杨晶晶 陈维春 张强

摘 要：随着新能源汽车电驱系统的发展，对于车用驱动电机的功率密度、效率等性能提出了更高要求。而发卡绕组永磁同步电机因其相比于传统圆线绕组电机有更高的槽满率，其在功率、效率、体积等方面均具有优越性，符合新能源汽车领域的发展需求。本文将针对车用发卡绕组永磁同步电机的发展现状进行综述性介绍，主要涉及国内外行业现状、电机特点，并结合其特点进行研究现状总结。

关键词：永磁同步电机;发卡绕组;槽满率;新能源汽车

0 前言

车用永磁同步电机经过多年的研究发展，在新能源汽车电驱系统的小型化、集成化、高功率密度等发展需求下，随着生产工艺技术进步，电机绕组已由圆铜线设计逐渐向发卡绕组设计发展。为进一步提高电机的效率和功率密度，扁线绕组的发卡电机将取代统圆线绕组电机，满足新能源汽车市场需求。采用发卡绕组，可以增大电机绕组槽满率，从而提升电机效率和功率密度，但其存在生产工艺较复杂、对铜线要求高等缺点和发展限制。下面将对车用发卡绕组永磁同步电机（下文简称为发卡电机）进行综述介绍。

1 国内外行业现状

在2010年之前，国外已有公司研发生产的发卡电机投入量产车使用，并申请专利进行保护。早在2007年，雪佛兰Volt车型上已搭载雷米公司研发生产的发卡电机;日本HITACHI公司研发的发卡电机在2013年被搭载到日产的电动车Leaf;2015年丰田发布了第四代普锐斯车型，其搭载了来自电装的发卡电机;汽车零部件供应商博格华纳，在2015年收购了雷米公司，从而获得其驱动电机研发技术和生产能力，并与其电驱动减速箱eGearDrive进行匹配整合，成为了电驱动桥eDM模块;2019年保时捷Taycan上市，其搭载了最大扭矩550Nm、最高转速超过16000rpm的高性能发卡电机，并搭载了两档双离合器变速器。总体看来，发卡电机技术由国外车企率先发起应用，并且在新能源驱动电机市场取得了良好的示范效应。

对于国内发卡电机技术的发展，首先企业需要面对专业壁垒问题，上述海外企业已拥有成熟量产化的发卡电机技术，但核心专利掌握在雷米、电装等少数几家企业手中;另外，生产制造环节仍需要依靠部分国外技术支持，电机自动化生产方案的成本在技术自主化成熟前难以控制。在2014年上汽捷能和华域电动负责联合开展发卡电机相关研究，是国内最早量产发卡电机的企业，并在近兩年于荣威ERX5等上市车型搭载，且表示将在2020年左右发布其第二代搭载发卡电机的电驱动系统。2019年宗申新能源动力公司所研发的发卡电机已通过专家学者评审并随后展开试产试销工作。天津松正汽车技术公司在2019年发布了其系列化发卡电机，可应用于商用车、物流车、乘用车等多种车型。同年长城汽车控股的零部件公司蜂巢易创在德国法兰克福车展展示了自主开发生产的搭载发卡电机的电驱动集成系统。2018年长沙华锐机电公司用于发卡定子生产的设备投入批量生产，该设备可满足发卡绕组的可靠自动化生产。2018年巨力自动化公司我国第一条发卡电枢的自动化生产线完工投入生产使用，填补了国内空白。

从上可见我国发卡电机行业起步较晚，正处于逐渐成熟的发展阶段，需要面对国外企业的专利保护影响，还需经过不断的技术攻克和追赶。面对与海外企业的激烈竞争局面，电机研发与生产技术相关的企业、高校等，在电机性能、电驱集成、制造工艺等方面仍有较大发展提升空间。

