观史知今·通用扁线绕组

上期我们介绍了通用电驱动电机NVH治理的四层管理体系，感受了通用电驱动团队的体系构建能力，这期我们研究扁线电机（也称发卡电机）是如何诞生和发展的，从中学习产品进化的思路。在新能源驱动领域第一台发卡电机已不可考， 只能说通用电机是其中一只领头羊。其最早的发卡电机项目为“先进集成驱动系统”。

DOE合作项目：先进集成驱动系统

通用公司的最早扁线主驱电机项目是DOE（美国国家能源部）主导的一个叫“先进集成驱动系统”项目，起始于2007年，结束于2011年。立项当时瞄准DOE2015年的性能指标。意在开发一款高效率，高功率密度的电机电控二合一的驱动系统。

该项目电机采用三项关键技术，一项是五相绕组、一项是双V磁极结构，另外一项是扁线电机。这种技术组合在2018的现在都还算先进，遑论在11年前。

在初期探索阶段，项目产生了两种扁线电机方案。一种是上图采用了波绕组+开口槽方案，和传统圆绕组一样，采用径向嵌线；另外一种是轴向插线的技术，绕组从定子端面插入。

两种方案都各有优劣。径向嵌线发卡绕组的最大的优点是，发卡绕组可以在嵌线前完成成型和端部扭曲，而且端部焊点少了一半。但缺点也很多，一个是嵌线时，摩擦力大，相对困难。另外一个是径向嵌线必须采用开口槽，会导致齿槽谐波增加，涡流损耗变大。轴向嵌线，插线容易，但插入后焊接端需要后扭曲、成型，焊接接头也多。

一花开二果，GM在这个项目中为这两种方案都做了样机验证，整个项目历时五年，最后的结论是产品的功率密度和峰值功率指标满足了要求，但成本超标。在扁线绕组工艺方面，最后成型的方案绕组端部高度超高，导致了端部电感超标。所以这个项目更多是学习意义，在项目汇报时，合作团队着重介绍了，通过项目开发，对新技术理解受益匪浅 ，原文是“Great benefit”。

后来的事实证明，虽然结果不如预期，但通过项目GM团队完成了扁线电机的技术储备。 因此从长远的角度，该项目意义重大，是成功的。有些时候，不能完全以眼前的成败论英雄，眼前的失败很可能是成功的一次必要的学习。

Chevrolet Voltec 4ET50·第一代发卡电机

当DOE项目结题时的2011年，第一款搭载扁线电机的Chevrolet 车型也完成发布，这就有了Voltec，该电机采用的4ET50驱动系统是一款双电机架构系统。其中MotorB电机为扁线发卡电机，功率110kw，转矩370NM，转速9500rpm，槽极比为12极72槽。我们姑且称之为。

该电机采用轴向插线的发卡绕组技术，也就说单发卡绕组， 半闭口槽型。这种发卡需要先插入，再用扭弯设备，将开口的一端，扭弯成类似“蛙脚”的结构，将不同的蛙脚焊接起来，然后用环氧树脂包裹，实现绝缘增强。

这种发卡绕组，使得槽内排列非常规整，从而大大提高了槽满率，同时端部精凑型得以增强，这两项的改进最终的效果是直流电阻下降30~40%。

在绝缘系统方面也有较大的改进，早期的采用S结构的槽绝缘包裹，在绝缘的拐角处仍然存在安全隐患。在4ET50中采用了B型槽绝缘结构，这样即便在拐角处，也不会出现绕组和定子直接接触的情况。

虽然发卡电机能够降低直流电阻，但是它还有一个比较严重的缺陷，那就是在频率较高时，易在绕组上感生出高频涡流电场，产生集肤效应。这会带来两个问题：

1.靠近槽口的扁线会产生较大的涡流损耗，使得热量堆积，形成局部热导。

2.绕组的交流电阻增大，不但会抵消扁线电机电阻小的优势，甚至还会超过圆线方案的电阻。如下图所示，红线是扁线替代的前圆线方案电阻，是扁线直流电阻的1.44倍。但当电机转速升高，频率升高时，扁线的实际电阻增加，在8krpm时超过的圆线电阻。

从这个角度而言，扁线电机更适用于中低速的应用场合。GM用Voltec车型作了电机工作点转速统计，确定在urban2和 US06等工况下电机转速基本在6000rpm以下，没有超过8000rpm，也就是说扁线的低电阻优势得以发挥。可以说扁线电机在Voltec车型的成功应用，正是基于对扁线特性的理解，策略应用得当结果。

