新エネルギー自動車産業が年々発展するにつれて、電気自動車の生産・販売台数は爆発的に増加しており、高性能で高効率なモーターに対する需要もますます高まっています。工業情報化部と国家発展改革委員会は、計画を立てて—— 2025年までに乗用車のモーター出力密度を4kW/kg以上に達成し、モーターのさらなる高出力密度化を推進します。電動駆動システムの高効率化、軽量化、小型化、低コスト化は今後のトレンドです。また、電動駆動システムの統合化およびモーターの扁平線化は、軽量化と小型化を実現するための主要な技術路線です。扁平線巻線は、丸線巻線に比べて特有の優位性を有することから急速に発展しており、新エネルギー自動車用モーターの研究・開発における注目される分野となっています。国内外で扁平線モーターが広く採用されており、新エネルギー車両における扁平線モーターの普及率は年々上昇しています。本稿では、扁平線巻線技術について簡潔に紹介し、扁平線モーターの優位性を比較・分析して論証します。 紹介 ヘアピンモーターの生産・製造プロセスについて、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、扁線モーターの研究に参考となる情報を提供します。
1. プレートワイヤー電機技術の概要
バー型巻線モーター（ 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。扁線モーター技術とは、モーターの固定子において従来の円形銅線巻線を扁平な銅線巻線に置き換えたもので、さらに扁平な巻線の特殊構造に応じて、独自の固定子・回転子構造の最適化、冷却方式の最適化、制御の最適化などの技術を総称したものです。扁平銅線巻線とは、モーター固定子の溝形状などが変更され、従来の多数の細い円形導線から、数が少なく太い矩形導線へと代替さ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、高い出力密度、優れたNVH性能、さらには良好な熱伝導性と放熱性能といった利点から、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、風摩損および雑散損からなりますが、そのうちモーターの銅損が占める割合は約70％に達します。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削減し、モーターの出力密度を向上させることができます。直流銅損の計算式は式（ 1）に示すように、扁線巻線は矩形の銅線を用いるため、円形の銅線を用いた巻線に比べて断面積が大きく変化します。これにより巻線抵抗を効果的に低減し、銅損を削減できます。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においてより多くの銅線を収められるため、溝充填率が高くなります。円形線のモータでは溝充填率が約40％であるのに対し、扁線モータでは最大70％に達します。高い溝充填率により、同じ出力のモータでも扁線モータの銅線充填量が少なくなり、結果として固定子鉄心や端部のサイズを小さくできるため、モータの全体的なサイズも小型化されます。これにより材料を節約するとともに、モータの出力密度をさらに向上させることができます。

扁線モーターは円線モーターに比べて、ステータの溝の寸法が小さく、これにより歯槽トルクを効果的に低減し、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く、電機子の騒音抑制にも寄与します。さらに、ロータ磁極と構造の最適化を組み合わせることで、より優れた性能を実現しています。 NVH性能[1]。

扁線モータの巻線端部は、波形、三角形、段差型など、図に示すような特殊な形状に巻かれています。 図2に示すように、巻線端部の寸法を効果的に縮小することで、小型化と軽量化を実現しやすくなります[2]。また、矩形導体により内部の空隙が減少し、導体同士および導体と鉄心溝との接触面積が大きくなるため、熱伝導性と放熱性能が向上します。巻線端部の導体間には最小限の空気間隔が確保されており、これにより放熱がさらに容易になります。さらに、端部への噴油冷却技術を組み合わせることで、扁平線モーターの放熱性能が一段と向上します。低温上昇条件下では、車両全体の加速性能が向上し、高温時の動力性能も効果的に改善されます。