2 发卡电机特点

发卡电机主要结构如图1所示，发卡电机与传统永磁同步电机在结构上主要区别为定子组件，其采用发卡（Hair-pin）绕组取代传统圆线绕组设计电机，如图2所示，是指在驱动电机定子绕组采用形状与发卡相似的扁铜线代替传统的细圆线的一种技术。这样的绕组结构让电机在性能表现上有大提升。

发卡电机的优点反映到整车上，其能提供更优越的加速性能、更好的节能效果、并且噪音更小，可提升整车性能。下面分别综述介绍了发卡电机的优点。

1）功率密度高：由于圆线变成扁铜线，在绕组空间不变的前提下其铜的槽满率可以提升超过20%，达70%左右，如下图3所示;另外传统的圆线电机，为了避免生产过程损伤铜线，绕组端部高度一般留得较长，而发卡电机因为绕组为成型的扁铜线，可以在加工的时候把端部做得更短，端部高度更低，体积减小且可节省铜材。因此相同功率需求下，电机的体积可以更小，用材更少，从而实现轻量化，提高功率密度。

2）效率更高：电机的铜耗约占电机损耗60%以上。绕组槽满率的提升相当于导线变粗，增加了单匝绕组的截面积，根据导体电阻和横截面积成反比的关系，导线电阻下降，而电机铜耗与绕组电阻（不考虑涡流损耗情况下）成正比，因此电机在相同设计需求下，铜耗更低，其最高效率可提升1%。

3）温度性能好：由于定子绕组每匝间空隙更小，绕组扁铜线与铁芯槽接触面积变大，且因为导线电阻变小，所以在相同设计需求下，散热能力更好，发热量更小，相同设计的发卡电机绕组温升比圆铜线电机低5-10%。但必须指出，在功率密度要求提高后，电机体积更为紧凑，对电机热管理系统的性能需求更高。

4）振动噪声低：发卡绕组在槽内和端部的一致性较圆线更好，且槽口尺寸因为采用发卡绕组可以更小，使得定子具备更好的刚度，且降低了齿槽力矩，可减小振动和抑制噪声。

尽管发卡电机在性能上拥有如此多有点，但其也存在一些缺点与发展限制。

1）工艺复杂：发卡电机的生产工序较为复杂且精度要求高，无法通过人工制造来实现量产化，因此前期生产线投入较大。发卡定子的自动化制造工艺流程包括插槽纸、制造发卡、穿发卡、端环定型与焊接、焊接处绝缘处理等。目前国内生产设备如上一章所述，仍处于刚起步阶段，必须摆脱对国外供应商的依赖，才能降低生产成本，这是大规模普及的前提。

2）趋肤效应大：由于发卡铜线的导线截面积较大，当电流频率变高，电流的趋肤效应会使地电流集中在导体表面，造成绕组的交流铜耗上升，从而降低效率。

3）铜线要求高：发卡绕组成型需要对带有绝缘层的扁铜线进行折弯，不像传统绕组在成型后进行包裹处理，因此在成型过程中绝缘层容易被损坏，这对铜线质量提出了更高的要求。

从长期来看，发卡电机是未来车用驱动电机的发展方向。其具备功率密度高、效率高等优势的同时，也同样存在劣势，比如设计选型与工艺制造难度等。可见专业制造设备、生产工艺等痛点成为了发卡电机产业化的壁垒，这也是其尚未实现大规模应用的原因。针对上述发卡电机的劣势与发展限制，海内外学者开展了对发卡电机的针对性研究。

3 发卡电机研究现状

关于发卡电机的研究主要针对上一章所述三个主要缺点和发展限制问题展开。研究内容主要围绕着下列几点：

1）损耗特性研究。发卡电机由于采用扁铜线，在大电流工况会受趋肤效应影响，引起铜耗上升。为了探究趋肤效应对发卡电机总能耗的影响，研究用驾驶模拟的方法进行电机试验评估电机在驱动工况中能量需求，并量化了发卡绕组由于趋肤效应而耗散的额外能量来进行损耗特性研究。有学者研究损耗特性优化绕组结构或提出改进设计，可通过计算扁线几何尺寸和发卡间连线（串并联）方式相关的附加损耗，结合电磁耦合仿真软件分析，提出的选型方案降低电机损耗。另外，研究中设计自动选型分析软件，分析不同的极数和槽数组合生成的绕组配置，考虑各个配置的损耗特性和连接方式优缺点，对绕组配置进行选型，提高电机效率。

