EVH1000 EVK最新车用扁线电机技术 电动车千人会
曹红飞 上海EVK电机 联合创始人、总工程师 我叫曹红飞，来自EVK电机。 借EVH今天这个平台，跟大家分享一下最新车用扁线电机技术。整个分三方面，主要讲第三代的扁线电机，及其双短矩。我们一般怎么来做一些新的产品思路，如果有时间的话就讲讲，没有时间就主要讲前面两个。 大家都知道，扁线电机形状是方的。传统圆线电机是线接触，面接触替代了线接触，提高了空间利用率。另外圆线电机由于老式，就做不出，空气利润率进一步降低。换成扁线电机原则上提高30%。扁线电机毕竟设备投资大，损耗问题也不能避免，出现麻烦，还有专利壁垒问题需要去解决。 扁线电机，都叫扁线电机，实际上不同的扁线电机发展趋势处于不同的阶段。我们最早国家从2013、2014年开始研制，主要以两层、四层为主，这种设计的直流电阻小很多，但是随着转速增加，损耗问题显露出来。当时转速跑8000转以下还勉强能忍受，到8000转以上会出现额定功率不够的问题。后面经过第一代扁线电机，发现原来扁线电机必须有交流损耗的问题，一定要换位。随着时间的发展，整个汽车的电机转速慢慢有1万5、1万6转的时候，我们再看看扁线电机基本是六层、八层，当然也有十层。基本上是以六层、八层为主。 我们成立比较晚，就想做一个理论上能够更高系统的产品，所以我们推出第三代不等槽宽这样一个设计。为什么要做不等槽宽，首先我要指出传统不管几层都有两个问题。 第一，扁线电机相对原先电机的槽面积是变小了的，虽然填充率增加，面积是变小的。 第二，不管是你是什么电机，都有一个比较大的问题，槽口导线和槽底导线温差很大，有多少度呢？正常有40多度。如果几加几减速，可以到80、90度。正是这么大的温度差，导致了我们现有电机功率密度受限制。一脚刹车，一脚油门烧的槽口这个导线。另外，传统的不管几层，随着转速越来越高，可以做十层，可以做十二层吗，可以做二十层吗，层数好像不可能无限多。就算多了，效果一定那么好吗？实测和仿真不一定是一回事。 所以，不能按照这个逻辑去做。我们要做是不是界于有限的程度，充分利用控制，能够充分利用温度，改善温度的对冲性等等，来做出一个性能更好的东西，这就是我们说要做的第三代扁线电机。 槽型自然就是这样的，形状自然不一样了。形状可以不一样，面积大小当然也不一样。所以，我在槽口这样的导线粗一点，槽底的导线可以细一点。当然了，槽口还可以做异形形状，进一步减少交流损耗。当然了，为了这样一个设计会带来其他的问题，焊接怎么焊，绝缘子怎么做贴合，扭头怎么做等等都有新的问题出现。当然本身一个新的东西出来，肯定要对应新的问题。这样一个形状绕组怎么布置，教科书上是没有的，要自己想出来。 当工艺问题和绕组问题解决之后，我们才决定第三代理论上可以，后面样机开发。这样一个设计有一个好处，常规的等槽宽的电机，比如说48槽电机举例，槽口这个齿宽和槽体的齿宽正常情况下差1.3倍以上，甚至2倍。大家知道，你在槽口的地方饱和之后，槽体宽了也是白搭，所以不做一些，本身就是空间的浪费。你把它用起来，的的确确能起到空间利用率。 另外一个层面，大家都知道，齿是梯形的，常规的扁线电机若采用这样的槽，可以取得等齿宽的效果，相同的情况下，铁损可以有效下降。所以，采用不等槽宽即可以提高空间利用率，又可以在相同的能力下，有效降低电机的损耗。 不等槽宽是非常有利于改善工况的，主要损耗是铁损，就是黄圈划出来的地方（看图）。现在我们在做的新项目，很多企业已经不再追求这个，也是因为这个情况，所以改成这样的槽，对工况改善非常明显，理论上是这样。 这个问题经常集中在槽口这一层，当你的层数越来越多，只是减少了槽口这一层的交流损耗，而非槽口这一层的交流损耗其实变化不大。