一、扁线电机发展历程
2007年，雪佛兰VOLT采用Hair-pin发卡扁线电机
2013年，NISSAN在电动车上采用了扁线电机
2015年，丰田第四代Prius使用了扁线电机
2015年，蔚来汽车XPT永磁同步电机是中国第一个采用扁线技术的汽车驱动电机产品
2017年，荣威ERX5搭载Hair-pin电机
2017年，比亚迪完成6层扁线电机设计，2018年实现产业化
2020年，上汽荣威ER6搭载了上汽自主研发的第二代扁线电机
二、扁线电机优劣势分析
扁线电机的优势：
（1）更高的效率：与圆线电机相比，扁线电机裸铜槽满率可提升20%～30%，有效降低绕组电阻进而降低铜损耗
（2）更高的功率密度：相同体积下，扁线电机相较圆线电机可以塞进更多的定子绕组，在相同损耗下发卡电机可以输出更高的功率和扭矩
（3）更强的散热能力：相对于圆线电机，扁线电机扁线形状更规则，在定子槽内紧密贴合，与定子铁心齿部和轭部更好接触，降低槽内热阻，热传导效率更高，进一步提升电机峰值和持续性能
（4）更好的NVH表现：相对于圆线电机，扁线绕组有更好的刚度，另扁线绕组是通过铁心端部插线，不需要从槽口嵌线，可以选择更小的槽口设计，具有更低的机械噪声和电磁噪声
具体案例：
博格华纳（原雷米电机）将普通散嵌绕组改成发卡电机后，发现具有明显的性能优势：
增加了27%的转矩
增加了37%的功率
减少了22%的安装空间
减少了13%的重量
2500rpm～10000rpm范围内效率超过93%
扁线电机的不足：
（1）交流损耗问题更加明显，尤其在高速运行时
（2）绕组成型要求高，加工难度大，设备投资高
（3）专利保护
（4）系列化设计调整难度大
四、绕组层数对性能的影响
以8极48槽电机为例，定子和转子槽型保持不变，电压为350VDC，设定电机转速、扭矩要求相同，绕组层数分别为4层和8层，分析电机的温升和效率。
同等输出性能的情况下，720VDC电压平台的电机效率和温升与350VDC的表现基本一致
五、扁线电机的冷却设计
驱动电机的冷却方案包括：机壳冷却、端部冷却、转子油冷和槽内直冷等技术。
（1）丰田Prius采用了端部油管喷油冷却方式，通过改变喷油速度和喷嘴数量实现冷却优化
（2）本田i-MMD采用转子甩油方案，通过空心轴将油液注入高速旋转转子，利用离心力将油液甩至绕组端部
（3）Tesla和Lucid均采用定子铁心开槽或开孔方案，通入ATF油对绕组端部进行冷却
（4）英国谢菲尔德大学提出将扁线绕组导体中间挖空，形成绕组直接液冷通道的冷却方案，但空心导体在成型过程中，容易造成弯折位置堵塞
六、扁线电机的绕组绝缘
800V平台对铜线绝缘涂层的要求越来越高，部分趋向于绝缘涂层在满足高PDIV的同时又具有耐电晕功能，部分厂家对耐电晕PI漆的开发使耐电晕功能和高PDIV功能结合成为可能。
新能源汽车电机定子绕组绝缘工艺主要有常压连续沉浸、滴浸、真空浸渍（含VPI）、电加热浸漆等。
▲电机定子绝缘处理工艺流程
本田i-MMD驱动电机所用的日本古河电工研制的耐电晕线采用了内部漆包层和外部挤压层两层绝缘结构，挤压层材料为聚醚醚酮（PEEK）树脂，耐温240℃，漆包层材料为耐温220℃的聚酰胺酰亚胺（PAI），两层材料的组合实现更高的PDIV和更优的导热性能。
初始放电的准确测量有利于绕组匝间电压和绝缘性的评估和预测，同时也可以指导不同耐高温和耐高压绝缘材料的研发和应用。
七、扁线电机的交流损耗
产生机理：
导体通入交变电流或处在交变磁场中时，会引起涡流效应，单根导体会产生集肤效应，而两根相邻的导体之间会产生邻近效应。
利兹扁线绕组在高频段损耗最低，但低频段损耗最高，而实心扁线绕组与之相反。
抑制方法：
（1）导体远离槽口设计：使导体规避槽口漏磁场作用，但是降低了电机槽满率，不利于电机功率密度的提升
（2）增加导体层数
（3）分割绕组，也即不等面积绕组，增加层数和分割绕组设计的本质是减小了导体径向尺寸，对切向漏磁场产生的交流损耗有抑制作用，但对径向漏磁场无效
（4）股间换位利兹扁线绕组：可以有效抑制高频情况下的电机绕组损耗，但增加了工艺难度，同时股间绝缘的存在降低了槽满率
（5）混合绕组：混合换位绕组在保证较高槽满率的前提下，在槽口处采用股间换位利兹扁线，而在其他层仍采用传统实心扁线，具有宽频域低损耗特点
八、扁线电机的工艺制造
▲扁线电机绕组的主要工艺形式（来源：刘平宙 《新能源车扁线电机技术浅析》）
Hair-pin电机生产工艺流程：插绝缘纸→发卡成型→插线→端部分离（扩口）→扭头→焊接→滴漆（涂粉）→电测
需要将导线制作成发卡形状，通过自动化插入到定转子铁心槽内，然后进行端部扭头和焊接。
相对于圆线电机，扁线电机绕组制造过程相对较为复杂，无法进行手工制造，自动化要求较高。
高压800V电机扁铜线成型过程挑战：
（1）超厚漆膜带来的端部去漆问题，尤其是高PDIV产品的PI结构，激光去漆装置的功率如何满足、机械去漆的漆膜粘附及刀头寿命问题
（2）焊接工序热量残留，造成漆膜起皮、发黑、鼓包等问题
（3）模具工装精度问题，由于模具工装适配性对漆包线绝缘漆膜造成挤压伤、擦伤等外力损伤问题
（4）发卡线成型R角延展变形导致的漆膜拉伸开裂问题
九、扁线电机面临的技术挑战
（1）扁线绕组技术：增加层数可以使高速交流损耗降低，但层数多导线薄散热能力减小，目前可行的方案集中在6层（比亚迪）、8层（上汽/吉利/纬湃科技）、10层（特斯拉）三种。但层数越多加工难度越大。
（2）电机绝缘与PDIV：更高的功率、更快的速度、更高的电压、更高的工作频率，可能导致电机绕组形成局部放电，给电机绝缘设计提出更高要求，在800V高压架构下，如何分析电机局部放电现象并提高电机绝缘局部放电起始电压（PDIV）是扁线电机研发的重点之一。可以选择增加绝缘厚度，但新的绝缘材料、绝缘工艺（如气泡漆包线）、以及电机加工过程中更好的工艺水平更有利于问题的解决。
（3）电机的冷却：油冷可直接接触热源，且对电机磁路无影响，散热效率更高。扁线电机主要热量集中在绕组端部，对端部喷油冷却能更好地实现散热。目前较为普遍的是水冷与油冷结合的混合冷却方式。另外新的传热性能更好的绝缘材料开发对提高电机散热能力也很有帮助。
来源：驱动视界
