同花顺-圈子

　　The following article is from 雪域资本 Author 研究中心

　　近年来，特斯拉、广汽、蔚来、比亚迪、吉利、上汽等相继采用扁线电机。2017年上汽在国内首先使用扁线电机，2021年比亚迪发布了一款150千瓦级，应用扁线发卡绕组技术的“3合1”电驱动总成，已配备比亚迪秦Plus DMI；特斯拉Model 3与Model Y也于2021年4月开始陆续搭载扁线电机。

　　图1：换装扁线电机车型

　　为什么头部车企纷纷换装扁线电机？相对于传统的圆线电机，扁线电机究竟有什么优势？

　　驱动电机，新能源汽车的三大核心部件之一

　　驱动电机是新能源汽车的三大核心部件之一，替代传统汽车的发动机和发电机作为电动汽车的主要执行机构，其特性决定了爬坡能力、加速能力以及最高车速等汽车行驶的主要性能指标，直接影响车辆动力性、经济性和舒适性。

　　图2：新能源汽车的三大核心组成部分：电机、电池、电控

　　新能源车驱动电机包括直流电机、交流异步电机、永磁同步电机、开关磁阻电机，其中永磁同步电机在我国应用最为广泛。

　　交流异步电机受功率密度较低、调速性能较差等因素限制，主要用于对空间和速度性能要求较低的物流车和商用车；开关磁阻电机结构简单、调速范围宽、系统可靠性高，但控制系统复杂、噪声大，目前在我国新能源车市场中还未得到广泛应用。

　　永磁同步电机在制造转子时加入永磁体，具有功率密度高、力能指标好、高效节能、结构简单、可靠性高等优势，是我国新能源车最主要的电机类型，主要应用车企包括北汽新能源、比亚迪、小鹏汽车等。

　　图3：新能源汽车驱动电机种类

　　永磁同步电机主要由定子、转子和端盖等部件构成，其中定子由定子铁芯及缠绕在铁芯上的铜导线构成，而铜导线及其缠绕方式对于电机的能量传输效率有重要影响，根据导线形状可分为圆柱导线和扁线导线。

　　图4：永磁同步电机定子示意图

　　随着新能源车技术的不断更新发展及国家政策的大力支持，新能源车销量及渗透率不断提升，2016-2020年我国新能源车销量CAGR达27.5%，带动新能源车驱动电机行业快速扩容。

　　此外，B级和C级以上电动车的驱动功率一般在180kw以上，需要配置两台及以上电机，近年来伴随“双电机”电动车的占比提升，单车电机搭载量从2018年的1.05提升至2020年的1.07。随着双积分政策推行、消费升级及双电机优势显现，电机装机量将进一步增长。

　　扁线电机的六大优势

　　从趋势而言，扁线电机更符合《节能与新能源汽车技术路线图》的要求。绕组扁线替代传统的漆包圆线，提高了槽满率，使得在相同体积内拥有更大的功率，故功率密度较高。

　　目前国内采用的扁线绕组电机最高功率密度达5kW/kg，高于圆线电机最大3kw/kg的功率密度，《节能与新能源汽车技术路线图》提出，2025年乘用车电机功率密度将达5kW/kg，电机系统超过80%的高效率区90%，这使得扁线电机的发展成为必然趋势。

　　图5：扁线绕组电机槽满率更高、功率密度更大

　　具体来看，相较于传统的圆线电机，扁线电机具有六大优势：

　　一、大幅度提升转换效率，降低电池成本

　　根据上汽绿芯频道评估，在WLTC工况，扁线电机比传统圆线电机的转换效率高1.12%；在全域平均下，两者效率值相差2%；在市区工况（低速大扭矩），两者效率值相差10%。按照典型的续航500km的A级轿车（搭载60kwh电池包和150kw电机）计算，WLTC工况下，搭载扁线电机的电池成本节约672元，市区工况下，电池成本节约6000元。

　　二、散热性好，提升高温动力性

　　因扁线相对圆线更为紧密的接触，散热性提升，研究发现高槽满率下绕组间的导热能力是低槽满率的150%。绕组在热传导能力上具有各向异性，轴向的热传导能力是径向方向的100倍。更低的温升条件下，整车可以实现更好的加速性能。

