電驅動系統作為新能源汽車的核心部件,對于汽車的動力、經濟性、舒適性、安全性以及汽車壽命都有著重要的影響。
電驅動系統中,又以電機作為核心中的核心。電機的性能很大程度上決定了整車的性能。當前從產業化的需求來講,低成本、小型化、智能化是重中之重。
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。
一、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。
二、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:
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。
2、溫度性能更好
基于上述所言,扁線電機的內部更緊湊、空隙更少,扁線與扁線之間的接觸面積也就更大,散熱和熱傳導更好;同時繞組和鐵心槽之間接觸更好,熱傳導更好。
我們知道,電機對散熱和溫度非常敏感,散熱性提升也帶來了性能上的提升。
有實驗通過溫度場仿真,得出相同設計的扁線電機繞組溫升比圓線電機低了10%。除了散熱性能變好,包括與溫度相關的其他一些性能都能得到改善。
3、噪音更小
NVH也是當前電驅動的熱門話題之一。扁線電機能使電樞具備更好的剛度,對電樞噪音具有抑制作用。
此外,還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。
4、端部更短
端部指的是銅線在槽外的部分,槽中的銅線對于電機做功有作用,而端部對于電機實際出力并沒有貢獻,只是起到一個將槽與槽之間的線連接的作用。
傳統的圓線電機由于工藝問題,需要將端部留出較長的距離,這是為了防止在加工和其他工藝過程中損傷槽中的銅線,而扁線電機從根本上解決了這一問題。
由于銅線都是硬線,所以在加工是可以不用將端部留出一段,端部更短則能節省銅材,同時也能提高效率。
三、扁線電機缺點
看完優點,我們再來看看扁線電機目前面臨的挑戰。
當前行業人員普遍認為扁線電機概括下來有損耗高、設計難、設備難、扁線難等缺點。具體展開如下:
1、損耗高
扁線電機不可避免會遭遇“趨膚效應”——當導體中有交流電或者交變電磁場時,導體內部的電流分布不均勻,電流會趨向于集中在導體表面“皮膚”部分。
這一效應帶來的結果是導體的電阻增加,導體的損耗功率也隨之增加。在扁線電機中的具體表現為當頻率越高,扁線繞組的交流銅耗會越高。
同時該效應還和電磁設計有關,比如槽內磁密幅值、槽口高度等,也和扁銅線的尺寸有關。
2、銅線難
這里的銅線難,指的是扁線電機對于銅線的要求相對于圓線電機更高。要求其具有一定的彈性,且彎折后會有一定程度的反彈。
這一要求,就使得設計難度直線上升,同時電線的絕緣層也會因為彎折和反彈變得更易損壞,產生缺口。
而扁線中的發卡電機對于銅線要求更高,傳統扁線電機在繞組成型后可以進行包裹絕緣處理,但是發卡電機不行。
值得一提的是,日立金屬還專門為普銳斯電機開發了銅線,來解決這方面的問題。
3、設備難
扁線由于工序復雜、精度要求高,通過人工制造基本不可能實現大規模量產,必須依賴專業的高端設備,這是大規模普及的前提,也是制約其國產化的一個重要原因。
從供應商來看,目前國內這方面的設備供應商尚未達到成熟完備的狀態;而在國外,日本、意大利、德國是世界主要的扁線電機供應商國家,但其價格非常高昂。
(發卡式扁線電機制備工藝較繁瑣)
4、設計難
扁線電機由于上述幾點原因,其系列化設計非常難,其中柔性設計又是“難上加難”,非常考驗電機設計師的功力。
從設計角度來看,如果要做100kW的電機,那么會要求設計師擴展系列方案,從80-120kW這個區間內都需要進行設計。一是為了滿足潛在的需求,二是為了拉開與其他企業在設計上的差異。
而相比之下,圓線電機的設計要簡單的多:其鐵芯和槽數基本相同,不同之處在于長度和線圈匝數,系列化設計相對簡便。
四、扁線電機是必然趨勢
為什么扁線電機是必然趨勢?
我國“十三五規劃”提出,新能源汽車驅動電機的峰值功率密度要達到4kW/kg,而且這是產品級標準。
來源:科技部高新司《“新能源汽車”試點專項2017年度項目申報指南建議》
行業目前產品級的平均功率密度大約在3.2-3.3kW/kg左右。這意味著我們的功率密度至少還要提升30%。
扁線電機就是提升功率密度的解決方案之一。業界對于扁線電機趨勢已達成基本共識,背后原因就在于其潛力非常之大。
以國外車企為例,有許多知名品牌已經早早開始使用扁線技術。
比如雪佛蘭VOLT就采用了發卡扁線電機技術。值得一提的是,當時雪佛蘭的供應商雷米在2015年被汽車零部件巨頭博格華納收購,而后者正是目前電驅動技術領域的佼佼者之一。
此外,2013年尼桑在電動車也采用了日立的扁線電機;2015年豐田Prius 4也采用了日本電裝提供的扁線電機。這也使得2017年上半年Prius插混的銷量達到近2.69萬輛,排到全球第一。
五、國內布局與市場空間
除了上文所說的雷米、日立、日本電裝等知名的企業之外,國內也有不少企業正在加速布局。
此前我們也報道過,方正電機擬投資5億元,在浙江麗水投建100萬臺/年新能源汽車驅動電機項目。除了方正電機這樣的老牌企業,國內還有不少新勢力也在加快布局。
在市場空間方面,此前有業內人士分析,按2020年160萬輛新能源乘用車銷量估算,國內需求80萬套扁線電機,市場規模接近30億元;
在此之后的2021-2022年間,預計扁線電機在新能源乘用車領域滲透率將達到90%,屆時將達到288萬套的需求,市場規模也將達到90億元。
在技術要求、行業整體走向以及政策導向方面,扁線電機勢必成為新能源領域的一大趨勢,在這趨勢背后將有更多的機遇。
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