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2019年08月05日 | 提升1%电机效率有多难？国外早已垄断，国内车企才刚刚起步
2019-08-05 来源：绿芯工程师
高手对决，胜负只在毫厘之间。不论体育竞技、“蔡周”流量数据之争，还是技术领域的一次次突破，在各自都逼近极限的情况下。
1%的提升往往能带来远超1%的效果。
新能源汽车行业有一个共识，为了进一步提高效率，传统圆线绕组电机最终要被淘汰，而扁线电机绕组的Hair-pin电机将成为未来的发展方向。
雪佛兰Volt与丰田第四代Pruis早已经开始应用Hair-pin电机，国内这方面的研究虽起步较晚，但近年来也进展迅速。
Hair-pin电机相比普通电机效率能够提升1%。
将效率1%提升的Hair-pin电机，到底牛在哪里？
高中物理老师告诉我们，机械做功的本质，是能量从一种形式转化到另一种形式的过程。
对于电机来说，目标就是将电能转换为机械能。而且由于能量守恒定律的存在，这个转换效率的极限，是99.99……%，无限接近但不能达到100%。
对于电机来说，损耗来自于这几个方面。
永磁同步电机的转化效率可达到96%-97%，已经远远高于只有30-40%热效率的内燃机。
如何在这个数字上更进一步？使用更合理的定子绕组，在能量损耗最大的铜耗上做文章，是业内的共识。
简单说，抓大头，把钱花在刀刃上。
一直说的Hair-pin发卡绕组，就是应对这些需求，所产生的技术趋势。
1 什么是Hair-pin技术？
永磁同步电机，主要由定子组件、转子组件以及其他辅助件组成。
定子组件是决定电机性能的关键，由定子铁芯、绕组、引出线、以及绝缘材料组成。
铜线外侧加绝缘涂层，制成漆包线，再首尾相连组成绕组，Hair-pin便是其中的一种绕组形式。
因为Hair-pin的单根漆包线形状像发卡，又俗称发卡电机，或者扁线电机。
2 Hair-pin有哪些好处？
（1） 高效率
简单来说，就是单位面积内，铜变多了。Hair-pin电机相比传统圆线电机，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。
关于“槽满率”这个词，我们可以用这个比喻来形容——传统圆线绕组电机，犹如美国式机械灌溉农田，无法填满互相之间的空隙，造成面积的浪费；而在中国，我们不会这样浪费宝贵的土地。
在寸土寸金的电机定子的截面里，同样的故事在发生。相比圆线绕组，Hair-pin电机能在同样条件下，塞进更多面积的导线。导线越粗、电阻越小，在导线上因发热损失的能量就会越小。
其次，端部尺寸更短。Hair-pin电机相比圆线电机绕组端部尺寸更短，端部总高度短5~10mm，有效降低端部绕组铜耗，进一步提升电机效率。
这些结构上的优化，可以使得电机平均效率，相比不使用Hair-pin技术的电机，提高1%以上。
但是，毕竟提升幅度只有1%。工程师们在实验室里死抠这“点”技术，有多大意义？在用户体验方面，又能给带来哪些提升？
首先，从电机特性图上我们可以看出，最高效区间的面积被明显放大了。
横轴方向上的放大，说明最高效区间的转速范围变大了。从城市拥堵的低速工况，到高速巡航工况，都能享受到最高的效率。
纵轴方向上的放大，说明最高效区间的扭矩范围变大了。从小油门匀速，到大油门急加速，确保最多的能量被用于驱动车辆。
其次，所谓的“1%”，指的是在WLTC工况下两者的平均效率差，Hair-pin电机要高1.12%。但是在全域平均下，两者效率值相差达到2%。低速大扭矩工作点，最高甚至可提升效率10%。
当然，Hair-pin技术带来的不只是高效率。
（2） 更高的功率密度
刚刚说了，Hair-pin电机提高裸铜槽满率20%~30%。相同体积情况下，Hair-pin电机可以塞进更多的定子绕组，这样在相同损耗下Hair-pin电机可以能输出更高的功率和扭矩。
采用Hair-pin绕组的电机最高功率密度达到4.7kW/kg，相比普通电机，最大可以提升20%以上。
（3） 更强的散热能力
相对于圆线，Hair-pin电机扁线形状更规则，在定子槽内紧密贴合，与定子铁芯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。
名词很专业，反正就是电机峰值功率的持续时间，更长了。
（4）更好的NVH表现
使用Hair-pin结构的电机，由于绕组有更好的刚度，整机也将具备更好的刚度。同时Hair-pin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。
名词很专业，反正就是机械噪音和电磁噪音，都更低了。
3 那Hair-pin为什么目前没有被广泛应用？
既然相比传统圆线电机，Hair-pin电机在效率、性能、散热等方面具备明显优势，那Hair-pin为什么没有被广泛应用？
其实不是不想用，而是没条件。
Hair-pin绕组制造过程非常复杂。需要先将导线，制作成发卡的形状，然后通过自动化插入到定子铁芯槽内，然后进行端部扭头和焊接。
相对圆线电机，Hair-pin电机无法进行手工制造。
想批量化高效率生产，必须要建立自动化产线，产线和设备投入较大。简单说，“钱”和“技术”的问题，是Hair-pin电机却在实际应用方面显得有些滞而不前的原因。
五年以前，只有国外厂商的新能源汽车产品，例如通用的Volt，丰田的普锐斯Pruis等采用Hair-pin技术的电机，国内厂商还没有能力染指这一技术。
前几年开始，少数实力较强的国内车企作为先行者，具备了能够自主设计并投产Hair-pin电机的能力，并将该电机成功应用到新能源汽车产品中。
随着近两年Hair-pin电机已成为行业内坚决追求的乘用车驱动电机发展方向，国内厂商开始逐渐投资Hair-pin电机技术的研发与生产。
相信未来将会有越来越多的国内品牌，诸如比亚迪、吉利、长安等国内新能源头部厂商逐渐在未来新能源汽车的电机中普及Hair-pin技术。
史海拾趣
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