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扁線泰富西瑪電機的特點、優(yōu)點及技術(shù)性能提高

編輯:西安西瑪電機網(wǎng)絡部   發(fā)布日期:2022-05-29 17:00:09   來源:西安電機廠

內(nèi)容摘要:扁平線泰富西瑪電機具有高輸出功率。扁平線在未來將有百倍大的市場空間。據(jù)測算,2020年,扁平線電機滲透率約為10%,疊加新能源汽車滲透率約為5.4%,扁平線綜合滲透率不足1%。
扁線泰富西瑪電機的特點、優(yōu)點及技術(shù)性能提高

扁平線泰富西瑪電機一般采用4層或8層扁平線結(jié)構(gòu)。每道工序都可以通過專有設備實現(xiàn)全自動化,產(chǎn)品一致性好,生產(chǎn)效率高。然而,它對設備專用性提出了很高的要求,在經(jīng)濟上不適合小批量生產(chǎn)原型。

扁線泰富西瑪電機的特點、優(yōu)點及技術(shù)性能提高
圖1:。方正扁線電機制造廠

定子槽內(nèi)有規(guī)則布置的扁線電機繞組,槽滿率高,純銅槽滿率達到70%,提高了電機的轉(zhuǎn)矩輸出能力和散熱能力;雙V型磁鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子,磁鋼利用率高,提高了電機轉(zhuǎn)矩和效率;扁線電機定子銷端激光焊接,焊點飽滿圓潤,焊接強度高,焊接效率高,焊點一致性好。

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圖2:繞組布置圖

扁線泰富西瑪電機的特點、優(yōu)點及技術(shù)性能提高
圖3:。激光焊接中的PIN-PIN

扁線電機具有體積小、重量輕、功率密度高的結(jié)構(gòu)特點。方正設計的方線電機定子鐵芯外徑220mm,每槽8根導線,C型絕緣紙,繞組采用行星式四路并聯(lián)。中點采用母線環(huán)連接,結(jié)構(gòu)緊湊,可靠性高。

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圖4:。扁線電機尺寸

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圖5:扁線電機分解圖


扁平線泰富西瑪電機具有高輸出功率。方正扁平線電機的峰值功率為350Nm/170kW,連續(xù)功率為150Nm/65kW。

發(fā)動機的最高效率為97.5%,NEDC的平均效率大于94%。

扁線泰富西瑪電機的特點、優(yōu)點及技術(shù)性能提高

圖6:扁線電機與圓線電機效率比較


扁線電機的優(yōu)點

1、槽滿率高,通常可以達到70%以上的槽滿率。提高槽滿率可以有效地提高電機的功率密度,改善定子槽內(nèi)的散熱;

2、具有較強的散熱能力,除了減少扁線在中低速時產(chǎn)生的熱量外,由于交流電阻比圓線定子減小,鎖止槽中的熱阻也減小。這樣導熱性更好;

3、具有更強的動力和扭矩能力;扁平線電機具有更低的發(fā)熱量和更好的散熱能力。通過電磁設計,定子繞組上的熱負荷相應增加,并為轉(zhuǎn)子提供更多空間,以確保扁線定子和圓線定子的溫度。在類似情況下,增大轉(zhuǎn)子外徑以提高電機的峰值效率;

4、與圓線繞線電機相比,扁線繞線電機具有更多的低速效率優(yōu)勢,更適合中國城市道路條件下車輛的需要。

扁平線在未來將有百倍大的市場空間。據(jù)測算,2020年,扁平線電機滲透率約為10%,疊加新能源汽車滲透率約為5.4%,扁平線綜合滲透率不足1%。未來,新能源汽車將取代傳統(tǒng)的燃油汽車,扁平線電機將取代傳統(tǒng)的圓線電機。扁平電線的市場空間是普通電線的一百倍。

1、產(chǎn)業(yè)發(fā)展的動力,扁平線電機的五大優(yōu)勢

優(yōu)點1:高能量轉(zhuǎn)換效率可節(jié)省電池成本。扁平線電機可以大大提高轉(zhuǎn)換效率,降低電池成本。根據(jù)上汽綠色核心渠道評估,在WLTC工況下,扁平線電機的轉(zhuǎn)換效率比傳統(tǒng)的圓線電機高1.12%;低于全球平均值,這對應于兩個效率值之間的差異為2%;在城市工況下(低速和高扭矩),兩個效率值之間的差異是10%。根據(jù)一輛典型的500公里a級車(配備60kWh電池和150kW電機)的計算,在WLTC條件下,扁平線電機電池的成本將節(jié)省672元,在城市條件下,電池的K成本將節(jié)省6000元。

