По мере ежегодного развития отрасли автомобилестроения на основе новых источников энергии объём производства и продаж электромобилей растёт взрывообразно, что приводит к растущему спросу на высокопроизводительные и высокоэффективные электродвигатели. Министерство промышленности и информатизации и Государственная комиссия по развитию и реформам предложили разработать план, согласно которому... В 2025 году планируется достичь удельной мощности легковых автомобилей более 4 кВт/кг, что дополнительно стимулирует стремление к повышению плотности мощности электродвигателей. Эффективность, облегчение, миниатюризация и снижение стоимости электроприводных систем — это будущие тенденции; при этом интеграция электроприводных систем и использование плоских проводов в двигателях являются ключевыми технологическими направлениями для достижения облегчения и миниатюризации. Плоские обмотки, обладающие уникальными преимуществами по сравнению с круглыми обмотками, быстро развиваются и стали одним из наиболее актуальных направлений в исследовании и разработке двигателей для автомобилей на новых источниках энергии. Плоские двигатели широко применяются как в Китае, так и за рубежом, и уровень проникновения таких двигателей в модели автомобилей на новых источниках энергии ежегодно растёт. В данной статье мы кратко представим технологию плоских обмоток, проведём сравнительный анализ и обоснуем преимущества двигателей с плоскими обмотками. Введение Производственная технология двигателей с волосковыми обмотками, обобщение новых технологий и методов, применяемых в последние годы в двигателях с плоскими проводами, а также направления будущих исследований по их оптимизации — всё это служит справочным материалом для изучения двигателей с плоскими проводами.
1. Краткий обзор технологии двигателей с плоскими проводами
Двигатель с ленточной обмоткой ( Двигатель с плоской обмоткой (Bar-wound motor), в отечественной практике обычно называемый двигателем с плоской проволокой, — это технология, при которой статор двигателя заменяется обмоткой из плоской медной проволоки вместо прежней обмотки из круглой медной проволоки. Одновременно с этим, благодаря особой конструкции плоской обмотки, применяются уникальные технологии оптимизации конструкции статора и ротора, оптимизации системы охлаждения и оптимизации управления. Обмотка из плоской медной проволоки подразумевает изменение конструкции пазов статора двигателя и замену исходных многочисленных тонких круглых проводов на меньшее количество более толстых прямоугольных проводов. Благодаря таким преимуществам, как компактные размеры, высокая заполняемость пазов, высокая плотность мощности, отличные характеристики NVH, а также улучшенная теплопроводность и теплоотвод, двигатели с плоской проволокой получили широкое распространение в сфере автомобилей на новых источниках энергии.
2. Сравнение двигателя с плоским проводом и двигателя с круглым проводом

Потери энергии в электродвигателе включают, в основном, медные потери, железные потери, потери на трение воздуха и паразитные потери. При этом медные потери составляют почти 70% от общего объема потерь. Снижение медных потерь в электродвигателе позволяет значительно сократить его энергетические потери и повысить плотность мощности двигателя. Формула для расчета медных потерь постоянного тока приведена в уравнении ( 1) Как показано на рисунке, в обмотках из плоских проводов прямоугольные медные провода, по сравнению с круглыми медными проводами, имеют значительные изменения в площади поперечного сечения. Это позволяет эффективно снижать сопротивление обмотки и, соответственно, уменьшать потери меди. Кроме того, обмотки из прямоугольных проводов имеют меньший зазор между соседними проводами по сравнению с обмотками из тонких круглых проводов; при том же объёме статорного паза можно разместить больше медного провода, что обеспечивает более высокий коэффициент заполнения паза. У двигателей с круглыми проводами коэффициент заполнения паза составляет около 40%, тогда как у двигателей с плоскими проводами он может достигать 70%. При высоком коэффициенте заполнения паза при той же мощности двигателя количество медного провода в обмотке плоских проводов меньше, что позволяет уменьшить размеры сердечника статора и концевых частей, а значит — и сам размер двигателя. Это не только экономит материалы, но и дополнительно повышает плотность мощности двигателя.

扁线电机相比圆线电机定子具有更小的槽口尺寸，能够有效降低齿槽力矩从而降低电磁噪声，同时矩形导线刚性更大，对电枢噪音也具有抑制作用，再配合转子磁极与结构优化，使其具有更优的NVH性能[1]。

扁线电机绕组端部绕制成特殊形状，如波浪形、三角形、阶梯形等如图2所示，有效的降低了绕组端部尺寸，有利于是实现小型化和轻量化[2]。同时矩形导体使得内部空隙变少，导体与导体和导体与铁芯槽间接触面积更大，热传导和散热性能更好。绕组端部导体间都留有最小空气间隙，更方便散热，同时配合端部喷油冷却技术进一步提升扁线电机散热性能；更低温升条件下，整车具备更好加速性能，有效提升车辆高温动力性。

