新能源汽车驱动电机的扁线方案：8层绕组电机方案最佳

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扁线电机由于效率高、散热能力强，且噪声、振动与声振粗糙度（NVH）好，逐渐成为新能源汽车驱动电机的发展趋势。随着驱动电机高速化的不断推进，扁线电机绕组涡流损耗表现尤为显著，影响电机效率的提升，同时带来电机散热难的问题。

北京新能源汽车技术创新中心有限公司的研究人员马永志、杨良会，在2021年第7期《电气技术》上撰文分析得知，搭载8层绕组电机的整车续航里程略大。8层绕组工艺复杂度较大，但4层绕组高速绕组损耗过大，温升超限值，所以只能选择8层绕组电机方案。

驱动电机作为新能源汽车的动力来源，其性能优劣直接决定了新能源汽车性能指标的高低。随着新能源汽车动力性、经济性的不断提升，驱动电机呈现出高速化、高功率密度、高效率的发展趋势。电机绕组由圆线逐渐向扁线发展。

扁线电机有以下优点：①槽满率高、绕组端部短，所以电阻小、铜耗小，电机效率高；②体积小，所以功率密度高；③由于扁线绕组特殊的结构特征具有更好的刚度，整机也具备更好的刚度，对噪声具有抑制作用；④导体之间接触面积大，有利于散热，对控制温升有利。

扁线电机在很多行业都有应用，如大功率异步电动机、机车电机等，这些电机工作频率较低，用经验算法或基于等效电路的场计算方法基本能满足工程应用。但随着新能源汽车电机工作频率的不断提高，基于等效电路的场计算方法不能完全满足其要求，而且扁线层数从2层逐渐增大到4层、6层、8层或更高，需要的仿真计算精度大大提高。只有精确仿真计算绕组损耗，得到电机效率MAP图，才能精确仿真计算新能源汽车的性能。

有研究者分析了电流谐波、槽口高度、导体尺寸和位置、并绕根数对绕组交流铜耗的影响，通过优化设计槽口高度、扁线尺寸等会显著降低绕组交流铜耗。有研究者仿真分析考虑趋肤效应影响的三种绕组设计方案的电机温升值，其仿真结果表明，合理地选取绕组线径和并绕根数可以有效抑制交流绕组的趋肤效应，降低电机温升。

有研究者分析了邻近效应的磁场分析方法。有研究者提出了一种分离趋肤效应和邻近效应的方法。对新能源汽车来说，电机效率的高低直接影响整车续航里程的大小，所以研究不同层数扁线导体引起的电机效率高低变化及对整车续航的影响显得尤为重要。

在分析上述文献的基础上，北京新能源汽车技术创新中心有限公司的研究人员进行新能源汽车驱动电机扁线方案设计。

1）首先进行了电机绕组交流损耗概述，包括趋肤效应和邻近效应的基本原理、分析计算方法等。在一款永磁同步电机模型上，对4层绕组、8层绕组两种扁线方案进行仿真分析，得出两种电机不同转速下的绕组损耗，4层绕组的绕组损耗在2 400r/min以上超过8层绕组，且损耗差距随着转速升高逐渐增大。

图1  4层绕组电机模型

图2  8层绕组电机模型

2）仿真分析两种电机效率MAP图，8层绕组最高效率94.5%，4层绕组最高效率93%，8层绕组比4层绕组的高效区偏高速，而且高效区占比较大；就平均效率而言，8层绕组为89.8%，4层绕组为87.9%，8层绕组平均效率高了约2%。

图3  4层绕组电机效率MAP图

图4  8层绕组电机效率MAP图

3）应用Cruise软件搭建整车仿真模型，分析计算续驶里程和电机平均效率。两标准工况（NEDC、CLTC-P）下，8层绕组电机续驶里程均比4层绕组电机略大；8层绕组的电机平均效率均比4层绕组大1%。8层绕组工艺复杂度较大，但由于4层绕组在高速时的绕组损耗过大，电机散热困难温升会超限值，所以综合考虑，最终选择8层绕组电机方案。

图5  整车仿真模型

图6  NEDC工况点在8层绕组电机系统效率MAP下的分布

图7  CLTC-P工况点在8层绕组电机系统效率MAP下的分布

本文编自2021年第7期《电气技术》，论文标题为“不同层数扁线电机及其搭载整车性能分析”，作者为马永志、杨良会。