1、為什么1%的性能提升竟然能造成行業(yè)巨變？
近期，新能源汽車領(lǐng)域鋰電池風頭竟被占僅占車輛成本10%的電機所蓋。與扁線電機相關(guān)的精達股份、方正電機等企業(yè)股價則是上漲近一倍，而原因竟是一臺效率提升1%的扁線電機的應用，為什么這1%的性能提升竟能引起整個行業(yè)的巨變？
縱觀歷史，不論是體育競技還是企業(yè)商戰(zhàn)，高手對決，在逼近極限的時候
每1%的提升往往都能帶來遠超1%的效果。
回顧扁線電機的發(fā)展歷程，在國外雪佛蘭Volt與豐田第四代Pruis早已經(jīng)開始應用扁線電機，而國內(nèi)這方面的研究雖然起步較晚。但近期，特斯拉、上汽新能源、極氪、比亞迪等新能源車企都加快了將圓線電機替換成扁線電機的步伐。
而更換的原因就在于：扁線電機相比普通電機效率能夠提升1%。
將效率1%提升的扁線電機，到底厲害在哪里？
高中物理老師告訴我們，機械做功的本質(zhì)，是能量從一種形式轉(zhuǎn)化到另一種形式的過程。
對于電機來說，目標就是將電能轉(zhuǎn)換為機械能。而且由于能量守恒定律的存在，這個轉(zhuǎn)換效率的極限，是99.99……%，無限接近但不能達到100%。
對于電機來說，損耗來自于這幾個方面。
永磁同步電機的轉(zhuǎn)化效率可達到96%-97%，已經(jīng)遠遠高于只有30-40%熱效率的內(nèi)燃機。
如何在這個數(shù)字上更進一步？使用更合理的定子繞組，在能量損耗最大的銅耗上做文章，是業(yè)內(nèi)的共識。
簡單說，抓大頭，把錢花在刀刃上。
一直說的扁線繞組，就是應對這些需求，所產(chǎn)生的技術(shù)趨勢。
什么是扁線技術(shù)？
永磁同步電機，主要由定子組件、轉(zhuǎn)子組件以及其他輔助件組成。
定子組件是決定電機性能的關(guān)鍵，由定子鐵芯、繞組、引出線、以及絕緣材料組成。
銅線外側(cè)加絕緣涂層，制成漆包線，再首尾相連組成繞組，扁線繞組便是其中的一種繞組形式。
因為其單根漆包線形狀像發(fā)卡，又俗稱發(fā)卡電機，在國外則稱之為Hair-pin電機。
2、扁線電機有哪些好處？
（1） 高效率
簡單來說，就是單位面積內(nèi)，銅變多了。扁線電機相比傳統(tǒng)圓線電機，裸銅槽滿率可提升20%~30%，有效降低繞組電阻進而降低銅損耗。
關(guān)于“槽滿率”這個詞，我們可以用這個比喻來形容——傳統(tǒng)圓線繞組電機，猶如美國式機械灌溉農(nóng)田，無法填滿互相之間的空隙，造成面積的浪費；而在中國，我們不會這樣浪費寶貴的土地。
在寸土寸金的電機定子的截面里，同樣的故事在發(fā)生。相比圓線繞組，扁線電機能在同樣條件下，塞進更多面積的導線。導線越粗、電阻越小，在導線上因發(fā)熱損失的能量就會越小。
其次，端部尺寸更短。Hair-pin電機相比圓線電機繞組端部尺寸更短，端部總高度短5~10mm，有效降低端部繞組銅耗，進一步提升電機效率。
端部的銅對電機功率沒有幫助，只是起到連接作用，會產(chǎn)生額外電損耗，所以越短越好
這些結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，可以使得電機平均效率，相比不使用扁線技術(shù)的電機，提高1%以上。
但是，畢竟提升幅度只有1%。工程師們在實驗室里死摳這“點”技術(shù)，有多大意義？在用戶體驗方面，又能給用戶帶來哪些提升？
首先，從電機特性圖上我們可以看出四槽扁線繞組電機，最高效區(qū)間的面積被明顯放大了。
橫軸方向上的放大，說明最高效區(qū)間的轉(zhuǎn)速范圍變大了。從城市擁堵的低速工況，到高速巡航工況，都能享受到最高的效率。
縱軸方向上的放大，說明最高效區(qū)間的扭矩范圍變大了。從小油門勻速，到大油門急加速，確保最多的能量被用于驅(qū)動車輛。
