新能源車用驅(qū)動電機(jī)定子繞組技術(shù)

驅(qū)動電機(jī)定子繞組的定義與功能定子繞組是新能源車用驅(qū)動電機(jī)的動力心臟，通常指由多個線圈或者線圈組通過不同的繞制方式構(gòu)成的對稱電路連接回路。如圖1，圖2所示，由聯(lián)合電子自主開發(fā)的分離式驅(qū)動電機(jī)定子繞組。在驅(qū)動工況下，當(dāng)外部的電能通過高壓線束連接到定子繞組的輸入端子時，定子繞組可以將輸入的電能轉(zhuǎn)換成磁能并存儲在定轉(zhuǎn)子氣隙中，最終轉(zhuǎn)換為機(jī)械能提供驅(qū)動力。

驅(qū)動電機(jī)定子繞組技術(shù)的發(fā)展

電機(jī)繞組的發(fā)展史，就是研究如何將更多的銅導(dǎo)體更方便地嵌入到定子鐵芯槽內(nèi)的過程，從而實(shí)現(xiàn)更高的槽滿率（槽滿率是表征驅(qū)動電機(jī)繞組技術(shù)的關(guān)鍵指標(biāo)，本文中定義為裸導(dǎo)體截面積除以鐵芯槽截面積）。從驅(qū)動電機(jī)定子繞組技術(shù)的發(fā)展歷程看，可以將其劃分為第一代徑向嵌裝繞組技術(shù)與第二代軸向嵌裝繞組技術(shù)。

1. 第一代繞組技術(shù)：徑向嵌裝繞組

徑向嵌裝繞組是指將銅導(dǎo)體繞制成型后，沿定子鐵芯齒部的極靴口將繞組從徑向方向裝配進(jìn)鐵芯槽內(nèi)（如圖3，圖4所示為聯(lián)合電子開發(fā)的圓線/扁線徑向嵌裝繞組）。

從1888年開始，工業(yè)電機(jī)上應(yīng)用的主流繞組技術(shù)均為徑向嵌裝繞組，初期繞組技術(shù)以分布式圓線徑向嵌裝繞組為主，1942年又逐漸衍生出集中式圓線徑向嵌裝繞組，隨后到1995年發(fā)展出集中式扁線繞組以及分布式波繞扁線繞組。

隨著新能源車用驅(qū)動電機(jī)市場的發(fā)展，上述工業(yè)電機(jī)領(lǐng)域的繞組技術(shù)被逐一應(yīng)用到驅(qū)動電機(jī)領(lǐng)域，如下表1所示為驅(qū)動電機(jī)典型徑向嵌裝繞組中分布式圓線繞組、集中式扁線繞組、分布式波繞扁線繞組的主要性能對比（所有的性能對比均為換算到相同電磁設(shè)計(jì)方案下的典型值）。

表1  典型徑向嵌裝繞組的性能對比

然而，對于徑向嵌裝式繞組技術(shù)，由于其鐵芯槽口極靴形狀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受限，會直接影響到電機(jī)的峰值/持續(xù)特性以及NVH性能，此外在生產(chǎn)工藝上往往還需要手工介入調(diào)整，難以實(shí)現(xiàn)高節(jié)拍（60s以內(nèi)）的自動化生產(chǎn)。

2. 第二代繞組技術(shù)：軸向嵌裝繞組

從1958年開始，隨著繞組技術(shù)的進(jìn)一步成熟，第二代軸向嵌裝繞組技術(shù)開始進(jìn)入市場應(yīng)用，初期的軸向嵌裝繞組也主要應(yīng)用在大中型工業(yè)電機(jī)中。

軸向嵌裝繞組是指將半成型或者未經(jīng)預(yù)成型的扁銅線導(dǎo)體，沿定子鐵芯的端面槽口將繞組從軸向方向裝配進(jìn)鐵芯槽內(nèi)。

（1）軸向嵌裝繞組的第一個技術(shù)分支:Hairpin繞組1995年以來，隨著新能源車用驅(qū)動電機(jī)市場的發(fā)展，雷米、電裝、日立、LG、聯(lián)合電子、博世等電驅(qū)供應(yīng)商吸收了工業(yè)電機(jī)中的軸向嵌裝繞組思想，相繼開發(fā)了“發(fā)卡”式Hairpin扁線繞組應(yīng)用于驅(qū)動電機(jī)，這屬于軸向嵌裝繞組的第一個技術(shù)分支。

Hairpin繞組工藝是先將扁線繞組預(yù)成型為“發(fā)卡”式結(jié)構(gòu)，沿軸向整體裝配進(jìn)定子鐵芯槽內(nèi)（如圖5，圖6所示為聯(lián)合電子開發(fā)的同軸式驅(qū)動電機(jī)Hairpin繞組）。

由于軸向嵌裝繞組不受極靴形狀的影響，可以大大減少繞組嵌裝所需的裝配預(yù)留空間和導(dǎo)體間隙，其槽滿率可以達(dá)到70％左右（目前市場上已批產(chǎn)Hairpin產(chǎn)品的最高槽滿率為69%），Hairpin繞組憑借其優(yōu)異的功率，扭矩與效率性能迅速占領(lǐng)主流技術(shù)市場。

（2）軸向嵌裝繞組的第二個技術(shù)分支:I-Pin繞組

1966年開始在大型工業(yè)電機(jī)中的出現(xiàn)的I-Pin繞組結(jié)構(gòu)同樣也被聯(lián)合電子、博世等電驅(qū)供應(yīng)商應(yīng)用到電驅(qū)動領(lǐng)域，這屬于軸向嵌裝繞組的第二個技術(shù)分支。

I-Pin繞組成型思路是扁線導(dǎo)體不經(jīng)過預(yù)成型，直接將直扁線導(dǎo)體沿軸向嵌裝在鐵芯槽內(nèi)（如圖7，圖8所示為聯(lián)合電子開發(fā)的分布式驅(qū)動電機(jī)I-pin繞組）。

由于I-Pin繞組無需預(yù)成型且為單槽裝配，可以進(jìn)一步降低繞組的裝配預(yù)留空間，其槽滿率可以達(dá)到74％左右（以聯(lián)合電子目前已批產(chǎn)的I-pin產(chǎn)品為例），具有更為優(yōu)異的功率，扭矩與效率性能。

表2所示為驅(qū)動電機(jī)典型軸向嵌裝繞組中Hairpin繞組、Ipin繞組的性能對比（所有的性能對比均為換算到相同電磁設(shè)計(jì)方案下的典型值）。

表2  典型軸向嵌裝繞組的性能對比

是Hairpin繞組還是I-pin繞組，兩者在結(jié)構(gòu)和工藝可制造性上互有優(yōu)劣，但是其繞組技術(shù)殊途同歸，都是通過提高繞組的槽滿率來提高驅(qū)動電機(jī)的功率、扭矩與效率性能，用來滿足電驅(qū)動市場日益嚴(yán)格的技術(shù)要求，這也是驅(qū)動電機(jī)繞組技術(shù)發(fā)展的本質(zhì)所在。