2）绝缘性能分析。发卡绕组采用漆包铜线，绕组在生产过程中需要经过成型、插线、扭头、焊接等复杂工艺，因此有必要对漆包铜线的绝缘性能展开研究，分析和提高其绝缘性能。研究提出了结合新型发卡绕组特点的瞬态电压模型，可用于分析优化绕组绝缘层设计;文献量化绕组漆包线的局部放电行为，分析绝缘层的绝缘性能;另外为分析绕组生命周期內绝缘性能，学者考虑绕组所受的机械应力和热应力，进行老化测试来评估发卡绕组的绝缘性能。

3）加工工艺研究。虽然发卡绕组生产工艺复杂，但经过工艺流程优化，当产量达到一定规模时，每个定子绕组的生产成本下相比于传统的圆线绕组更低，表明发卡绕组更适合用于规模化生产。绕组中的每一个扁铜线经过折弯等成型工序后，安装到定子上焊接组成绕组，因此铜线成型和焊接工艺的质量和生产效率备受关注。为快速检测发卡铜线成型后的表面缺陷和大量焊接点的焊接质量，可以结合机器视觉和机器学习的缺陷识别方法，提高检测效率和降低检测成本。另外，有研究提出如何应用激光焊接工艺来提高发卡绕组生产效率和焊接质量。

4）热管理方案研究。发卡电机具有高功率密度特点，同样功率需求的电机体积更小，这意味着对电机的热管理系统要求更高。除了传统风冷和水道式液冷方案的优化，学者根据发卡电机的特点提出了新型的冷却方式方案。研究针对发卡电机端部一致性高的和发热量大的特点，进行绕组端部的喷油冷却试验，对不同喷油量、喷油角度等因素的冷却效果，给出了实际工程应用的建议;有学者探究选用空心扁线直接内部冷却方式，结果表明尽管冷却性能优异但空心扁线绕组在高频工况时会有更高的电机损耗，且导线材料因内部施加冷却所受张力更高，影响耐久性。

综上，关于车用发卡绕组电机研究相关论文均集中在近5-8年，研究内容可以归纳为研究损耗特点优化绕组设计参数、分析与提升绕组绝缘层的绝缘性能、提高绕组生产的效率和工艺质量以及结合绕组特点提出新型热管理方案研究。

4 总结

车用发卡电机已率先由国外企业发起应用，已有成熟供应商，早在5到10年前已在丰田、通用等品牌的多款车型搭载。而目前国内车用发卡电机市场仍在起步阶段，除了上汽集团已搭载应用外，其他车企尚未进行大规模搭载，其工艺、材料等配套供应仍在发展阶段。技术层面，发卡电机具有高效、高功率密度的特点，但国内相关研发和制造产业尚未成熟，面临着设计、量产等方面的挑战，由此带来前期投入成本较大的问题，但不可否认的是车用发卡电机行业极具发展潜力，在市场渗透率提高后，发卡电机将能降低整车成本并提升车辆动力性和经济性，从而提高新能源汽车的市场竞争力。

参考文献：

[1]霍从崇.扁线电机的发展和市场应用[J].智能网联汽车，no.01，p.69，2019.

[2]李秀超.铜扁线表面缺陷识别的设计与实现[D].硕士，大连交通大学，2013.

基金项目：昆明理工大学人才培养项目（KKSY201765024）

作者简介：杨晶晶（1988-），男，湖北钟祥人，博士，讲师，硕士生导师，主要从事机电一体化方面的研究工作。