一、 前言
驱动电机作为电动汽车核心动力源,需要满足高功率密度、高效率、高可靠性和轻量化的设计要求。美国能源部2025 计划指出将驱动电机的功率密度从2020 年的1.6kW/kg 提升至5.7kW/kg。由此可见,发展高性能驱动电机已成为新能源电动汽车的重点关注方向,对国民经济发展和保护环境具有重要意义。
众所周知,定子绕组是驱动电机的动力心脏,通常指由多个线圈或者线圈组通过不同的绕制方式构成的对称电路连接回路。而定子的绕组方式有扁线绕制和圆线绕制两种,扁线绕制的槽填充率可以达到60%以上,而圆线只有40%左右,因此在效率、功率密度、成本和噪声等方面表现更加优异,近年来在电动汽车驱动电机中得到越来越广泛的应用。
同时,为了提高功率密度和续航里程,驱动电机转速不断增加,电驱动系统母线电压等级不断提高,由600V 提升至800V,甚至有的车企开始规划900V 以上电压平台,这些因素的叠加都对扁线绕组带来了更多挑战。
二、 扁线绕组拓扑结构与设计
1、 扁线绕组结构与分类
按结构不同,电机扁线绕组通常被划分为叠绕组、Hair-pin、I-pin、X-pin以及连续波绕组等五种类型。这些不同形式的扁线绕组在线圈形状、焊接结构以及定子嵌入方式上各有特色,具体细节如下表所示。在装配工艺上,这些绕组展现出显著差异。叠绕组常用于大型发电机中,而Hair-pin绕组,因其形状酷似“发卡”,亦称“发卡绕组”,是目前最为普遍且制造工艺成熟的扁线绕组形式。它被广泛应用于丰田Prius 2017、Tesla Model Y、BMW i7等车型,得益于现有的成型与焊接设备,能够满足其批量化生产需求。Hair-pin绕组与其他扁线绕组在槽内的结构相似,但端部长度的差异主要源于端部焊接工艺的不同。对于“pin式”扁线绕组,如I-pin和X-pin,它们通常是将一匝线圈轴向插入槽内,随后在端部进行换位与焊接,因此需大量焊点来维持线圈间的电气连接。特别是I-pin和X-pin绕组,因两端均需焊接,焊点数量几乎是Hair-pin的两倍。值得注意的是,Hair-pin和I-pin均采用直线延伸段的焊接工艺,导致端部较长。不过,I-pin绕组由于不存在成型端的应力回弹问题,槽内导体间隙更小,从而提高了槽满率。据相关数据显示,Hair-pin绕组的槽满率为69%,而I-pin绕组则能达到74%。作为I-pin绕组的改进版,X-pin通过优化端部线型,显著缩短了端部长度,较I-pin绕组缩短了27mm。目前,该绕组已应用于广汽埃安的驱动电机中。至于连续波绕组,它在嵌入定子前即已完成成型,几乎消除了焊点需求,但要求沿径向嵌入槽内,这对定子铁心设计提出了开口槽的要求,此类设计齿槽转矩较大,且绕组自动化成型装置较为复杂。2、扁线绕组设计原则
扁线绕组因其导体截面较大,易受高频涡流效应和电枢反应影响,导致各层及不同极相槽内导体电流密度分布显著不均,进而产生阻抗差异。为防止支路间环流,扁线绕组设计需遵循以下换位原则:若并联支路数a=1,则要求单一支路必须遍历每个极相槽内的所有导体层。当并联支路数a大于1,且每极每相槽数q大于1时,在满足上述条件的基础上,还需确保各支路中的导体数量相同。尽可能保持绕组端部长度一致,减少不等跨距绕组的数量,以优化整体性能。
目前,扁线绕组电机普遍采用分布式绕组结构,其中q值通常为2或3。q值越大,反电势的正弦度越佳,如Tesla Model系列即采用了6极54槽的设计方案,但这也伴随着绕组端部长度的增加和嵌线难度的提升。相比之下,丰田Prius系列和BMW i系列等则选用了q=2的方案。
由此可见,扁线绕组是一种采用复杂换位结构的绕组形式,匝间导体需要结合端部焊接和成型技术组成连续线圈。通常支路间需要采用母排(BusBar)插接方式实现电气连接,BusBar 结构需满足高强度、耐高温和高压的设计需求。
三、扁线绕组交流损耗问题