扁线电机也存在不足，其受趋肤效应影响较大。趋肤（集肤）效应指导体内存在交流电或交变磁场时，导体内部电流分布不均，越靠近导体表面部分，电流密度越大；降低了有效通电铜线面积，使得绕组等效电阻增加，高频交流损耗增加。导体的长宽比、放置方向、绕组分相等都对趋肤效应有影响，同相同槽绕组比异相同槽绕组趋肤效应严重。同等槽深槽宽下，通过增加导体层数有利于降低趋肤效应，降低高转速下电机交流损耗提升电机性能。另一个限制扁线电机发展的是其自动化生产线价格昂贵，是圆线定子自动生产线的2-3倍，企业前期投入巨大。
3、扁线电机分类
扁线电机按产品类型可分为集中绕组扁线电机、波绕组扁线电机与Hairpin（发卡）扁线电机，其中发卡扁线电机技术是被广泛采用的主流技术。

集中绕组采用扁铜线绕制成单齿绕组如图3（a）所示，再一个齿对应一个单齿绕组安装，因其短跨距的线圈端部可有效降低端部尺寸，其工艺相比Hairpin扁线电机也更简单。该结构因其分数次谐波过多，具有转矩脉动较大，径向力较复杂的缺点；为了降低齿槽转矩、转矩脉振动，该结构在装配工艺上需保证圆度、同轴度以及齿与齿间的均匀分布，装配要求更高。集中绕组技术在工业电机领域应用较多，新能源汽车电机领域也有部分厂家在研究应用；如本田Honda在其Acura混动车型上便采用了该技术，以其独特的分数槽集中绕组、分瓣式定子结构与相关优化技术取得了不错效果。采用了集中绕组技术的松正270系列PHEV-P2电机图3（b），以其独特的优势应用与混动方案中。

波绕组扁线电机采用绕组连续绕制整体成型再插入，或者边绕制边插入定子槽，形成波浪形端部，其相比Hairpin扁线电机没有焊点，能进一步缩短绕组端部高度，降低电机尺寸。但该类型定子总成槽口尺寸较宽，使得齿槽转矩更大，转矩脉动偏高，NVH性能较差，需配合电磁多目标优化设计及其他措施改进优化；同时其生产成本较Hair-pin电机更高。Hair-pin（U-pin）因其绕组形似“发卡”又被称为发卡绕组，是将漆包扁铜线一端预先成型成U型，再插入定子铁心槽中，另一端扭转加工成青蛙腿形状，再焊接在一起形成波浪型绕组[3]。另一种I-PIN绕组工艺直接将直铜线直接插入定子铁芯槽中，再两端部同时扭成青蛙腿形状焊接在一起形成波绕组，省去了U-PIN绕组中的预先成型工艺。U-PIN和I-PIN扁线绕组同属于第二代轴向嵌装绕组，两者相比在最高效率和峰值扭矩上不相上下，但后者相比前者具有更高的槽满率、持续扭矩和持续功率；因后者焊点多了一倍，绕组端部尺寸稍微增加，同时焊点失效风险也更高。Hair-pin绕组工艺是目前国内外广泛采用的工艺路线。
4、发卡线圈工艺

Технология «фэй-ка» — это технология массового производства высококачественных статоров с низким циклом. Этот технологический процесс включает пять основных этапов: формование (выпрямление, зачистка, резка и изгиб медных плоских проводов с эмалевой изоляцией), вставка (вставка в пазы статора изоляционных прокладок и сборки обмоток типа «фэй-ка»), скручивание головок, сварка и изоляция. [4]. Схема технологических этапов показана на рисунке 4.

Помимо изоляционной лаковой пленки, между медными проводами обмотки статора также устанавливается специальная прокладка для пазов статора, которая разделяет проводники друг от друга, предотвращая прямой контакт между витками или между проводниками и сердечником статора, повышая изоляционные характеристики и усиливая защиту от коротких замыканий. Поэтому необходимо вставлять изоляционную пазовую бумагу; распространённые формы пазовых бумаг включают: О-образные, С-образные, В-образные, S-образные и другие типы представлены на рис. 5. В-образная канавка обеспечивает устранение зазоров в угловых участках, присутствующих в S-образной канавке, тем самым повышая защиту от коротких замыканий [5].

