800V高壓平臺下，整車電池系統，充電系統，電驅系統均要向高電壓平臺進行開發。電機作為三電系統中的核心，其效率表現直接影響了整車的性能。而在800V架構下，電機的設計與低壓平臺的設計也有所不同，要求電驅系統向高效化、輕量化以及低成本化邁進。在此背景下，由扁銅線繞制而成的電機越來越受到供應商和主機廠的青睞。

扁線電機繞組形式

按制造工藝分類，扁線電機的繞組方式主要有Hair-pin，I-pin以及連續波繞組三類。

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I-pin繞組

I-pin繞組屬于軸向嵌裝繞組，直接將扁線導體軸向嵌入鐵芯槽后，對兩頭進行扭折焊接，制造工藝較為簡單，但由于焊接部位額外占用徑向尺寸，尾部長，銅耗大，溫度增加的同時效率也會有所降低。

I-pin繞組

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Hair-pin繞組

Hair-pin繞組的制造工藝較I-pin繞組相對復雜，制造工藝過程中多了預成型這一步。Hair-pin繞組需要對扁銅線預成型成發卡狀，另一端為焊接端，制造工藝較為困難。但由于減少了一端的焊接，整體的銅耗要低于I-pin繞組，電機效率也有一定的提升。

Hair-pin繞組

除了成型工藝難度外，扁線hairpin繞組的工藝困難還在于在繞組端部的絕緣處理上，以避免繞組和定子的直接接觸。與此同時，為了保證結構緊湊，繞組和繞組之間的間隙要足夠的小。小的間隙就會帶來兩個問題：

小間隙對工藝容差小，對氣息偏小的區域容易產生匝間擊穿短路問題以及隱藏的內在缺陷。

匝間樹脂絕緣材料的損傷問題，一般通過在繞組和繞組之間的間隙內部安裝絕緣紙的方法進行處理，但工藝成本較高。

采用發卡電機的繞組在端部高度上也遇到了極限，常規hairpin繞組的端部以三角形的形式呈現，端部高度Lc受到三角形的角度 θ和間隙的限制。

“三角形”端部結構，高度限制

目前針對繞組高度這一問題，日本電裝DENSO采用了階梯式的端部設計，減少繞組的轉彎半徑，使得端部高度Lc受到三角邊角度θ的約束減少，更加緊湊繞組結構。而為了解決繞組間絕緣問題，DENSO在扁線基礎絕緣的基礎上，額外加上高分子聚合物絕緣材料，使得不同的線圈即便在接觸后也能滿足絕緣要求。

“階梯型”端部結構，高度限制

在扁線基礎絕緣的基礎上，額外加上高分子聚合物絕緣材料

值得注意的是，雖然hairpin和I-pin兩種繞組在最高效率和峰值扭矩上不相上下，并且I-pin的繞組工藝更為簡單。但是由于焊點問題，增加的焊點所導致的失效風險也越高，因此Hair-pin繞組工藝是國內外廣泛采用的工藝。目前，特斯拉22款Model 3/Y后驅已經搭載了Hair-pin繞組的扁線電機。

hair-pin繞組的扁線電機

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連續波繞組

波繞扁線是一種焊點少，設計靈活性高的繞組工藝，但以目前現有的線圈排布方式，主要存在以下幾個問題：

繞組支路不對稱，導致反電勢、電阻、電感存在差異，降低電機性能，同時繞組環流將增加電機的附加損耗，導致電機局部過熱。

電機繞組排布困難，容易發生交疊，難以放進定子槽。

當波繞組的跨距不同時，制作過程復雜，模具投入成本高，生產難度大。

電機冷卻及散熱研究

800V高壓平臺和扁線繞組工藝的應用必將導致電機朝著高功率，高轉速的方向發展。尤其在應用了Hairpin繞組的電機上，由于集膚效應和渦流產生的熱損耗，不僅降低電機整體效率，電機長時間在高溫環境下運行容易發生磁體退磁，絕緣材料老化以及降低變速箱等驅動單元使用壽命的問題。因此這就對電機的散熱手段提出了新的要求。

