相较于圆线电机，扁线电机最大的特征就是电磁线的横截面为矩形，在做绕组的过程中，矩形横截面有两大优势：一是可以有效提升空间利用率（槽满率可提升20%～30%），从而提升功率密度），如图2所示。矩形横截面可以使导体与导体、导体和铁芯的接触面积更大，热传导性能和散热性能更强。二是是有效提升整车的 NVH 性能（即衡量整车结构产生的噪声对乘车舒适性的影响）。另外，扁线电机在材料成本、高效率区、绕组温升、端部绕组和减重方面都有较大优势，具体如图3所示。
图2 圆线和扁线的对比
图3 扁线电机对比圆线电机的优势
但随着技术迭代，扁线电机市场渗透率逐年提高，《节能与新能源汽车技术路线图》评估认为，2021年中国销量TOP15新能源车型的扁线电机渗透率已达27%，2022年约提升至40%，2025年可能会达到80%-90%。扁线电机应用比较有代表性的车企是比亚迪，比亚迪早在2013年就开始扁线电机的研制，自己开发了扁铜线的生产工艺，解决了扁铜线在成形回弹、绝缘形变、强耐电晕、端部扭头、定子插入的精度和抗耐力等一系列问题，目前比亚迪的扁线电机效率达到了全球领先的97.5%。未来比亚迪乘用车100%使用扁线电机。部分车企扁线电机规划见表1。表1 部分车企扁线电机规划
电机生产工艺繁复，需投入大量专用设备。在电机制造业中，除了金属切削机床和冲压设备以外，还要具备大量的非标设备，例如空心电机轴旋锻设备、铁心冲片涂漆和干燥所用的专用设备；转子铸铝所用的熔铝炉、预热炉及压铸机、转子铜条中频焊机；防爆电机壳体耐压试验设备；绕组制造中所用的绕线机、胀形机、包绝缘机、浸渍、烘干设备等，这些设备的质量会对电机的性能及工作的可靠性有着很大的影响。
和圆线电机最大的不同是扁线电机定子的生产，其自动化生产线生产流程包括线成型-插槽纸-纸整形-穿制线-插线-线入模-扭线-线转移-线整形-焊接-浸漆-烘干，涉及的生产设备包括发卡制线设备、发卡插纸设备、发卡扭头＋焊接、滴漆设备、涂敷设备、全线自动化等。不同厂家有不同的生产工艺路线，图4是一张网络图片，较形象地展示了定子产线工序。
图4 扁线定子工序
1.线成型
线成型指将扁漆包线放卷、矫直、去漆皮、去毛刺、牵引、裁断、移载以后，通过CNC折弯或冲压的方式制成Hair-Pin或I-Pin或S-winding。
图5 Hair-Pin和I-Pin
线成型工艺难点：线圈放卷张力控制和冲压成型要求高精度；去漆皮、去毛刺、牵引、裁断要求既保证功能实现，又需要尽可能降低机械冲击和伺服负载率。解决方案：放圈机通过闭环转矩放卷控制，达到精度±1N，同时通过卷径计算和牵引速度控制和PID输出控制双控制，保证恒张力；去漆皮、去毛刺、牵引、裁断采用追剪凸轮控制，将间歇式加工变为连续加工，效率提升30%，同时动作更柔和；冲压成型采用位置+力矩转换控制，定位迅速，保压精度0.1%。去漆皮工艺通过机械方式或者激光方式来实现。机械方式包括刮削、铣削和冲切方式，投资成本低，但易伤铜基材；激光方式不伤铜基材，但成本高。目前大多数企业仍使用机械方式去漆皮。线成型通过模具冲压、CNC连续折弯或者弹簧机来实现，难点是防止铜线回弹，保证尺寸精度，提高效率。这三种成型方式对比见表2。通过对比可以看出，如果是大批量生产，模具冲压成型工艺最合适，小批量多品种可选择CNC连续折弯工艺，试件打样适合选择弹簧机。表2 不同线成型工艺对比
2.PIN插入
从调研来看，将PIN插入铁芯或插入仿形工装这（形成线杯，也称鸟巢）一工序大部分仍采用手工方式，自动化插入是难点。因为一台电机有多种线型，自动化设备复杂，成本高。如果利用设备插入，跨层线的自动插入是难点，6层和8层线自动插入难度会大幅提升。自动化设备所有对中、导向相关的机构和零件精度要求高，在Hair-pin插入铁芯时，需要让所有槽（48、54、72…）同时与铁芯槽口精确对中，铜线才能顺畅进入铁芯槽口。槽满率越高，对中的精度要求就越高。在入线过程中，必须保证整体抱线机构、入口导向机构、定子铁芯、铁芯定位底座等一连串机构的轴线和角度精确对中，一般轴线对中精度要控制在0.05mm以内，角度对中精度要控制在0.02°以内。这非常考验自动化供应商的机械设计能力、机加工能力、装配调试能力，以及电气控制能力。
