現(xiàn)有扁線繞組多采用銅材料，銅材料具有較高的電導(dǎo)率，但在高頻下的交流損耗較大。為限制扁線繞組的高頻交流損耗，部分企業(yè)考慮將扁線的全部或部分層更換為鋁材料扁線。鋁扁線成本更低，且受高頻下集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的影響更小，但存在直流電阻大，在低頻下?lián)p耗高等問(wèn)題。

銅的電導(dǎo)率約為58 MS/m，鋁的電導(dǎo)率約為35 MS/m，僅為銅的60%左右。這意味著在相同截面積和長(zhǎng)度下，鋁線的電阻比銅線高。電阻高就會(huì)導(dǎo)致繞組的損耗顯著增加。若電流相同，鋁線的發(fā)熱量就會(huì)比銅線高，這會(huì)降低電機(jī)效率，并增加散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度。

若是在高頻工況下，鋁線的等效電阻還會(huì)進(jìn)一步增加。若要通過(guò)增大鋁線截面積來(lái)降低電阻，鋁線的直徑需增加（電阻與截面積成反比），這會(huì)導(dǎo)致繞組體積顯著增大，進(jìn)而增加電機(jī)的整體尺寸和重量，與新能源汽車高功率密度的設(shè)計(jì)目標(biāo)沖突。

這也是當(dāng)前鋁線為什么沒(méi)有用在電機(jī)里的原因，新能源汽車電機(jī)對(duì)高功率密度、高效率、高可靠性的要求，使得銅線成為定子繞組的首選材料。鋁線雖在成本和密度上有優(yōu)勢(shì)，但其導(dǎo)電性、連接工藝等方面仍有短板。

01.

那為什么還要發(fā)展鋁線繞組電機(jī)

其實(shí)大眾對(duì)于用鋁替換銅還是存在一定的誤區(qū)，認(rèn)為這是為了降低成本而做的減配。其實(shí)不然，降本增效這個(gè)概念討論的也是蠻久了，鋁線定子、銅鋁混合線定子就是基于降本增效的目的開(kāi)發(fā)的。就比如輔驅(qū)電機(jī)跟鋁線繞組就是很不錯(cuò)的結(jié)合，輔驅(qū)電機(jī)功率通常低于主驅(qū)電機(jī)。低功率下，鋁線電阻導(dǎo)致的銅損對(duì)整體效率的影響相對(duì)較小，而材料成本可降低30%-50%，降本優(yōu)勢(shì)突出。

而且，輔驅(qū)電機(jī)常作為峰值輔助（如急加速、爬坡時(shí)介入），而非持續(xù)滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。短時(shí)間高電流下，鋁線的發(fā)熱可通過(guò)間歇運(yùn)行散熱緩解。若布局空間寬松，允許通過(guò)增大鋁線截面積來(lái)降低電阻，雖會(huì)增加繞組體積，但對(duì)整車布局影響是小于主驅(qū)電機(jī)的。在非持續(xù)高負(fù)荷運(yùn)行的輔驅(qū)場(chǎng)景，鋁線可在降本的同時(shí)平衡性能。而若工況要求高功率密度、持續(xù)高效運(yùn)行，則仍以銅線更為可靠。因此，還需提出一種在不影響銅扁線繞組本身優(yōu)勢(shì)的前提下減小高頻交流損耗的定子繞組結(jié)構(gòu)。

02.

銅鋁復(fù)合扁線繞組

除了常規(guī)的銅鋁混合繞組，還有一種銅鋁扁線復(fù)合繞組結(jié)構(gòu)，就是把銅扁線和銅鋁復(fù)合扁線混合搭配使用來(lái)提升電機(jī)性能。具體來(lái)說(shuō)，就是在電機(jī)定子的槽里，從最靠近槽底的底層到靠近槽口的表層，分層放置純銅扁線和一種特殊的“銅芯鋁皮”復(fù)合扁線。這種復(fù)合扁線里面是銅芯，外面包裹著鋁層。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于：把幾層這種銅芯鋁皮扁線集中放在靠近槽口的區(qū)域，而把純銅扁線放在更靠近槽底的位置。

圖片來(lái)源：浙江大學(xué)