扁線モーターには欠点もあり、その影響を受けるのが皮膚効果です。皮膚効果（集束効果）とは、導体内部に交流電流または交番磁場が存在する場合、導体内部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、有効な通電銅線の面積が減少し、巻線の等価抵抗が上昇、高周波交流損失が増加します。導体の縦横比、配置方向、巻線の相分離なども皮膚効果に影響を与えます。同じ槽内に配置された同相巻線は、異相巻線よりも皮膚効果が顕著に現れます。同じ槽深・槽幅の場合、導体の層数を増やすことで皮膚効果を低減でき、高速回転時のモーターの交流損失を抑えて性能を向上させることができます。また、扁線モーターの発展を制限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高いことです。これは丸線用ステータ自動生産ラインと比べて高いものです。 2～3倍、企業は初期段階で多大な投資を必要とします。
3. プレートワイヤー電機の分類
扁線モーターは製品タイプによって、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）フラットワイヤモーターは、ヘアピンフラットワイヤモーター技術が広く採用されている主流の技術です。

集中巻きは平らな銅線を用いて単一歯の巻線として図のように作成します。 図3（a）に示すように、1つの歯に対し1つの単一巻線を配置します。この構造では、短い跨距を持つコイルの端部が効果的に端部寸法を小さくできるため、ハーピン型平線モーターよりも製造プロセスが簡素です。ただし、この構造は分数次高調波が多く含まれるため、トルク脈動が大きくなり、径方向力が複雑になるという欠点があります。そのため、歯溝トルクやトルク脈動を低減するには、組立工程において円形精度、同軸性、および歯間の均一な分布を厳密に確保する必要があり、組立精度がより高い要求されます。集中巻線技術は産業用モーター分野で広く採用されており、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・応用を進めています。例えば、ホンダは自社のアキュラハイブリッド車両にこの技術を採用しており、独自の分数槽集中巻線と分割型ステータ構造、ならびにそれらを活用した最適化技術により優れた効果を上げています。集中巻線技術を採用した松正270シリーズPHEV-P2モーターの図3（b）は、その特長的な利点を生かし、ハイブリッドシステムに適切に応用されています。

波巻きフレキシブルワイヤモーターは、巻線を連続して一体成形した後挿入するか、あるいは巻線と同時に固定子スロットに挿入し、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着部がなく、巻線端部の高さをさらに短縮できるため、モーターのサイズを小さくすることができます。しかし、このタイプのステーターアセンブリは溝の寸法が広いため、歯溝トルクが大きくなり、トルク脈動が高まり、NVH性能が劣る傾向があります。そのため、電磁多目的最適化設計やその他の対策を組み合わせて改善・最適化する必要があります。また、生産コストはヘアピンモーターに比べて高くなります。ヘアピン（Uピン）と呼ばれる巻線方式は、その形状が「カーリングヘア」に似ていることからこう呼ばれています。この方式では、エナメル被覆された扁平銅線の片側をあらかじめU型に成形し、それをステーターコアの溝に挿入します。もう一方の端はねじり加工してカエルの脚のような形状にし、その後溶着して波状の巻線を形成します[3]。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ーコアの溝に挿入し、両端を同時にねじってカエルの脚の形状に加工して溶着することで波状巻線を形成します。これにより、U-PIN巻線で必要だった事前の成形工程が省かれます。U-PINとI-PINの扁線巻線はともに第2世代の軸方向嵌め込み巻線に属し、最高効率やピークトルクにおいては互角ですが、後者の方が溝充填率、持続トルク、持続出力がいずれも高い特徴があります。ただし、後者の場合溶着点が倍増するため、巻線端部の寸法が若干大きくなり、溶着点の故障リスクも高まります。ヘアピン巻線工法は現在、国内外で広く採用されているプロセスです。
4. 発カードコイル工法

カーディング技術は、大規模かつ高品質で短周期のステータ生産を実現する技術です。このプロセスチェーンは主に以下の5工程から構成されています：成形（エナメル銅平線の矯正、被覆剥離、切断、曲げ）、挿入（ステータ槽への槽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、溶着・絶縁。 [4]。工程手順の図解は図4に示すとおりです。

発電機の巻線銅線間には、絶縁塗膜による絶縁に加えて、固定子溝の溝ライニングを設けて導体同士を互いに隔離します。これにより、巻線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、短絡保護を強化します。そのため、絶縁用溝紙を挿入する必要があります。一般的な溝紙の形状には以下が挙げられます。 O型、C型、B型、S型などは図5に示す通りです。B型スロットライニングは、S型スロットライニングにおけるコーナー部の隙間を解消し、短絡故障からの保護を強化しています[5]。