图6 鸟巢
国内的一些设备商将线成型（2D或3D）和形成鸟巢集成到一台设备中，鸟巢压装在另一台设备中，如图7所示。
图7 PIN插入设备
3. PIN扭转
扭转指将插好PIN的定子端部的PIN脚按照先外层后内层的顺序进行交错扭转变形。扁线电机定子一般有48槽，每槽4-8层扁线。扭转过程中，Z轴持续匀速下降，扭转盘动作由外而内依次进行，并与Z轴保持一定同步关系。
图8 扭头
发卡电机的铜pin，需要从端部扭转到相应位置，要求既要实现扭转，又要降低端部尺寸，该道工序如果不能实现精准的扭转，后期焊接将会非常困难，不利于产品批量生产。扭转的工艺难点：根据材料特性分析数据建立扭转模型仿真，输出形变过程的离散位置和角度点，耦合成同步曲线。解决方案：扭转过程中接近材料特性，仿真输出离散Z轴位置和C轴角度，拟合成凸轮曲线，动作更平滑，成型效果更好；同时配方切换时，工艺的参数变更操作也更灵活、快捷。
4.热门技术X-pin
扁线电机主要有三条技术路线：Hair-pin、I-pin、S-winding。三种技术路线都有各自优势，目前Hair-pin为主流，I-pin以联合电子、博世为代表，S-winding以博格华纳为代表。S-winding对扁线的要求更高，加工费也更高。1月9日，博格华纳动力驱动系统天津的工程团队经过长期研发，在原Hair-pin电机的基础上，开发并试制出了X-pin工艺的扁线工程样机。上海车展期间博格华纳还展出了X-pin定子。
图9 博格华纳 S-winding 和X-pin
X-pin并不是线型结构的创新，而是焊点搭接方式的改变（见图9），因其端部高度降低10mm、原材料成本下降约20元/台、省去切平设备（约80万元）等优点而成为眼下最为热门的电机技术。——因没有直线段部分，扭头时工装无法抓住铜线，如何将整圈铜线同时扭斜？——由于线型、铜线压入、扭斜等工序存在误差，如何保证扭斜后两根铜线端部能够实现完美搭接？——发夹定子可使用整体夹紧盘对所有焊点从4个面同时加紧，但X-pin没有直线段部分，没有易于夹持的着力点，夹紧空间小，自动化夹具设计困难。——为了保证交叉区的爬电距离，X-pin定制需要尽可能减少去起皮长度（2-3mm），焊接时需要想尽一切办法降低高温对漆膜边界的灼烧。博格华纳从十几种焊接工艺中，选定了低温纳米银合金做为X-pin的焊接技术，其特点是焊接温度低、浸润性好，导电性好，焊接强度高等，且焊接后不会烫伤漆膜，焊接后拉力可以达到1000N以上，完全能够满足X-pin的焊接要求。跃科智研从提高热效率、深熔焊（大功率、负离焦）、绿光激光器方面进行激光焊接优化；利用工装水冷降温、增加工装接触面积、加大工装尺寸（热容）增加焊接导热；开发新的焊接工艺，进行填料焊接和融铜焊接，并在设备开发方面进行创新。广汽埃安推出的夸克电机融合自主专利的X-PIN扁线定子技术和碳纤维高速转子技术，在缩小25%体积的情况下，电驱功率提升30%以上。但作者并没有看到X-PIN扁线定子在上海车展期间展示，只看到了Hair-pin定子（图11）。
图11 夸克驱动电机
X-pin定子一旦开发成功并应用，将极大地冲击现有发卡I-pin、S-winding的地位，可能成为扁线电机中的王者。
扁线电机在新能源汽车上大规模应用的时间并不长，然而其技术迭代的速度之快另人惊叹，如何满足扁线电机生产的效率和质量是设备商努力的方向。有些设备商从一开始就和扁线电机研发人员一起，从设计、工艺和装备方面统一考虑，既能满足电机性能要求，又能使生产成本最低。目前，国内企业已完全掌握扁线电机工艺与装备技术，基本不存在卡脖子的装备问题。生产线上伺服控制系统和电机也在逐步国产化。一位设备商告诉作者，新冠疫情期间，生产线上急需的伺服设备无法进口，于是只好采用国产设备替代进口，从生产效果来看，国产伺服系统并不比进口品牌差。当然，由于机械基础制造整体上的差距，国产设备在可靠性和效率方面和国外先进技术还有不小的差距，但随着应用市场的成熟，这种差距正在缩小。
文章来源：旺材电机与电控
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