　　图6：圆线电机与扁线电机温度对比

　　三、高功率密度，整车动力更强劲

　　电机的功率与铜含量成正相关，根据上汽绿芯频道评估，扁线电机槽满率提升，相同体积下铜线填充量增加 20-30%，输出功率有望提升 20-30%，整车动力更强劲。

　　国家政策层面倡导高电机功率密度。“十三五”规划中提出，新能源乘用车电机功率密度应满足 4.0kw/kg，高于当前圆线电机约 3.5kw/kg 的水平。在圆线电机功率密度提升进入困难模式的当前，发展扁线电机是必然之路，根据摩恩电气的公告显示，当前领先企业的扁线电机的功率密度约 4.5kw/kg。

　　四、电磁噪音低，整车更安静

　　扁线电机导线的应力、刚性较大，使得绕组有更好的刚度，对噪声有抑制作用；同时扁线绕组是通过铁芯端部插线，不需要从槽口嵌线，电磁设计上可以选择更小的槽口设计，有效降低齿槽转矩脉动，进而降低电磁的振动噪音。

　　五、质量、体积小，符合电机轻量化的趋势

　　因扁线更高的槽满率，同功率电机铜线用量和对应定子较少，体积有望下降30%。此外，扁线电机因更为先进绕线方式带来更易裁剪的电机端部，与圆线电机相比减少15-20%的端部尺寸，空间进一步降低，实现电机小型化和轻量化。

　　图7：圆线电机 Vs 扁线电机绕组端部对比

　　六、扁线电机量产后具备制造成本与整车行驶成本优势

　　目前扁线电机产量较小，规模效应尚未体现，但量产后具备成本优势：1）仅铜材用量下降即降低2%左右的制造成本；2）在全域工况下扁线电机效率提升2%，即用电损耗降低2%，对应节约2%的整车行驶成本；市区工况下最高节约10%的行驶成本。

　　综合来看，新能源汽车产业目前处于快速发展时期，产品质量快速提升，消费者对整车性能要求越来越高。整车对电驱系统的主要需求包括：高效率，高功率密度，优秀NVH，高集成性和低成本；扁线电机在这5个技术指标上均碾压传统圆线电机。电机的发展始终围绕整车需求，扁线电机对传统圆线电机有碾压性的技术优势。

　　图8：整车对电机的主要需求

　　国产制造方案，加速扁线电机渗透

　　尽管扁线拥有许多传统绕组不可比拟的优点，但同时扁线电机也有部分劣势，包括技术、制造、标准等方面，但总体而言瑕不掩瑜。随着技术的发展和渗透率的逐渐提升，扁线电机应用的障碍正在被逐个化解。

　　一、多种方案改善趋肤效应

　　在技术上，扁线电机存在趋肤效应、邻近效应，导致交流阻抗增大，高转速时转换效率降低。

　　趋肤效应指当导体中有交流电或者交变电磁场时，导体内部的电流分布不均匀，且电流集中在导体的“皮肤”部分的一种现象。邻近效应指相互靠近的导体，通有交变电流时，每一根导体都处于自身电流产生的磁场中，同时还处于其他导体中电流产生的磁场中，这使得每个导体中电流分布都会受到邻近导体影响而不均匀现象。“趋肤效应”、“邻近效应”都会增加交流阻抗，交流阻抗增大，高转速时转换效率降低。

　　图9：趋肤效应

　　“趋肤效应”并不影响扁线电机渗透率的快速提升，但工程师也已经有改善方案：1）提高扁线的宽高比，间接增加扁线的比表面积；2）减小导线尺寸，间接增加扁线的比表面积，但这同时也会降低槽满率，需要综合评估；3）采用多档变速箱，降低电机转速，代表车型为保时捷Taycan。

　　二、国产方案降低制造成本

　　扁线电机现多采用第二代轴向绕组技术（包括Hair-pin和Ipin），制作工艺多且复杂、对绕组成型的精度和应力要求极高，此外，因采用轴向嵌装的方式使得端部需要进行扭弯、焊接、绝缘等工艺过程处理，需要投入精度较高、价格也极高的自动化伺服设备、焊接设备、HairPin 线成形设备和工装模具等。

　　例如在扁线电机定子装配自动化解决方案，国外的设备供应商如日本日特、意大利 ATOP、法国 REDEX、德国 GROB等技术实力较强，但同时售价较高，一条产线价格约 2亿元，因此国内的电机制造商对扁线电机制造设备的国产替代、降本增效的需求迫切。

　　目前扁线电机制造过程中的关键工艺PIN线成型、自动扭头、涂敷等工艺技术难度较大，对设备的自动化程度要求较高，国内仅有金岷江、克来机电、豪森股份、巨一科技等少数设备商具备扁线电机装备制造能力。