当导体通入交变电流或置于交变磁场中时,会触发涡流效应。单独导体将展现集肤效应,而相邻的两根导体间则会产生邻近效应。然而,在实际电机中,槽内的漏磁场构成复杂,融合了电枢磁场与转子磁场分量。遗憾的是,多数绕组损耗的解析计算模型常忽略转子磁场的作用,导致损耗计算精度受限。如图所示,在相同幅值和频率的电枢电流条件下,展示了有无转子磁场时导体电流密度的分布情况。观察发现,转子永磁磁场对槽口漏磁场有显著影响,引入了大量径向分量,进而使得导体电流密度在径向与切向的分布均呈现不均匀状态。进一步研究表明,当槽口尺寸较大时,转子磁场作用下的损耗甚至可能超过定子电枢磁场所引发的损耗。因此,在评估扁线绕组交流损耗时,转子磁场的影响不容忽视。
从拓扑结构的角度审视,当前抑制扁线绕组交流损耗的主要策略包括:增加导体层数、采用导体远离槽口设计、实施分割绕组(如不等面积绕组)、应用股间换位利兹扁线绕组,以及混合绕组等方法,具体如表所述。以美国Tesla在2019年Model Y系列车型中采用的10层扁线绕组为例,尽管层数可多达10层,但多层设计却对槽满率构成挑战,增加了制造复杂度与成本。增加层数和分割绕组的策略,核心在于减小导体径向尺寸,有效抑制切向漏磁场引起的交流损耗,但对径向漏磁场则效果有限。远离槽口设计虽能避免导体受槽口漏磁场影响,却牺牲了槽满率,对电机功率密度的提升不利。股间换位利兹扁线绕组在抑制高频损耗上表现显著,然而,其工艺复杂度提升,且股间绝缘降低了槽满率。混合换位扁线绕组则在保持较高槽满率的同时,于槽口采用股间换位利兹扁线,其余层则保留传统实心扁线,实现了宽频域内的低损耗特性。然而,随着绕组拓扑复杂化,制造工艺难度攀升,如何控制成本成为亟待解决的问题。
下表列出了五种主要绕组结构,在维持槽型及单层绕组尺寸不变的前提下,以6层(匝)导体为例进行说明:包括传统常规等截面扁线绕组、传统圆线绕组(含股间换位,亦称利兹扁线),以及三种为规避槽口漏磁场而在近槽口两层采用分割与换位结构的绕组。鉴于矩形导体结构不利于股间编织换位,研究人员提出了一种创新方案——利兹-实心变截面换位扁线绕组,即将槽口实心扁线替换为利兹扁线,以简化换位工艺。
值得注意的是,利兹扁线绕组在高频段损耗最低,低频段则相反;实心扁线绕组特性相反。采用径向或切向分割变截面换位扁线绕组虽能同时抑制高频与保持低损耗,但在宽频域内的损耗抑制效果仍不及利兹-实心变截面换位扁线绕组。在工作频率为1200Hz时,扁线绕组的交直流损耗比高达10.2,而利兹-实心变截面换位扁线绕组则仅为2.12,表现出显著的优越性。
综上所述,现有扁线绕组交流损耗抑制方案的核心技术特点是通过分割槽口导体及实施股间换位来实现的,其根本目的在于有效抑制靠近槽口区域的扁线绕组损耗。这一方法不仅确保了较高的槽满率,还实现了宽频域下的低损耗设计目标。然而,随着扁线绕组结构日益复杂化,解决这类绕组的加工工艺难题,已成为其成功应用与推广的关键所在。
四、扁线绕组电机热和冷却问题
受限于散热机制,传统机壳水冷技术在圆线绕组应用中,其温度最高点常出现在绕组终端。然而,扁线绕组在高频工作条件下,槽内导体的能量损耗并不均匀,特别是在槽口位置,损耗最为严重。值得注意的是,通过在绕组末端实施喷油冷却,显著降低了该区域的温度,但这也揭示了槽口侧成为新的高温集中区域。为应对扁线绕组电机的这一独特温度分布,可采取两方面的策略:一是利用主动损耗控制技术,减少热源的热量输出;二是通过精细的冷却布局设计,强化对槽内局部高温点的散热效果,从而不仅提升了绕组的热负荷能力,还促进了电机整体功率密度的增加。
2、油冷方案
丰田Prius创新性地引入了末端油管喷射冷却机制,该机制通过精细调控喷油速率与喷嘴布局,实现了冷却效率的显著提升。相较之下,本田iMMd则采取了旋转离心润滑技术,其核心在于利用空心轴将润滑油液直接注入高速旋转的转子内部,借助强大的离心力作用,将油液有效分布至绕组末端,实现高效散热。Tesla与Lucid两大品牌则不约而同地采用了定子铁芯的开槽或穿孔设计,通过引入ATF(自动变速箱油)直接对绕组末端进行冷却,展现了不同的技术路径。我国比亚迪DM-i、上汽智己L1、华为DriveONE等电机产品亦紧跟油冷技术潮流,采用类似方案。然而,这些油冷系统的一个共性挑战在于ATF油的质量控制,因为它们不仅需要作为冷却介质,还需在精密齿轮系统中承担润滑重任,对油品纯净度提出了极高要求。尤为复杂的是,扁线绕组在末端焊接过程中产生的高温易导致绝缘材料降解,形成碎屑污染油液,这些污染物一旦随冷却系统循环至齿轮箱,将严重威胁齿轮系统的健康与整体可靠性。因此,探索绝缘材料与ATF油的完美兼容方案成为了亟待解决的技术难题。此外,冷却油对高速旋转部件的阻尼效应也是油冷电机设计中不可忽视的一环,如何有效平衡冷却与减阻成为另一大技术挑战。