為什么要這樣布局呢？因?yàn)殡姍C(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，槽口區(qū)域的導(dǎo)線更容易產(chǎn)生高頻渦流損耗導(dǎo)致發(fā)熱，而鋁材料在高頻下?lián)p耗比銅小，所以用鋁皮包裹的復(fù)合線放在這個(gè)熱點(diǎn)區(qū)域能顯著降低發(fā)熱。同時(shí)，靠近槽底的區(qū)域更多使用純銅扁線，利用銅優(yōu)異的導(dǎo)電性來(lái)保證整體電阻不會(huì)增大太多，避免低速時(shí)效率下降。

圖片來(lái)源：浙江大學(xué)

通過(guò)電腦仿真精確計(jì)算，可確定用幾層復(fù)合線、銅芯做多粗多厚才能讓電機(jī)在各種轉(zhuǎn)速下總損耗最低。這樣做的好處很明顯，既保留了扁線電機(jī)導(dǎo)線排得密、功率大的優(yōu)點(diǎn)，又通過(guò)鋁材料降低了高頻損耗和整體成本，讓電機(jī)更省電、更劃算。簡(jiǎn)單說(shuō)，就是用“銅打基礎(chǔ)，鋁控發(fā)熱”的混合布局，巧妙的平衡了高低頻下的效率。

03.

銅鋁焊接怎么解決

銅扁線和鋁扁線由不同材料制成，熔點(diǎn)不同，銅扁線和鋁扁線之間的焊接需要特別的焊接技術(shù)，工藝較為復(fù)雜。采埃孚的這項(xiàng)（CN221695748U）專利解決了扁線電機(jī)中銅線和鋁線焊接困難的核心問(wèn)題。它采用了一種巧妙的“過(guò)渡轉(zhuǎn)接”方案。在需要連接的鋁扁線端頭預(yù)先固定一個(gè)特制的銅塊，讓鋁扁線通過(guò)這個(gè)銅塊間接與銅扁線焊接。

具體來(lái)說(shuō)，鋁扁線端部設(shè)計(jì)成燕尾榫的凸起結(jié)構(gòu)，銅塊則開(kāi)有對(duì)應(yīng)的燕尾槽，兩者像拼積木一樣精準(zhǔn)插接鎖定。為進(jìn)一步加固連接，還會(huì)用鉚釘貫穿榫卯部位進(jìn)行沖壓，使鋁線與銅塊徹底咬死。

完成這步機(jī)械固定后，銅塊與銅扁線的焊接就變得非常簡(jiǎn)單，因?yàn)閮烧叨际倾~材質(zhì)，直接用常規(guī)激光焊接就能實(shí)現(xiàn)牢固連接。

這種方法不僅避開(kāi)了銅鋁熔點(diǎn)差異大、直接焊接易開(kāi)裂的行業(yè)難題，還通過(guò)榫卯+鉚接的雙重物理鎖止，確保接頭在電機(jī)高速震動(dòng)下也不會(huì)松脫。更妙的是，整個(gè)方案只需對(duì)鋁線端部進(jìn)行沖壓開(kāi)榫和表面清漆處理，無(wú)需昂貴設(shè)備，大幅降低了量產(chǎn)難度和成本。簡(jiǎn)單說(shuō)，就是用“鋁線戴銅帽”的轉(zhuǎn)接思維，把銅鋁焊接的難題轉(zhuǎn)化成了成熟的銅銅焊接。

總結(jié).

鋁扁線在扁線繞組中的替換策略需嚴(yán)格匹配工況頻率特性，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行頻率低時(shí)，全鋁或部分鋁線方案可顯著降低高頻損耗，結(jié)合成本優(yōu)勢(shì)具備應(yīng)用價(jià)值。若工況覆蓋低頻到高頻寬范圍，則需通過(guò)“銅鋁復(fù)合結(jié)構(gòu)+精準(zhǔn)層厚設(shè)計(jì)”平衡損耗，同時(shí)突破焊接工藝與熱管理瓶頸。目前該技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用仍需等待工藝成熟與材料兼容性的進(jìn)一步提升，尤其在800V高壓平臺(tái)、高速電機(jī)等高頻場(chǎng)景中，鋁扁線的潛力值得關(guān)注。但需始終圍繞“成本-效率-可靠性”的三角關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化。

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