每輛自行車節(jié)省1000元的成本對汽車公司來說意義重大。以NIO為例,2021第一季度,一輛自行車的毛利為8417元,而一輛自行車的凈利潤只有-2239元。在新能源汽車和動力電池成本居高不下的情況下,降低成本是汽車制造商永恒的追求,提高發(fā)動機的工作效率是降低成本最有效的途徑之一。

銅耗的降低使扁線電機的轉(zhuǎn)換效率高于圓線電機。電機損失的能量有65%來自銅損耗,20%來自鐵損耗,10%來自風摩擦損耗,5%來自雜散損耗。當電流流過銅線時,銅損耗來自電阻加熱Q=I2R。當槽滿率較高時,相同功率的電機所需的銅線較短,內(nèi)阻減小,發(fā)熱減少,銅耗降低。

理論上,圓導線的槽填充水平一般在40%左右,而扁導線的槽填充水平可以提高到70%。由于圓導線的橫截面是圓形的,當扁平導線之間的間距較小且槽填充率較高時,導線之間不可避免地會出現(xiàn)不規(guī)則間隙。

相片

扁平線電機的高效率范圍遠高于圓線電機。對圓線電機高效率范圍的一般要求是效率大于85%的范圍之比不小于85%,稱為“雙85”。大于90%的扁線電機效率不低于90%,稱為“雙90”。電機的效率取決于速度和扭矩。城市交通中頻繁的啟停工況屬于低速大扭矩工況,是城市交通的低效區(qū)圓線電機,而扁線電機在這種情況下轉(zhuǎn)換效率更高。

優(yōu)點2:散熱性好,提高高溫性能。扁線電機具有良好的散熱性能,溫升比圓線電機低10%。扁平導線和圓形導線之間的緊密接觸改善了散熱。研究發(fā)現(xiàn),在高槽滿率下,繞組間的導熱系數(shù)是低槽滿率的150%。繞組具有各向異性導熱系數(shù),軸向?qū)嵯禂?shù)是徑向?qū)嵯禂?shù)的100倍。在溫升較小的情況下,車輛可以獲得更好的加速性能。

優(yōu)點3:功率密度高,車輛性能更強。電機性能與銅含量呈正相關。根據(jù)上汽綠芯渠道評估,扁平線電機的槽滿率提高,銅線填充量比體積小20-30%,輸出功率預計增加20-30%。國家政治層面提倡高發(fā)動機功率密度?!笆濉币?guī)劃提出,新能源乘用車的發(fā)動機功率密度應達到4.0千瓦/千克,高于目前圓線發(fā)動機約3.5千瓦/千克的水平。在當前圓線電機功率密度已進入困難模式的時代,發(fā)展扁線電機是一條必然的道路。根據(jù)Moen Electric的公告,目前領先公司的扁平線電機功率密度約為4.5kw/kg。

實現(xiàn)了發(fā)動機的智能化和輕量化。

國內(nèi)主流廠家大力推廣扁線電機,實現(xiàn)減量化。上汽ER6 8層發(fā)夾線電驅(qū)動系統(tǒng)比上一代圓線電驅(qū)動系統(tǒng)小50%。目前,華為的七合一電驅(qū)動包括:BCU制動控制單元、PDU配電單元、DCDC低壓直流電源轉(zhuǎn)換器、MCU微控制器單元、OBC車載充電器、電機和減速器。

2逐步消除應用扁線電機的障礙

扁線電機有許多傳統(tǒng)繞組無可比擬的優(yōu)點,但同時,扁線電機也有一些缺點,但總的來說,這些缺點并沒有掩蓋缺點。隨著技術(shù)的發(fā)展和滲透率的逐步提高,扁線電機應用的障礙將逐步得到解決。

應用障礙1:“趨膚效應”和“鄰近效應”明顯,高速時交流阻抗增大,轉(zhuǎn)換效率降低。趨膚效應是指當導體中存在交流電或交變電磁場時,導體中的電流分布不均勻,電流集中在導體的“表皮”部分的現(xiàn)象。鄰近效應指的是緊密相連的導體。當交流電流通過時,每個導體都處于由其自身電流產(chǎn)生的磁場中,也處于由其他導體中的電流產(chǎn)生的磁場中,從而減少每個受影響導體中的電流分布-相鄰導體影響碰撞?!摆吥w效應”和“鄰近效應”增加交流阻抗,交流阻抗增加,高速時轉(zhuǎn)換效率降低。