面对驱动电机功率密度提升带来的绕组电负荷激增及温度分布不均的挑战,特别是扁线绕组槽内的局部过热问题,直接槽内冷却技术应运而生。该技术现阶段多聚焦于分数槽集中绕组电机,因其绕组布局允许在槽内预留足够的空间用于冷却通道的布置。相比之下,整数槽分布式扁线绕组电机的槽内空间利用率高,直接冷却实施难度增大。为突破这一限制,研究者们提出了多种解决方案。美国马奎特大学的研究团队通过热管与3D打印技术的融合,创新性地实现了扁线绕组的空心化设计,并成功应用于电动飞机的高性能驱动系统中,达到了20kW/kg的高功率密度。英国谢菲尔德大学则探索了扁线绕组内部挖空的直接液冷策略,尽管制造过程中面临空心导体易在弯折处堵塞的难题。意大利拉奎拉大学的研究则聚焦于冷却布局的优化,其实验结果显示,将冷却水路巧妙布置于槽口附近,同时保持槽深设计不变,能够更有效地降低温升,增强电机在高速工况下的性能表现。
从现有车用驱动电机的几种典型冷却方式来看,机壳水冷方案在上一代电机中应用普遍,技术相对成熟,但其对绕组局部热点的冷却效率有待提高。而扁线绕组端部油冷方案,凭借其高效冷却的优势,已被新一代电机广泛接纳,然而它对于槽内局部热点的冷却效果并不理想,且存在易受焊接时绝缘碎屑干扰等问题。相比之下,槽内冷却与绕组直接冷却方式,因其更高的冷却效率,正逐步成为高功率密度驱动电机分布式冷却的重要发展方向。特别值得注意的是,对于采用整数槽分布式扁线绕组的驱动电机,其槽内空间有限,空心导体或浸油冷却技术有望成为解决这一难题的备选方案。然而,复杂的冷却结构设计是实现分布式冷却的难点所在。为此,结合先进材料与3D打印工艺的绕组直冷技术,亟需进一步的研究与探索,以期突破现有技术瓶颈,提升驱动电机的整体性能。
五、未来发展
1、车用驱动电机高速化加剧了扁线绕组中的交流损耗问题,因此迫切需要研发具有宽频域低损耗特性的新一代扁线绕组拓扑结构,如变截面扁线绕组及分段式混合换位扁线绕组等。基于整车实际工况,需开展宽频域绕组优化设计,旨在提出在整车工况下损耗最小的下一代扁线绕组方案,以实现驱动电机的高效率与高功率密度目标。然而,随着绕组结构的日益复杂,其制造工艺问题已成为阻碍其进一步发展的关键挑战。
2、高损耗密度及其不均匀分布在扁线绕组槽内靠近槽口部位引发局部热点,提升了绝缘热应力水平,进而对电机可靠性构成威胁。相比传统机壳冷却方式,槽内冷却与绕组直接冷却展现出更高的冷却效率,这已成为高功率密度驱动电机分布式冷却的显著特征之一。空心导体或浸油冷却方式有望进一步提升车用驱动电机扁线绕组的功率密度。此外,将先进材料与3D打印工艺融入绕组分布式直冷技术中,仍需深入探索与研究。
3、在SiC逆变器高频高dv/dt激励条件下,扁线绕组的匝间绝缘电压应力水平显著提升,导致绝缘面临初始放电的风险。为降低匝间电压应力、提升扁线绕组可靠性,从而确保绝缘安全,需从绕组结构优化与绝缘增强设计两方面入手。具体而言,应进一步深入研究扁线绕组匝间电压应力的高精度计算方法,同时考虑电、热、压力等多因素综合作用下的初始放电测量技术。此外,探索新型低电压应力绕组换位拓扑结构及研发耐电晕、耐热、耐油的新型绝缘材料也至关重要。最终目标是开发出适用于未来800VDC及以上高电压等级车用驱动电机的高可靠性扁线绕组。
4、3D打印制造技术为新型复杂结构的扁线绕组制造提供了有效解决方案。然而,这些电机绕组及其绝缘材料的设计不同于传统结构件,它们需兼具高导电率、高导热率和高介电能力等特性。因此,将3D打印技术融入此类新结构绕组的制备流程中,并实现低成本、标准化的生产,仍面临诸多挑战。尽管目前大多数3D打印绕组仍处于样件研发阶段,但可以预见,未来高功率密度、高可靠性的扁线绕组技术有望通过3D打印技术得以实现。
注:文章中引用数据和图片来源网络
meko@mekorp.com
Tel: +86-512-57176128
Fax:+86-512-57176129