另外，直流电阻由于你层数增加，漆膜增加，直流电阻倒是变大了，所以一味增加层数只会得不偿失。现在设计电机追求层数实际上是没有意义。 当然了，怎么样解决槽口这一层的交流损耗问题，也是提高电机工作频率比较好的方式。增加层数，减少交流损耗，但是增加了直流损耗，特斯拉最近由十层改为八层了。槽口这个地方交流损耗可以空出来，大家做电机提高空间利用率，本身也是功率密度的浪费，也有希望用导线，哈理工也在研究用这个导线，放在槽口降低交流损耗等等。到目前为止批量应用的报告没有，除了增加层数，像特斯拉，而且还被改回去了。其他的措施一个都没有被证明是能够用的，主要问题还在于工艺问题。设计是设计出来了，制造可是有大麻烦。 在意大利摩根大学研究报告，2020年的一个国家论文里面说，现在损耗最大的是槽口，那我就把导线切成多份，切的越多，交流损耗越小越理想。 我们国内至少有两个企业申报了两个专利，实际上比国内申报更早的是通用，通用在2017年就申报了相关专利，大家以为有专利，实际上你的专利是在人家的专利的基础上写的，所以是无效的。 那么，不管有没有专利，像中国这么卷也不那么在乎专利，为什么没人去做呢？原因就是现在一个主要原因还是供应问题，那么你现在八成导线，厚度多少？可能就1.3毫米，你做成10层也就1.2毫米，你要做到一毫米以下，你连线都做不出来，你还别说把1.3毫米的导线把他劈成两半，你劈劈看，一般做不出来，就算做出来你连的出来吗？这里面一堆问题，所以常规的这种等槽宽的扁线，这个技术对他来说只是停留在理论仿真上，实际去做，那就不大现实的问题。 当然，用不等槽宽这个地方就好做得多，就能够实现，当然还有其他工艺问题，也需要去解决。 总不能说，我们尝试过用不等槽宽去布置这种方案，就很容易实现，而且专利都是规避掉的。 那么，我一直宣传不等槽宽性能很好，很多工程师可能我都算过，结果好像没多大意义，不等槽宽是我们在2021年、2022年开发的，我们花了一年半的时间，很多人可能花了一个月时间去研究他，发现效果没那么好，这很正常。 为什么？因为有好的技术不代表能用得好，这一点要记得我们为什么要花一年半时间去研究，用好他也不那么容易。 10%-15%的槽内空间怎么用，有三种方法： 第一种方法我增加一个匝数，原来6层变7层，原来8层变9层，原来7层我变8层，这样我电密一样，扭矩直接就增加了，多好？ 但是别忘记了我们主机厂，既要又要还要扭矩是增加了，你的效率是不是增加了呢？显然不是，你增加了一下他电阻也增加了那么多，虽然电密没有增加，但是你的电阻是线性增加了，所以效率不见得增加。 你的成本增加了吗？你不是说百分之十几了吗？实际上电机成本大家都知道，有这几部分组成，当你铁心长度缩短百分之十几的时候，铜增加了吧？不是减少了。 虽然总长是减少了，但是用铜量是增加了，所以用铜量总之增加不少。 第二，磁钢用量也应该增加，为什么？我们要维持定制直长和转质相对稳定，也就是要保证电机有那么好的功率输出，不推迟。 你定制增加以后你转质的磁钢用量岂能不增加？如果你能不增加说明之前设计不合理浪费材料，所以这么做是得不偿失的。 很多企业说我按照这个思路说没什么价值，当然这么做不但没价值。当然如果追求一个空间走向尺寸的要求是有价值的，如果不是为了就是这个确实没有价值，有人说好吧？我不在匝数上去追求了，我就把铜线做处理，我追求一个高效率不就好了吗？所以我把铜线面积增加10%，这种好吧？ 结果用铜量增加10%，换来的效率可没有增加10%，1%都没有，所以你这个时候发现投资回报率不高，如果在商用车领域，或者说是在工业领域对温升要求，额定功率要求比较高的情况下，可能有价值的，这是可以的。 