“趨膚效應”并不影響扁平線電機穿透率的快速增加,但工程師們已經(jīng)做出了改進:1)增加扁平線的縱橫比,間接增加扁線;2) 減小導線的尺寸,間接增加扁導線的比表面積,同時也降低了槽的充滿率,需要綜合評價;3) 采用多速變速箱降低發(fā)動機轉(zhuǎn)速,代表車型為Porsche Taycan;4) 3D打印銅線、導體尺寸和橫截面可以隨意改變,從而為繞組設計提供了很大的自由度。該解決方案在導體內(nèi)形成了電隔離結(jié)構(gòu),用于限制渦流路徑,因此電流密度限制在剩余導體橫截面內(nèi)。此外,借助3D打印,任何連接幾何圖形都可以實現(xiàn),而無需傳統(tǒng)的纏繞焊接工藝,這在短期內(nèi)無法大規(guī)模生產(chǎn)。

應用障礙2:非標準化;不同汽車制造商的設計方案不同,定子是電機設計的核心。確定定子尺寸后,導線類型和導線尺寸將在每個點發(fā)生變化。而且昂貴的工裝和模具需要定制,兼容性低,序列化難度高。同一汽車制造商或發(fā)動機制造商的設計系列化趨勢開始出現(xiàn)。以SAIC E2架構(gòu)為例。在設計的早期,考慮了共線生產(chǎn)。三臺具有不同輸出(150 kW、180 kW、250 kW)的電機適用于此架構(gòu)。所有型號基本上都是模塊化的。第三方電機的擴展也將提高系列化的難度。扁平線電機的技術(shù)門檻和初始投資門檻遠高于傳統(tǒng)的圓線電機。技術(shù)基礎薄弱的汽車制造商只能依賴第三方汽車制造商:制造商的發(fā)動機型號有限,這也正成為市場的主流產(chǎn)品。

應用障礙3:扁線泰富西瑪電機生產(chǎn)線的投資是圓線的2~5倍。扁線電機產(chǎn)品一致性要求高,技術(shù)難度大,需要投資高精度自動化伺服設備、焊接設備、發(fā)夾線成型設備和工裝工具。確定了汽車電氣化和電機扁平化的趨勢,扁平線電機逐漸成為首都的寵兒。方正汽車每年生產(chǎn)100萬臺新能源汽車驅(qū)動電機項目,總投資5億元。項目投產(chǎn)后,可增加銷售額25億元。

應用障礙4:對扁線要求高,扁線成本高,技術(shù)難度大。

加工扁線比較困難。

1) 從圓形到矩形的變化導致銅線制造和加工更加復雜。

2) 涂層難度正在增加。在扁線的R角上涂刷漆膜很困難,這里很難保證絕緣層的均勻性;絕緣涂層干燥后會收縮,扁線收縮不均勻,容易變形,需要改進,使R角處的涂層厚度變厚;

3) 扁線彎曲成發(fā)夾后,應力集中在R角,容易損壞涂層;

4) 扁線精度要求高,橫截面積扁線大,匝數(shù)小,單根線的不一致性對整體性能的影響顯著增加,扁線的一致性高,復雜的加工成本使扁線更加昂貴,這也讓扁線加工企業(yè)享受到更高的技術(shù)溢價;

5) 新能源汽車中使用的磁線直接關系到汽車運行的穩(wěn)定性,對磁線制造商的質(zhì)量控制流程、研發(fā)和工藝設計能力提出了很高的要求。合理設計,嚴格控制顏色協(xié)調(diào)、拉絲模配置、電壓控制、漆模配置、烘烤溫度、絕緣漆粘度、工作環(huán)境等多個控制點。

扁線泰富西瑪?shù)淖畲蟪杀臼且詿o氧銅棒為原料,電機的加工費價值不高。穩(wěn)定的合格產(chǎn)品供應是與汽車公司合作的關鍵。當原材料是主要成本時,汽車公司沒有動機尋求處理費較低的供應商。

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關鍵詞:扁線電機,泰富西瑪電機

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