紙を挿入する工程では、絶縁溝用の紙をあらかじめ固定子の溝に挿入しますが、扁平導線の層数が増えるにつれて、その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設備を用いた自動成形などがあります。前者は成形速度が速くコストも低い反面、銅線への損傷が大きくなります。後者は汎用性が高く銅線への損傷が少ない一方で、設備コストが高くなります。PIN成形後は、あらかじめ形状に合わせた治具に挿入して成形します。フラットワイヤー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を鉄心の設計寸法に合わせて一括して挿入しますが、この工程では設備の精度が非常に重要です。さらに、口広げ、ねじり加工、平滑化の工程を経て、巻線端部を整えて溶着しやすい状態にします。現在、フラットワイヤーモーターではTIG溶接とレーザー溶接が最も一般的ですが、他の企業ではCMTコールド溶接などの溶着方法の試験も行われています。溶着完了後は、まず巻線の電気的特性検査として、相抵抗・相インダクタンスおよびそのバランス検査、さらには耐圧・耐抵抗試験などを実施します。これらの検査をクリアした後に、被覆処理を行います。被覆処理は使用する材料によって粉末被覆と液状被覆に分けられ、それぞれの工程順序が異なります。粉末被覆の場合には、まず塗布後に浸漬を行うのに対し、液状被覆ではまず浸漬を行い、その後に塗布します。また、浸漬処理には材料に応じて、従来型浸漬、真空浸漬、真空加圧浸漬、滴下浸漬、EUV浸漬などがあります。
5. 研究の発展動向
5.1、導体層の数が徐々に増加する

図の通り 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でき、結果としてモーター全体の銅損を削減し、モーターの総合性能を向上させることができます。さらに、皮膚効果による高周波交流損失を低減するため、発カモータでは導体層数を増やす手法を用いて最適化が進められており、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。この研究における主な難点は、プロセス技術の限界および製造コストの抑制にあります[6]。

5.2 絶縁の最適化

より複雑な絶縁槽紙は、取り付け工程を一段と複雑にし、同時にCNC取り付け装置の精度にもより高い要求を課します。そのため、より優れた絶縁プロセス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溝ライニングを簡素化し、よりシンプルな2ピース式の溝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ぎます。新しい設計は図7（a）に示す通りで、S型やB型の絶縁溝ライニングと比べて導体間の絶縁を不要とし、溝充填率をさらに向上させるとともに、ステータ製造プロセスを簡略化しています。また、溝内の導線間の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最適化を行いました。さらに、図7（b）に示すように、導体の基礎絶縁層の外側に高分子ポリマー絶縁層を追加することにより、溝ライニングを省略し、巻線の匝間絶縁問題を解決するとともに、生産プロセスを簡素化しています[2]。

5.3 オイル冷却技術の広範な採用 巻線の発熱は、溝内の絶縁層を通過する必要があります。 —固定子鉄心—筐体への長い経路を水が流れるため、その間に生じる熱抵抗により局所的な高温部が形成されやすく、水冷方式の冷却効率が低下します。油冷は直接熱源に接触できる上、モータの磁気回路に影響を与えないため、冷却効率がより高い油冷技術が研究の注目を集めています。モータの主な発熱部位は巻線の端部に集中しており、扁線モータ特有の端部への噴射式冷却は、より効果的に放熱を実現できます。油路冷却、噴射冷却、軸心遠心冷却、および固定子密閉循環油冷などの技術が、扁線モータにおいて広く研究・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普及しており、浸透率は年々上昇しています。扁線モーターは、新エネルギー自動車用モーターの小型化、軽量化、高出力密度化という観点から、重要な応用研究の意義を有しています。本稿では、扁線モーターが従来の円線モーターに比べて持つ優位性、主流となっているフェザーワイヤー巻線の製造工程、および扁線モータ技術の研究動向と発展傾向について簡潔に分析・紹介し、扁線モーターおよびその関連技術に関する理解と研究を深めるための参考資料として提供します。 出典： 重慶交通大学機電・車両工学部 ラン・ペンユー