В процессе вставки бумаги изоляционные листы заранее вставляются в пазы статора; по мере увеличения числа слоев плоских проводников сложность технологического процесса значительно возрастает. Технология формования PIN-контактов включает штамповку, прессование на пружинных машинах и автоматическое формование с помощью станков с ЧПУ. Первый метод отличается высокой скоростью формования и низкой себестоимостью, однако при этом он вызывает значительные повреждения медного провода; второй метод обладает большей универсальностью и меньшим воздействием на медный провод, однако его оборудование дороже. После формования PIN-контактов они предварительно вставляются в специальные формы-прототипы. По мере увеличения числа слоев плоских проводов возрастает сложность автоматической установки контактов между проводами. Затем все PIN-контакты, находящиеся в формах-прототипах, целиком вставляются в сердечник согласно заданным размерам — этот этап требует высокой точности оборудования. Далее, с помощью операций расширения отверстий, скручивания головок и срезания краёв обмотки её концы выравниваются для последующей пайки. В настоящее время наиболее распространёнными методами сварки обмоток плоскими проводами являются TIG-сварка и лазерная сварка; некоторые компании также экспериментируют с такими методами, как холодная сварка CMT. После завершения сварки необходимо сначала провести электрические испытания обмотки: проверить сопротивление фаз, индуктивность фаз и их баланс, а также выполнить испытания на устойчивость к напряжению и сопротивлению. Только после успешного прохождения этих тестов производится покрытие обмотки. Технология покрытия различается в зависимости от используемого материала: порошковое покрытие и жидкостное покрытие имеют разную последовательность операций. При порошковом покрытии сначала наносится порошок, затем осуществляется пропитка лаком; при жидкостном покрытии сначала выполняется пропитка лаком, а затем уже наносится жидкость. Пропитка лаком может осуществляться различными способами в зависимости от материала: традиционная пропитка, вакуумная пропитка, вакуумно-нагнетательная пропитка, капельная пропитка и пропитка с использованием экстремального ультрафиолетового излучения (EUV).
5. Исследование тенденций развития
5.1 Число слоёв проводников постепенно увеличивается

Как показано на рисунке Как показано на рисунке 6, увеличение числа слоев проводников позволяет эффективно снизить потери меди при переменном токе, тем самым уменьшая общие потери меди в двигателе и повышая его общую производительность. Чтобы дополнительно снизить потери при высокочастотном переменном токе, обусловленные эффектом близости, в двигателях с пакетными обмотками применяется метод увеличения числа слоев проводников; начиная от уже внедрённых вариантов с 4, 6 и 8 слоями и заканчивая исследуемыми вариантами с 12 и 16 слоями, наблюдается тенденция к постепенному увеличению числа слоев. Основные трудности исследования связаны с ограничениями технологического уровня и необходимостью контроля производственных затрат [6].

5.2. Оптимизация изоляции

Более сложная изоляционная прокладочная бумага делает технологический процесс монтажа более сложным и повышает требования к точности станков с числовым программным управлением. Поэтому исследование более совершенных изоляционных технологий становится важным направлением. Шевроле Двигатель Bolt упростил изоляцию пазов, применив более простую двухкомпонентную изоляцию пазов, которая предотвращает короткое замыкание обмотки на сердечник статора. Новая конструкция, показанная на рисунке 7(а), по сравнению с изоляцией типа S и типа B, исключает необходимость изоляции между проводниками, что дополнительно повышает заполняемость пазов и упрощает технологический процесс изготовления статора. Одновременно для минимизации разности потенциалов между проводами внутри паза компания General Electric провела соответствующую оптимизацию компоновки обмотки. Кроме того, была внедрена дополнительная изоляция из полимерного материала поверх базовой изоляции проводников, как показано на рисунке 7(б), что позволило отказаться от использования пазовой изоляции и решить проблему межвитковой изоляции обмотки, тем самым упрощая производственный процесс [2].

5.3. Широкое применение технологии масляного охлаждения Тепло обмотки должно проходить через изоляционный слой внутри паза. Тепло, выделяемое статорным сердечником и корпусом, отводится водой лишь по длинному пути; при этом существующее тепловое сопротивление легко приводит к образованию локальных горячих точек, что снижает эффективность водяного охлаждения. Охлаждение маслом, позволяющее непосредственно контактировать с источником тепла и не влияющее на магнитную цепь двигателя, обладает более высокой эффективностью теплоотвода и поэтому стало предметом интенсивных исследований. Основная часть тепла в двигателе сосредотачивается в концах обмоток; уникальная технология охлаждения концов обмоток путём подачи масла в плоских проводах позволяет значительно улучшить теплоотвод. Технологии масляного охлаждения, охлаждения методом распыления масла, центробежного охлаждения маслом через ось и замкнутого цикла охлаждения маслом в статоре получили широкое применение и активно исследуются в двигателях с плоскими проводами.
6. Заключительное слово
Быстрое развитие автомобилей на новых источниках энергии привело к широкому внедрению двигателей с плоскими проводами, обладающих уникальными преимуществами и ежегодно увеличивающимися показателями проникновения. Двигатели с плоскими проводами имеют важное значение для исследований в области миниатюризации, облегчения и повышения удельной мощности электродвигателей для автомобилей на новых источниках энергии. В данной статье кратко анализируются преимущества двигателей с плоскими проводами по сравнению с традиционными двигателями с круглыми проводами, описываются технологические процессы изготовления популярных петлевых обмоток, а также рассматриваются текущие направления исследований и перспективы развития технологии двигателей с плоскими проводами, что служит справочным материалом для углубления понимания и расширения исследований в области этих двигателей и связанных с ними технологий. Источник: Факультет механической и электротехники, а также инженерии транспортных средств Чунцинского университета транспорта Лан Пэнъюй