800V高压平台下,整车电池系统,充电系统,电驱系统均要向高电压平台进行开发。电机作为三电系统中的核心,其效率表现直接影响了整车的性能。而在800V架构下,电机的设计与低压平台的设计也有所不同,要求电驱系统向高效化、轻量化以及低成本化迈进。在此背景下,由扁铜线绕制而成的电机越来越受到供应商和主机厂的青睐。

扁线电机与圆线电机的区别

从字面含义上来讲,扁线和圆线电机的主要不同就在于铜线的成形方式,而实际应用时远不止于此。相比于圆线电机,相同提及下扁线电机的满槽率和功率密度都优于圆线电机,理论上来说,在空间保持一定的前提下,扁线电机可以做到70%的满槽率,填充的铜含量可以增加20%-30%,从而产生更强的磁场强度,相当于增加20-30%的功率。因此,在相同功率下扁线电机的体积更小,用材更少,成本也更低

此外,扁铜线电机导线的应力比较大,刚性比较好,对电枢噪音具有抑制作用并可设计成 相对较小的槽口尺寸,可有效降低齿槽力矩,进一步降低电机的电磁噪音,提升NVH性能。

扁线电机绕组形式

按制造工艺分类,扁线电机的绕组方式主要有Hair-pinI-pin以及连续波绕组三类。

1)I-pin绕组

I-pin绕组属于轴向嵌装绕组,直接将扁线导体轴向嵌入铁芯槽后,对两头进行扭折焊接,制造工艺较为简单,但由于焊接部位额外占用径向尺寸,尾部长,铜耗大,温度增加的同时效率也会有所降低。

2)Hair-pin绕组

Hair-pin绕组的制造工艺较I-pin绕组相对复杂,制造工艺过程中多了预成型这一步。Hair-pin绕组需要对扁铜线预成型成发卡状,另一端为焊接端,制造工艺较为困难。但由于减少了一端的焊接,整体的铜耗要低于I-pin绕组,电机效率也有一定的提升。

除了成型工艺难度外,扁线hairpin绕组的工艺困难还在于在绕组端部的绝缘处理上,以避免绕组和定子的直接接触。与此同时,为了保证结构紧凑,绕组和绕组之间的间隙要足够的小。小的间隙就会带来两个问题

(1)小间隙对工艺容差小,对气息偏小的区域容易产生匝间击穿短路问题以及隐藏的内在缺陷。

(2)匝间树脂绝缘材料的损伤问题,一般通过在绕组和绕组之间的间隙内部安装绝缘纸的方法进行处理,但工艺成本较高。

采用发卡电机的绕组在端部高度上也遇到了极限,常规hairpin绕组的端部以三角形的形式呈现,端部高度Lc受到三角形的角度 θ和间隙的限制。

目前针对绕组高度这一问题,日本电装DENSO采用了阶梯式的端部设计,减少绕组的转弯半径,使得端部高度Lc受到三角边角度θ的约束减少,更加紧凑绕组结构。而为了解决绕组间绝缘问题,DENSO在扁线基础绝缘的基础上,额外加上高分子聚合物绝缘材料,使得不同的线圈即便在接触后也能满足绝缘要求。

值得注意的是,虽然hairpin和I-pin两种绕组在最高效率和峰值扭矩上不相上下,并且I-pin的绕组工艺更为简单。但是由于焊点问题,增加的焊点所导致的失效风险也越高,因此Hair-pin绕组工艺是国内外广泛采用的工艺。目前,特斯拉22款Model 3/Y后驱已经搭载了Hair-pin绕组的扁线电机。

3)连续波绕组

波绕扁线是一种焊点少,设计灵活性高的绕组工艺,但以目前现有的线圈排布方式,主要存在以下几个问题

(1) 绕组支路不对称,导致反电势、电阻、电感存在差异,降低电机性能,同时绕组环流将增加电机的附加损耗,导致电机局部过热。

(2) 电机绕组排布困难,容易发生交叠,难以放进定子槽。

(3) 当波绕组的跨距不同时,制作过程复杂,模具投入成本高,生产难度大。

电机冷却及散热研究

800V高压平台和扁线绕组工艺的应用必将导致电机朝着高功率,高转速的方向发展。尤其在应用了Hairpin绕组的电机上,由于集肤效应和涡流产生的热损耗,不仅降低电机整体效率,电机长时间在高温环境下运行容易发生磁体退磁,绝缘材料老化以及降低变速箱等驱动单元使用寿命的问题。因此这就对电机的散热手段提出了新的要求。

电机冷却主要有风冷油冷以及水冷等三种手段,风冷由于散热效果有限,目前已有的电机鲜有采用这种冷却形式。

水冷电机是借鉴了油车中发动机的冷却方式借用冷却水和乙二醇的混合液,通过壳体的冷却回路对电机进行冷却。但是随着电机的功率密度越来越大,长需要对发热热源直接进行冷却以获得良好的散热效果,而水其本身的导电导磁特性,并且沸点低,易膨胀等问题导致现在已有的水冷技术难以满足电机高功率的需求。

油冷是现在主要应用的冷却方式。冷却油本身不导电不导磁,可以直接在电机壳体内部对齿轴、定子等进行冷却,可以起到较好的冷却效果。除此之外,通过调整冷却油的配方,还可在冷却的同时对电驱系统内部的零件起到润滑的作用。因此采用优良配比的油冷方案将成为未来电机冷却方案的主流趋势。

伴随油冷工艺的应用,与油冷相关的控制零件也逐渐成为市场的主流,因为电机冷却需要精确的温度测量和控制,一般而言对电机温度进行测量的策略是将温度传感器布置在电机外部,但这种策略方法通常不准确,无法精确且实时的反应电机内部温度。应用油冷工艺后,可直接对电机内部的油冷进行温度测量,以监控电机温度情况。特斯拉在这一方面做的较为出色,其应用最新的电子油泵专利,对驱动系统内部的油温进行检测,根据油泵系统的读数对驱动装置的状态进行分析,优化车辆的润滑系统和冷却效能。

基于上述的油冷测量,不少新势力在多合一电机技术方面也进行了智能油温测量的考虑,以华为的One-drive高转速智能油冷四驱系统为例,其计划采用喷淋式油道设计直接对齿轴等摩擦生热的零件进行冷却,获得最好的冷却效果。

结 语

800V电压平台对电机转速和功率密度都带来了更高的要求,采用Hairpin绕组的扁线电机由于其优异的满槽率,可观的功率密度,逐渐成为新能源电机的主要选择。而匹配电机散热性能而提出的智能油冷技术以及相关的多合一集成电驱,将成为各大厂商在油冷领域发展主要方向(油的配方也很重要,这里暂不赘述)

* 部分参考来源:

绕组形式对永磁电机磁热性能的影响_郑成余

电动汽车扁线油冷式永磁同步电机研究_杨宁

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