電機冷卻主要有風冷，油冷以及水冷等三種手段，風冷由于散熱效果有限，目前已有的電機鮮有采用這種冷卻形式。

水冷電機是借鑒了油車中發動機的冷卻方式借用冷卻水和乙二醇的混合液，通過殼體的冷卻回路對電機進行冷卻。但是隨著電機的功率密度越來越大，長需要對發熱熱源直接進行冷卻以獲得良好的散熱效果，而水其本身的導電導磁特性，并且沸點低，易膨脹等問題導致現在已有的水冷技術難以滿足電機高功率的需求。

油冷是現在主要應用的冷卻方式。冷卻油本身不導電不導磁，可以直接在電機殼體內部對齒軸、定子等進行冷卻，可以起到較好的冷卻效果。除此之外，通過調整冷卻油的配方，還可在冷卻的同時對電驅系統內部的零件起到潤滑的作用。因此采用優良配比的油冷方案將成為未來電機冷卻方案的主流趨勢。

基于上述的油冷測量，不少新勢力在多合一電機技術方面也進行了智能油溫測量的考慮，以華為的One-drive高轉速智能油冷四驅系統為例，其計劃采用噴淋式油道設計直接對齒軸等摩擦生熱的零件進行冷卻，獲得最好的冷卻效果。

汽車驅動電機扁線繞組換位技術

在2021年全球新能源汽車前沿及創新技術評選中，由哈爾濱理工大學申報的《汽車驅動電機扁線繞組換位技術》能有效減小環流和渦流損耗，可以省去槽部插線、端部扭轉、焊接等復雜工藝，有望成為驅動電機第三代繞組引領技術。

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前瞻性

驅動電機是新能源汽車的核心動力來源，隨著對新能源汽車輕量化、低成本、高可靠性等要求的逐步提高，對驅動電機功率密度、峰值效率、高效率區提出了日益嚴苛要求。目前的解決途徑主要集中在驅動電機磁路結構設計和控制方法上，對功率密度、效率的提高貢獻有限，繞組損耗占驅動電機總損耗一半左右，尤其當高速高頻時損耗占比更大，因此，突破汽車驅動電機的繞組設計技術不僅是提高驅動電機功率密度與效率的有效解決途徑，也是未來提高電機繞組絕緣等級與電壓等級的前瞻技術。目前，汽車驅動電機廣泛采用扁線發夾繞組，該繞組特點是在槽內沿高度方向緊密插入多根單匝銅扁線，銅扁線端部采用特殊工藝進行扭轉、焊接。由于扁線發夾繞組層數受到限制，銅扁線截面積較大，導致銅扁線中渦流附加損耗很大，加之，汽車驅動電機時常工作在高頻、高諧波工況，會引起效率降低、發熱嚴重；除此之外，扁線發夾繞組采用的槽部插線、端部扭轉、焊接工藝極為復雜，整套生產線成本高，系列化生產困難。為克服扁線發夾繞組的局限，提出了汽車驅動電機扁線繞組換位技術，該技術采用多根小截面銅扁線構成并繞換位結構，可以有效減小附加損耗，提高效率和功率密度；扁線換位繞組端部無需焊接、工藝簡單、成本低、便于系列化生產；扁線換位繞組可以實現股線一體化設計，有效提高繞組絕緣等級和散熱能力；扁線換位繞組可以進行標準化繞制，實現下線前的檢測與評估，有效提高繞組的運行可靠性。

繞組結構

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引領性

汽車驅動電機扁線繞組換位技術突破了設計、制造、檢測、評價等多維度的基礎性與前沿性瓶頸問題，其技術引領性主要體現在以下三個方面：

提出了汽車驅動電機的扁線繞組換位技術的理論體系，針對汽車驅動電機軸向短、端部短、極數多、槽數少等繞組換位的瓶頸問題，提出了基于漏電勢補償的連續換位思想，實現了定子繞組電負荷平衡、附加損耗低、效率高、全域溫升分布均勻；針對復雜換位結構，提出了三維電磁熱數值模擬方法，實現了溫升監測點的準確預判。

