新エネルギー自動車産業が年々発展する中、電気自動車の生産・販売台数は爆発的に増加し、高性能で高効率なモーターへの需要もますます高まっています。工信部と発改委は、今後の方針として、 2025年までに乗用車の出力密度を4kW/kg以上に引き上げ、モーターのさらなる高出力密度追求を推進します。電動駆動システムの高効率化、軽量化、小型化、低コスト化が今後のトレンドであり、一方で、電動駆動システムの統合化とモーターの扁線化は、軽量化と小型化を実現するための主要な技術路線です。扁線巻線は、円線巻線に比べて特有の優位性を有していることから急速に発展し、新エネルギー自動車向けモーター研究・開発の注目分野となっています。また、国内外を問わず広く採用されるようになり、新エネルギー車種における扁線モーターの搭載率は年々向上しています。本稿では、扁線巻線技術について簡潔に紹介し、扁線モーターの優位性を比較分析を通じて検証します。 紹介 近年の扁線モーター応用における新技術・新プロセス、および今後の最適化研究の方向性をまとめ、ヘアピンモーターの生産製造プロセスについて解説します。これにより、扁線モーターの研究に役立つ情報を提供します。
1. 扁線モータ技術の概要
バー状巻線モーター バー巻きモーターは、国内では一般的に扁線モーターと呼ばれています。この技術とは、モーターのステータに従来の円形銅線コイルから、薄型の銅線コイルへと置き換えることを指します。同時に、扁線コイルの特殊な構造を活かし、独自の固定子・回転子構造の最適化、冷却方案の最適化、制御の最適化など、さまざまな技術が総称されています。また、扁形銅線コイルとは、モーターのステータ槽形状などが変更され、細くて多数だった円形導線が、少なくて太い矩形導線に置き換えられたものを指します。扁線モーターは、小型化、高いスロット充填率、高出力密度、優れたNVH性能に加え、熱伝導性や放熱性にも優れているため、新エネルギー自動車分野で広く採用されています。
2. 扁線モーターと丸線モーターの比較

モーターのエネルギー損失は主に、モーターの銅損、鉄損、風摩擦損失、および散逸損失から成りますが、中でもモーターの銅損が約7割を占めています。そのため、モーターの銅損を低減することで、モーターのエネルギー損失を大幅に抑え、出力密度を向上させることができます。直流時の銅損計算式は式（ 1）に示すように、扁線巻線は矩形の銅線を使用することで、円形銅線巻線に比べて太く細い銅線が断面積に大きな変化をもたらし、これにより巻線抵抗を効果的に低減し、結果として銅損を抑えることができます。また、矩形導線巻線は細い円形導線巻線に比べて導線間の隙間が小さく、同じ固定子溝の体積でもより多くの巻線銅線を収められるため、高い溝充填率を実現します。円線モーターの溝充填率は約40％であるのに対し、扁線モーターでは最大70％に達することが可能です。高い溝充填率により、同じ出力のモーターでも扁線モーターの銅線充填量が少なく済み、結果としてステータ鉄心や端部のサイズを小型化できるため、モーター全体のサイズもコンパクトになります。このことは材料の節約にもつながり、さらにモーターの出力密度を向上させることにも寄与します。

扁線モーターは、円線モーターのステーターに比べてスロットのサイズが小さく、これによりリップルトルクを効果的に低減し、結果として電磁ノイズを抑えることができます。また、矩形導線は剛性が高いため、電機子騒音の抑制にも寄与します。さらに、回転子の磁極と構造を最適にすることで、より優れた性能を実現しています。 NVH性能[1]。

扁線モーターの巻線端部は、波形や三角形、階段状など、図のような特殊な形状に巻かれています。 図2に示すように、巻線端部のサイズを効果的に削減でき、小型化と軽量化の実現に寄与しています[2]。また、矩形導体により内部の空隙が減少し、導体同士や導体と鉄心溝との間の接触面積が広がるため、熱伝導性と放熱性能が向上します。さらに、巻線端部の導体間に最小限の空気間隔を確保することで、放熱がよりスムーズに行われます。加えて、端部へのオイル噴射冷却技術を組み合わせることで、扁平ワイヤー型モーターの放熱性能が一段と向上。これにより、より低温での温度上昇が抑えられ、車両全体として優れた加速性能を発揮します。結果として、高温環境下でも車両の動力性能が大幅に向上します。

