該電機采用軸向插線的發(fā)卡繞組技術，也就說單發(fā)卡繞組，這種發(fā)卡繞組使得槽內(nèi)排列非常規(guī)整，從而大大提高了槽滿率，同時端部精湊型得以增強，這兩項的改進最終的效果是直流電阻下降30~40%。
雖然發(fā)卡電機能夠降低直流電阻，但是它在頻率較高時，易在繞組上感生出高頻渦流電場，產(chǎn)生集膚效應。
GM用Voltec車型作了電機工作點轉速統(tǒng)計，確定在urban2和 US06等工況下電機轉速基本在6000rpm以下，沒有超過8000rpm，也就是說扁線的低電阻優(yōu)勢得以發(fā)揮。從這個角度而言，扁線電機更適用于中低速的應用場合。
圓線繞組端部在浸漆后，成為一個實心整體，冷卻油很難滲入內(nèi)部，帶著中間層導體的熱量，容易在繞組內(nèi)部形成熱孤島。4ET50的電機中采用了端部噴油冷卻技術，因為扁線端部導體間存在較大的間隙， 噴頭出油后，直接滲透入扁線繞組端部，帶走每一個導體的熱量。扁線和端部油冷配合使用能大幅度提高散熱能力，提高功率密度。
通用第2代扁線電機
Spark是在2014年發(fā)布的，主驅是一款峰值功率105kw的電機，轉速不高只有4500rpm。其采用的技術組合是：軸向插入式扁線+雙V轉矩結構+噴油冷卻技術。
電動機的專項研究工作是由通用汽車位于底特律市郊威克瑟姆鎮(zhèn)的試驗室負責，馬里蘭州巴爾的摩進行量產(chǎn)。
純電動/增程式混動的電機運行時間遠大于全/插電混動電機，電機的轉矩和功率需求也更高。增程式混動一般選擇功率分流驅動結構，B電機作為主驅電機。
第一代雪佛蘭沃藍達的驅動系統(tǒng)所有推進動力由B電機提供，所以B電機需要滿足加速和驅動需求。一臺發(fā)卡永磁B電機和一臺集中繞組永磁A電機設計應用于早期產(chǎn)品。選擇集中繞組主要是空間限制。
然而，第二代沃藍達的車輛架構驅動需求分流給A/B電機。最終B電機的尺寸顯著縮小。由于A電機轉矩需求低，設計了一臺鐵氧體電機。
另外純電動汽車典型應用單電機驅動系統(tǒng)，因此，驅動電機傾向于大能力滿足車輛加速和驅動需求。通用第一代純電動雪佛蘭Spark電機選擇了低速IPM和小的減速比。
如果以標準圓線繞組作為基準對照， 在Voltec中圓線電阻是扁線的1.44倍，而在Spark中圓線電阻達到了扁線電阻的1.56倍。也就是說Spark扁線的電阻下降比例更大。這種進步除了和方案參數(shù)本身有關外，還受益于扁線工藝的成熟。
在Spark電機中，發(fā)卡的成型和扭曲都采用數(shù)控精密控制+模具成型，在成型過程中，不但控制伺服行程，還對作用力進行實時反饋閉環(huán)。通過這些技術手段，即保證繞組成型的精度，又能控制繞組的應力，使得每匝線圈都是質(zhì)量是完全一致的。
通用第3代扁線電機
2017年GM發(fā)布了Chevrolet Blot ,該款電機峰值轉矩360Nm，峰值功率150kW，峰值轉速8810rpm，電機的峰值電流400Arms。
減速器速比提高，電機轉速提升近2倍。轉速上升，扁線電機導體在高速時集膚效應加重，導致AC電阻增加。
Bolt的電機繞組采用的扁銅線，發(fā)卡式。扁銅線插入定子槽后，經(jīng)過彎曲、焊接成型。
優(yōu)點：
槽滿率高，傳統(tǒng)電機45%，發(fā)卡能達到70%
散熱性好，繞組之間接觸面積大，空隙小
端部短，體積小
缺點：
由于繞組線粗，高頻集膚效應明顯，銅耗增大
銅線要求高，扁銅線折彎后絕緣層容易損壞產(chǎn)生缺口或破面
由于電機匝數(shù)少，不易系列化。
加工工藝復雜
生產(chǎn)設備要求高
這里面的缺點對于通用這種大廠可能都不是問題，主要要解決的是第一條。
當車運行在高速下，定子電流的頻率很高，由于扁銅線的橫截面較大，其集膚效應會增大，從而會增大繞組的電阻，進一步增加銅耗。
Blot將每槽導體從4根增加到了6根，高速的渦流損耗得以明顯下降。
導體數(shù)增加不僅能夠提高降低渦流損耗，還能夠改善AC電阻隨轉速增加的趨勢，Spark電機在4500rpm時AC電阻就上升到超過圓線電阻的水平，而Blot提高到6000rpm才會出現(xiàn)拐點。這項提升有利于緩解扁線電機的高速劣勢。
Blot取消了槽內(nèi)線線之間的絕緣，進一步改善了槽絕緣的結構，Blot的槽絕緣由上下兩個U套構成，在兩個絕緣的交疊處，槽寬略微擴大。這種設計能大幅度降低絕緣材料使用量，將空間讓位于銅線提高功率密度。
Blot相交Spark磁鋼用量下降了30%，而功率密度提高超過50%。
小結：通用三代扁線電機發(fā)展歷程給我們的啟示
我們從上面通用發(fā)展扁線電機的三次迭代可以看出，定指標時很大膽，要求提得很高，但具體實施時缺失小步快跑，謹慎迭代，不急不躁，拒絕大躍進，保守中蘊藏進步。
例如雙V結構一直沒有改變，每次只是在細節(jié)上優(yōu)化。扁線繞組也是小步快跑，先給出一個有瑕疵的方案，然后逐步改善端部成型工藝，后又改善絕緣結構，最后解決高速AC電阻問題。
不追求畢其功于一役，每一代只解決幾個方面或領域的小問題，這是一種反急功近利的心態(tài)，沒有急著想一步到位，而是做時間的朋友，這種“日拱一卒”逐步改善的精神，當為吾輩工程師的座右銘。