扁線繞組換位技術

提出了汽車驅動電機扁線換位繞組系列化產品通用的換位設計方法和設計技術。提出了基于離散積分法、等效電路網絡法、多變量多目標優化算法的通用換位設計方法，開發了通用換位設計軟件。解決了換位設計方法和設計技術的瓶頸問題，為汽車驅動電機扁線換位繞組系列化產品以及新產品的研發提供了換位設計新技術。

扁線換位繞組通用換位設計軟件

開發了多路并繞股線環流檢測系統及扁線換位繞組評測技術。傳統研究未解決扁線換位繞組的多路并繞股線緊密貼合并聯結構下的環流實驗測試難題。本技術提出了扁線換位繞組多路并繞股線環流實時測試方法、搭建了實測平臺并開發了線陣型股線電流傳感器，進而研發出了扁線繞組換位的在線評價技術和故障診斷技術，攻克了環流檢測與換位評測的難題。

扁線繞組評測技術

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顛覆性

汽車驅動電機繞組技術經歷了第一代常規圓散線繞組，第二代扁線發夾繞組的研發過程，初步實現了高槽滿率、高功率密度與輕量化。扁線繞組換位技術不但可以改變汽車驅動電機的復雜制造工藝、降低成本，而且可以突破汽車驅動電機功率密度、峰值效率以及高效率區的上限，有望替代扁線發夾繞組成為汽車驅動電機的第三代繞組。本技術顛覆了前兩代繞組股線的散線模式，全面實現繞組損耗、絕緣、散熱等多目標協同設計。

扁線換位繞組通過顛覆性的手段，實現了效率的提升，充分利用股線的并繞、換位節距的選擇以平衡每根扁銅線所交鏈的漏磁鏈，可以使得附加損耗降到最低。與圓散線繞組和扁線發夾繞組相比，可以提高汽車驅動電機的效率，尤其對于高速高頻工況，附加損耗降低效果顯著，可以拓寬汽車驅動電機的高效率區。

扁線換位繞組顛覆了圓散線繞組和扁線發夾繞組的設計方法和設計理念，扁線換位繞組的設計方案靈活多樣，沒有扁線發夾繞組層數的限制，可以根據技術需求，設計不同的繞組排列方案和換位方式。

扁線換位繞組顛覆了圓散線繞組和扁線發夾繞組的制造工藝，既兼顧了圓散線繞組繞制和下線工藝的優勢，又省去了扁線發夾繞組的槽部插線、端部扭轉、焊接等工藝過程，降低了生產成本，還可以實現股線一體化設計，為繞組絕緣等級和電壓等級的提高預留了空間。

汽車驅動電機扁線繞組換位技術解決了設計、檢測、評價等多維度的基礎性與前沿性瓶頸問題，形成了汽車驅動電機扁線繞組的換位技術體系。本技術能夠省去扁線發夾繞組的槽部插線、端部扭轉、焊接等復雜工藝過程，無需購買價格高昂的扁線發夾繞組整套生產線，大大降低了汽車驅動電機的生產制造成本；而且，與第二代扁線發夾繞組相比，能夠降低汽車驅動電機全工況的附加損耗，降低電機溫升，提高運行可靠性，有望突破汽車驅動電機功率密度、峰值效率以及高效率區的上限；本技術亦便于提高電機繞組絕緣等級，為未來汽車驅動電機電壓等級提升奠定了技術基礎。因此，本技術必將成為汽車驅動電機第三代繞組的引領技術，無論從生產制造成本還是技術的前沿性角度，該技術均具有很好的推廣價值和社會經濟效益，是未來汽車驅動電機繞組的必然選擇。

審核編輯：黃飛

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