扁線モーターにも課題があり、特に皮膜効果の影響を大きく受けます。皮膜（集膚）効果とは、導体内に交流電流または交番磁場が存在する場合、導体内部での電流分布が不均一になり、導体表面に近い部分ほど電流密度が高くなる現象を指します。これにより、実効的な通電銅線の面積が減少し、結果として巻線の等価抵抗が増加。さらに、高周波時の交流損失も増加します。導体の縦横比や配置方向、巻線の位相配分なども皮膜効果に影響を与え、同じ槽内の巻線でも同相タイプの方が異相タイプよりも皮膜効果が顕著です。また、同じ槽深と槽幅の場合、導体の層数を増やすことで皮膜効果を抑えることができ、高回転時のモーターの交流損失を低減し、性能向上につなげることができます。さらに、扁線モーターの発展を制約しているもう一つの要因は、その自動化生産ラインのコストが非常に高いことであり、これは丸線ステータの自動生産ラインと比べて大きな課題となっています。 2～3倍となり、企業の初期投資は膨大です。
3. 扁線モーターの分類
扁線モーターは、製品タイプにより、集中巻き扁線モーターと波巻き扁線モーターに分類されます。 ヘアピン（髪留め）フラットワイヤー電機は、そのうちヘアピンフラットワイヤー電機技術が広く採用されている主流の技術です。

集中巻きは、図のように平らな銅線を用いて単一歯巻きに巻かれています。 図3（a）に示すように、1つの歯に対して1本の単一巻線が取り付けられています。この構造では、短い跨距を持つコイルの端部形状により、端部サイズを効果的に抑えることができ、Hairpin扁線モーターに比べて製造工程もシンプルです。ただし、分数次高調波が多く含まれるため、トルクリップルが大きくなりやすく、さらに複雑なラジアル力が生じるという欠点があります。そのため、歯溝トルクやトルクリップル振動を低減するには、円形精度や同軸度、および歯間の均一な配置を厳密に保つ必要があり、組立工程における要求が一段と高まります。集中巻線技術は産業用モーター分野で広く応用されていますが、新エネルギー自動車用モーター分野でも一部のメーカーが研究・導入を進めています。例えば、ホンダは自社のアキュラハイブリッド車種にこの技術を採用しており、独自の分数槽集中巻線方式と分割型ステータ構造、さらには関連する最適化技術を組み合わせることで、高い効果を上げています。また、集中巻線技術を採用した松正270シリーズPHEV-P2モーターは、図3（b）に示すように、その特有の優位性を活かしてハイブリッドシステムに適用されています。

波巻き扁線モーターは、コイルを連続して巻いて一体成形した後挿入するか、あるいは巻きながらステータ槽に直接挿入し、波状の端部を形成します。これに比べて ヘアピン扁線モーターは、溶接箇所が不要なため、巻線端部の高さをさらに短縮でき、モーターのサイズを小さくすることが可能です。ただし、このタイプのステータアセンブリは溝の寸法が広いため、歯槽トルクが大きくなり、トルクの脈動がやや増大し、NVH性能が劣るという課題があります。そのため、電磁的マルチオプティマイズ設計やその他の対策と組み合わせて改善・最適化を図る必要があります。また、生産コストもヘアピンモーターに比べて高くなります。 一方、ヘアピン（Uピン）とは、その巻線形状が「カーリングヘア」に似ていることから別名「カーリング巻線」とも呼ばれ、エナメル被覆された扁平な銅線の片方の端をあらかじめU字型に成形し、それをステータ鉄心の溝に挿入します。もう一方の端はねじり加工によってカエルの脚のような形状にし、最後に溶接してウェーブ状の巻線を形成する方式です[3]。 また、もう一つのI-PIN巻線工法では、直線状の銅線を直接ステータ鉄心の溝に挿入した後、両端を同時にねじってカエルの脚型にし、溶接することで波状の巻線を形成します。この方法は、U-PIN巻線で必要な事前成形工程を省略できるため、より効率的な製造が可能です。 U-PINとI-PINの扁線巻線はいずれも第2世代の軸方向埋込型巻線に分類されますが、最高効率やピークトルクの面では互角と言えます。ただし、I-PIN巻線のほうが溝充填率や持続トルク、持続出力が高く、一方で溶接箇所が倍増するため、巻線端部のサイズがわずかに大きくなるほか、溶接不良のリスクも高まります。なお、ヘアピン巻線工法は現在、国内外で広く採用されている製造プロセスとなっています。
4．カードコイル工法

カーディング技術は、大規模で高品質かつ短サイクルのステーター生産を可能にする技術であり、このプロセスチェーンは主に以下の5つの工程から構成されています：成形（エナメル銅平線の矯正、被覆線の剥離、切断、曲げ）、挿入（ステーターコイル用スロットへのスロットライナーおよびカーディングコイルの組み込み）、ねじり加工、溶接、そして絶縁。 [4]。工程手順の図解は図4に示すとおりです。

カード巻線の銅線間には、絶縁塗膜による絶縁に加え、固定子溝用の溝ライナーを挿入して導体同士を互いに隔離し、ターン間や導体と固定子鉄心との直接接触を防ぎ、絶縁性能を向上させるとともに、短絡保護機能を強化します。そのため、絶縁溝紙を挿入する必要があり、一般的な溝紙の形状としては以下のようなものがあります。 O型、C型、B型、S型などは図5に示す通りである。B型スロットライニングは、S型スロットライニングのコーナー部分における隙間を解消し、短絡故障からの保護を強化している[5]。