不仅如此，另外一处策略应用得当地方在于扁线和内油冷的配合。在4ET50的电机中采用了端部喷油冷却技术（这种技术文末有介绍链接），因为扁线端部导体间存在较大的间隙， 喷头出油后，直接渗透入扁线绕组端部，带走每一个导体的热量。而圆线绕组端部在浸漆后，成为一个实心整体，冷却油很难渗入内部，带着中间层导体的热量，容易在绕组内部形成热孤岛。因此扁线和端部油冷是一对黄金搭档。配合使用能大幅度提高散热能力，从而提高功率密度。

应该说扁线电机上Chevrolet Voltec是一次成功的技术尝试，取得了功率密度和效率双提升的效果，但扁线电机绕组技术尚处于初步阶段，在设计和工艺上面还需要不断改进和迭代。其技术大成，还需要等到Chevrolet的第二代车型---Chevrolet Spark了。

Chevrolet Spark 扁线电机工艺成熟

Spark是在2014年发布的，主驱是一款峰值功率105kw的电机，转速不高只有4500rpm。其采用的技术组合是：轴向插入式扁线+双V转矩结构+喷油冷却技术。

经过三年发展Spark的扁线绕组技术明显进步。如果以标准圆线绕组作为基准对照， 在Voltec中圆线电阻是扁线的1.44倍，而在Spark中圆线电阻达到了扁线电阻的1.56倍。也就是说Spark扁线的电阻下降比例更大。这种进步除了和方案参数本身有关外，还受益于扁线工艺的成熟。

我们对比下Spark和Voltec的绕组端部，从视觉上可以看出Spark的导体间间隙控制的更小，因此端部尺寸更紧凑。这得益于扁线成型和扭曲工艺的成熟。

在Spark电机中，发卡的成型和扭曲都采用数控精密控制+模具成型，在成型过程中，不但控制伺服行程，还对作用力进行实时反馈闭环。通过这些技术手段，即保证绕组成型的精度，又能控制绕组的应力，使得每匝线圈都是质量是完全一致的。

Chevrolet Blot 针对集肤效应的治理

时间一晃就是3年，2017年GM发布了新一代BEV---Chevrolet  Blot ,该车型配备的电机，仍然采用同样的转子结构，但在NVH和绕组技术上都有较大的改进。特别是针对高速情况下抑制扁线AC电阻上升问题上下了功夫。

为什么要解决AC电阻的问题，原因是为了提高功率密度，Blot 减速器速比提高，电机转速提升近2倍。转速上升，扁线电机导体在高速时集肤效应加重，会导致AC电阻增加。

为了解决这个问题，Blot采用了增加每槽导体数的做法，将每槽导体从4根增加到了6根，如此导体细化，高速的涡流损耗得以明显下降。

导体数增加不仅能够提高降低涡流损耗，还能够改善AC电阻随转速增加的趋势，如下图所示，Spark电机在4500rpm时AC电阻就上升到超过圆线电阻的水平，而Blot提高到6000rpm才会出现拐点。这项提升有利于缓解扁线电机的高速劣势。

Blot采用了单层绕组，如此每个槽内导体都是同相位，线和线间没有压差，如此可以不必考虑线间的绝缘。

为此进一步改善了槽绝缘的结构，Blot取消了槽内线线之间的绝缘，只保留槽绝缘。Blot的槽绝缘设计比较新颖，有上下两个U套构成，在两个绝缘的交叠处，槽宽略微扩大。这种设计对磁路的影响比较轻微，但能大幅度降低绝缘材料使用量，将空间让位于铜线。这会促进功率密度提高。

最后可以发现，Blot相交Spark磁钢用量下降了30%，而功率密度提高超过50%。这即有高速化的贡献，又有扁线绕组和绝缘改善的功能。可以说Blot较Spark有所进步。

总结·小步快跑·做时间的朋友

从项目预研到一代一代的产品迭代，我们会发现一个规律。预研时大胆创新，奠定一个基调，产品化时，每次迭代都小心谨慎。比如说双V结构一直没有改变，每次只是在细节上优化。扁线绕组也是小步快跑，先给出一个有瑕疵的方案，然后逐步改善端部成型工艺，后又改善绝缘结构，最后解决高速AC电阻问题，每一小步跨得都小，通过一点一滴的提升，将产品的势能逐步提高。这是一种反急功近利的心态，没有急着想一步到位，而是做时间的朋友。为何GM能如此从容走来，值得我们深思。我将这个发展脉络，做成图表，供大家学习。

转自：核动力蜗牛  电机产品技术前哨