其次，所謂的“1%”，指的是在WLTC工況下兩者的平均效率差，扁線電機要高1.12%。但是在全域平均情況下，兩者效率值相差達到2%。低速大扭矩工作點，最高甚至可提升效率10%。
（備注：WLTC是即將執(zhí)行的新能源油耗測試標準。與NEDC相比，WLTC在測試時間、模擬路況變化情況
當然，扁線技術(shù)帶來的不只是高效率。
（2） 更高的功率密度
剛剛說了，Hair-pin電機提高裸銅槽滿率20%~30%，目前國內(nèi)較高水平可達75%槽滿率未來還有較大增長空間。相同體積情況下，扁線電機可以塞進更多的定子繞組，這樣在相同損耗下扁線電機可以能輸出更高的功率和扭矩。
目前國內(nèi)采用扁線繞組的電機最高功率密度達到5kW/kg，而普通電機在3kw/kg時就遇到了瓶頸，而國家《節(jié)能與新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》要求電機須達到4kw/kg以上，扁線電機的應用成為必然。
（3）更強的散熱能力
相對于圓線，扁線電機扁線形狀更規(guī)則，在定子槽內(nèi)緊密貼合，與定子鐵芯齒部和軛部更好接觸，降低槽內(nèi)熱阻，熱傳導效率更高，進一步提升電機峰值和持續(xù)性能。
從使用中去看就是持續(xù)性能更強，能夠降低電動車在跑高速時的疲軟。
（4）更好的NVH表現(xiàn)
使用扁線結(jié)構(gòu)的電機，由于繞組有更好的剛度，整機也將具備更好的剛度。同時扁線繞組是通過鐵芯端部插線，不需要從槽口嵌線，電磁設計上可以選擇更小的槽口設計，有效降低齒槽轉(zhuǎn)矩脈動。機械和電磁的振動噪音都能有效降低。
（5）更小的重量和體積
在同等功率下扁線電機因為槽滿率、效率的提升。因此銅材用量下降，這就使得扁線電機能夠擁有更小的體積和重量，對乘用車企業(yè)來說電機體積的縮小使得車輛整體有了更大的空間可以利用，比如增大電池的容量。而較小的重量也使得車輛速度、續(xù)航能有一定的提升。
3、那扁線技術(shù)為什么之前沒有被廣泛應用？
既然相比傳統(tǒng)圓線電機，扁線電機在效率、性能、散熱等方面具備明顯優(yōu)勢，那為什么之前沒有被廣泛應用？
其實不是不想用，而是沒條件。
首先在前兩年對于新能源整車來說電池提升的重要性和可提升性都要高于驅(qū)動電機。
而扁線繞組制造過程非常復雜。需要先將導線，制作成發(fā)卡的形狀，然后通過自動化插入到定子鐵芯槽內(nèi)，然后進行端部扭頭和焊接。
相對圓線電機，扁線電機無法進行手工制造。
想批量化高效率生產(chǎn)，必須要建立自動化產(chǎn)線，產(chǎn)線和設備投入較大，且量產(chǎn)后還需對良品率進行控制。所以在市場、技術(shù)層面都不利于扁線電機的實際應用。
4、為什么扁線電機市場現(xiàn)在爆發(fā)了？
過去因為各項技術(shù)不成熟導致產(chǎn)品不良率高，所以扁線電機無法大量應用，但是這些年電機企業(yè)也并沒有停下研發(fā)的腳步。華域電動、藝達電驅(qū)動、方正電機等企業(yè)都在扁線技術(shù)上進行著持續(xù)性的投入，近年扁線繞組技術(shù)也由2層、4層升級為最新的8層扁線繞組技術(shù)。
因為隨著電動車動力需求的增加，電機的轉(zhuǎn)速越來越高，通過繞組的交流電的頻率也越來越高。這里的交流電有著明顯的“趨膚效應(skin effect)”，導致中間的面積被浪費，周圍的電流很大，發(fā)熱明顯，效率降低。而采用了8層扁線繞組技術(shù)的電機，導線面積更大，所以電阻和能量損耗都得以降低，電機效率提高。
以上汽新能源ER6車型為例，這臺電機的最高效率達到了97%，并且在大部分工況下都能達到90%以上的效率。它的最高轉(zhuǎn)速達到了15000轉(zhuǎn)，新車0-100公里/時加速僅需7.8秒，極速達185公里/時。
對比4層發(fā)卡繞組電機，8層扁線繞組電機效率≥90%的區(qū)間從83%提升到了88%，增加了整整5%。