紙挿入工程では、絶縁溝用の紙をあらかじめ固定子の溝に挿入し、扁平導線の層数が増えるにつれて、工程の難易度も大幅に高まります。 PIN成形プロセスには、プレス成形、スプリングマシン、およびCNC設備による自動成形などがあり、それぞれ特徴が異なります。前者は成形速度が速くコストも低い一方で、銅線へのダメージが大きくなりがちです。後者は汎用性が高く、銅線への損傷が少ない反面、設備コストが高くなります。また、PIN成形後にあらかじめ形状を再現した治具に挿入し、成形を行います。扁線の層数が増えるにつれて、導線間を自動的に挿入する難易度も高まります。その後、治具内のすべてのPINを、鉄芯の設計された正確な寸法に一括して差し込みますが、この工程では設備の精度が非常に求められます。さらに、リード線の端部を整え、溶接しやすい状態にするため、口広げ、ねじり加工、平滑化の各工程を経ます。現在、扁線モーターで最も一般的なのはTIG溶接とレーザー溶接ですが、一部の企業ではCMT冷間溶接などの新しい溶接方法の試験も進めています。溶接完了後は、まず巻線の電気的特性検査として、相抵抗や相インダクタンス、そのバランス確認を行い、さらに耐圧・耐抵抗試験も実施します。これらの検査をクリアした後、塗装工程に入ります。塗装工程は使用する材料によって粉末塗装と液状塗装に分かれ、それぞれの工程順序に違いがあります。粉末塗装の場合、最初に浸漬塗装を行い、その後に粉末塗装を施すのが一般的です。一方、液状塗装では、逆に最初に浸漬塗装を行い、その後に液状塗装を施します。なお、浸漬塗装自体も、材料の種類に応じて、従来型浸漬、真空浸漬、真空加圧浸漬、ドリップ浸漬、EUV浸漬など、さまざまな手法が存在します。
5. 研究の発展動向
5.1、導体層の数が徐々に増加する

図のように 図6に示すように、導体層数を増やすことで交流時の銅損を効果的に低減し、結果としてモーター全体の銅損が削減され、モーターの総合的な性能向上につながります。さらに、皮膜効果による高速交流損失を低減するために、発ガモータでは導体層数を増やす手法が採用され、最適化が進められています。すでに実用化されている4層、6層、8層の方案から、現在研究中の12層、16層の方案へと、導体層数は徐々に増加する傾向にあります。一方、研究上の難点としては、主に製造プロセスの技術的制約と製造コストの抑制が挙げられます[6]。

5.2、絶縁の最適化

より複雑な絶縁槽紙により、取り付け工程のステップがさらに複雑化する一方で、CNC装置の精度に対する要求も高まり、より優れた絶縁技術の研究が重要な方向性となっています。シボレー ボルトモーターは、絶縁槽台を簡素化し、よりシンプルな2ピース構造の槽絶縁材を採用することで、巻線がステータ鉄心に短絡するのを防いでいます。新しい設計は図7（a）に示す通りで、S型やB型の絶縁槽台に比べて導体間の絶縁を不要とし、さらに槽充填率を向上させ、ステータ製造プロセスを簡略化しています。また、槽内の導線間電位差を最小限に抑えるため、ゼネラルモーターズ社は巻線配置などに関する関連の最適化を行いました。さらに、導体の基本絶縁層の外側に高分子ポリマー絶縁層を追加装着することで、図7（b）に示すように槽台自体を省き、巻線のターン間絶縁問題を解決するとともに、生産工程をさらに簡素化しています[2]。

5.3、オイル冷却技術の広範な採用 巻線の熱は、溝内の絶縁層を通過する必要があります。 - 定子鉄心から筐体への長い経路を水が通り抜けるため、その間に生じる熱抵抗によって局所的な高温部が形成されやすく、結果として水冷方式の冷却効率が低下します。一方、オイル冷却は直接熱源に接触でき、モーターの磁気回路にも影響を与えません。そのため、より高い冷却効率を実現できるオイル冷却技術が研究の注目を集めています。また、モーターの主な発熱部は巻線の端部に集中しており、フラットワイヤー型モーター特有の端部へのオイル噴射冷却方式が、より効果的な放熱を可能にしています。現在、フラットワイヤー型モーターでは、オイルルート冷却、オイル噴射冷却、軸心遠心オイル冷却、定子密閉循環オイル冷却などの技術が広く研究・応用されています。
6. 結びの言葉
新エネルギー自動車の急速な発展に伴い、扁線モーターはその独自の優位性から広く応用され、浸透率も年々向上しています。扁線モーターは、新エネルギー自動車向けモーターの小型化、軽量化、高出力密度化という観点で、重要な応用研究の意義を有しています。本稿では、従来の円線モーターに比べた扁線モーターの優位性、主流となっているフェザードリル巻線の製造工程、およびその扁線モータ技術の研究動向と今後の発展について簡潔に分析・紹介し、扁線モータおよび関連技術に関する理解と研究の深化に役立つ参考情報を提供します。 出典： 重慶交通大学機電・車両工学部 ラン・ペンユー