但是在乘用车领域，持续功率和峰值功率那么大的情况下，甚至功率时间要求那么短的情况下，这么多铜线的增加，好像意义不大。 所以，真正的用法还是要满足既要又要还要怎么办呢？人家用多少铜我也用多少铜，人家多少扎匝我也多少匝，省下来的空间怎么办呢？省下来的空间可以不用，也可以把尺加宽，这就好了，空间不用，我把槽浅一点总行吧？ 这样直径就大一点，我力臂大一点，当然相同扭矩大一点总不花钱吧？ 然后，我尺短了，交流损耗就小了，我效率也高了把？我磁密降低了，效率也高了吧？ 所以用这种方法做是可以做到既要又要还要，你不是说成本没下降吗？当然用不等槽宽设计在不同方面，面积不一样的时候，整个槽口最终温度下降非常多，既然这个温度下降这么多，这不就影响成本了吗？ 所以用这种思路是可以做到既要又要还要的，那么说它没用，可能没花时间去研究，这里举个例子，我们做了两个电机，一个是不等槽宽的，一个是等槽宽的，做完之后发现，当然有条件我们做完之后要求转子几乎一样不能够有变化，相同软件能控制一个电机，就是取1/3不等槽宽的尺寸作为等效尺寸来设计。 通过效率对比，你会发现，在小扭矩高速区域，他在高效区域改善十分明显，在低速大扭矩区域，怎么也改善明显呢？是因为温度低了，因为这两个电机时测温差差了20度，所以在高速和低速，它的效率都发生了变化，在其他的点，效率都有改善，平均如果工况效率大概有0.5个点的这样一个改善，成本理论上可以更低的情况下实现。 那么我们用实际的例子和数据证明，这是一个有效的方式。这样一个技术大家都觉得量产困难，实际上我们30万产能都是按照这个方法来设计。 第二个技术我们要讲双短距，双短距转速越来越高，所以很多人把四对极改成三对极，改成三对极之后发现工况效率改善没那么高，原因之一是在低速大扭矩区域的效果没那么大的改善，原因就是改成三对极之后损耗更明显，所以，很多人发现不对。 CITC工况效率主要中低速，那么这块的话就有问题，怎么解决这个问题呢？希望降低为主电机其对数，墩布用铜量及其电阻都不要变化，变化了就得不偿失，所以另外一个就是系统效率可能会更近，电阻大了之后，滤波性变差，滤波变差低速情况，系统的效率会更低，所以从这个层面上，希望电阻越小越好。 为了解决这个问题，我们推出双短距绕组技术，做短距目前用的很多，特别在NVH要求这么苛刻不希望听到电机声音的情况下，往往都去做短距，不做短距24阶或者18阶怎么解决，解决不了，都做短距去了，做短距之后常规做短距，可能像我第一张图，也可能跟第一张图类似。一个5，一个7，加起来是12。那我们推出的绕组方案，一个5，下一个还是5，不好意思加起来只有10。所以，我会短2个，使得绕组端部数减小20%。那我们这双方对于电阻非常有效，我们算过，绕组单边减少1毫米的时候，由于降的是线边端，所以整个线圈是8毫米。我们做了一个实物，Q=3的情况下，电阻下降了4%。这个比增加4%，效果还要好。另外，相同温度下的额定功率从30千瓦提升到了35千瓦。 所以，这样一个设计对于改善效率是非常有好处的，而且确实尺寸也下降了4豪米。4Q=4，如果Q=2，或者Q=4，假设总长180，采用双短矩，性能会明显增加。因为总长一样的情况，多余尺寸都有了铁心。铁心加长了百分之十几，扭矩基本上就加百分之十几。端部用通量大概下降15%。 所以，这样的其他下，我们算过效率98，的的确确是可以实现的，不需要去吹牛。当然这个技术可以跟不等槽宽同时使用，不是只用一个。这样一个空间，可以在一些特殊情况下，在一些四驱的混合动力里面，就有非常好的节油效果。 这是我们做的实物，不等槽宽最高22000转的时候，铁心长度100毫米，高温下最高效率97.8%。时间有限，后面不讲了。最近这一两年主要是突破了这两个技术，谢谢大家。