此外，通過仿真軟件測算的效率MAP數(shù)據(jù)顯示，同一款ER6車型分別采用8層發(fā)卡電機和4層發(fā)卡電機時，搭載8層發(fā)卡電機的車型NEDC工況的平均電耗從13.8千瓦時/百公里下降到12.2千瓦時/百公里，降幅超過11.5%，切實提升車輛續(xù)航里程。
再比如受益國產(chǎn)電機性能優(yōu)勢，Model3/Y功率及扭矩小幅提升特斯拉國產(chǎn)電機采用了扁線技術(shù)。 相比圓線電機， 扁線電機滿槽率和功率密度得到提升，效率更高， 散熱、 HNV、輕量化等性能更優(yōu)。 國產(chǎn)電機版的 Model 3 與 Model Y 車型僅更換后電機。 Model 3 后電機最大功率從 202kW 提升至 220kW，最大扭矩從 404Nm 提升至 440Nm； Model Y后電機最大功率從 180kW 提升至 220kW， 最大扭矩從 326Nm 提升至440Nm。
這已經(jīng)不是簡單地工作效率或者動力的提升，如今扁線電機的技術(shù)性能提升已經(jīng)使得車企能在空間布局上有更多的選擇，在提升性能或是續(xù)航上可以有更多可觀的變化。在電池短時間內(nèi)難以有大的突破情況下，新能源車企便開始將目光轉(zhuǎn)向技術(shù)得到升級的扁線電機，至此扁線電機崛起。以目前的替換速度，相信2025年扁線電機的滲透率將達到90%
5、肉眼可見的性能提升是多年的技術(shù)沉淀的結(jié)果
但是這種技術(shù)優(yōu)勢并不是一蹴而就，就像之前所說相比于傳統(tǒng)圓線電機扁線電機的制造需要從扁線原材料、生產(chǎn)設備、生產(chǎn)流程工藝都需要長時間的投入與測試，其中華域電動、藝達電驅(qū)動、方正電機三家企業(yè)經(jīng)過提前布局投入與多年的研發(fā)，已經(jīng)實現(xiàn)扁線電機研發(fā)設計、生產(chǎn)設備、生產(chǎn)工藝的自主化，具備較強的競爭優(yōu)勢。
以藝達電驅(qū)動為例：
藝達電驅(qū)動的扁線電機優(yōu)勢源于長遠的眼光和持續(xù)性的投入，2000年藝達電驅(qū)動就已經(jīng)認準扁線電機的前景，將其定位為未來戰(zhàn)略發(fā)展目標，并組建了一支高精尖技術(shù)研發(fā)團隊，早在2006年就研發(fā)出高效扁線發(fā)電機，于2013年成功研發(fā)出新能源扁線驅(qū)動電機。如今從研發(fā)試驗到生產(chǎn)制造都能做到自主，擁有4項國家發(fā)明專利、2項軟件著作權(quán)和70余項國家實用新型專利，其八層扁銅線驅(qū)動電機產(chǎn)品性能已達到行業(yè)領(lǐng)先水平。憑借出色的產(chǎn)品性能及可靠性，目前已和一汽解放、北汽福田等國內(nèi)多家知名商用車主機廠建立同步研發(fā)合作關(guān)系。相信未來藝達電驅(qū)動將與更多的合作伙伴一同推動新能源汽車行業(yè)的發(fā)展，為我國碳中和目標的實現(xiàn)添磚加瓦。
6、結(jié)語
目前，扁線電機在效率、功率密度、散熱能力、體積重量等方面已具有顯著的優(yōu)勢，未來隨著技術(shù)工藝的進一步成熟，扁線電機的生產(chǎn)成本將低于傳統(tǒng)圓線電機。可以預見未來扁線電機會有更廣闊的應用市場，而隨著扁線電機大批量搭載和應用，將進一步推動全球電動化的發(fā)展，這不僅僅是華域電動、藝達電驅(qū)動等企業(yè)付出后的收獲，更是人類社會可持續(xù)發(fā)展道路上的新篇章和重要轉(zhuǎn)折點。從某種意義上說，如果沒有全社會對低碳環(huán)保的重視，扁線電機乃至整個新能源行業(yè)就不會有如此迅速的發(fā)展，所以從全局角度看扁線電機的勝利究其根本不是性能的提升，而是源于人類主人翁意識的普遍提升。希望未來隨著各項科學技術(shù)的提升，人類與環(huán)境的關(guān)系會朝著更和諧的方向發(fā)展。