詳解高速電機(jī)的定子繞組技術(shù)

定子繞組是提高電機(jī)效率（efficiency）、壽命（lifetime）、體積（volume）和成本的關(guān)鍵因素。因此，要滿足交通電氣化的挑戰(zhàn)性，選擇合適的繞組技術(shù)和適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)是必須的。本文討論并對比用于電驅(qū)動的高速電機(jī)（high speed electrical machines）的定子繞組技術(shù)。

汽車應(yīng)用中最常用的繞組配置（winding configurations），絞合線（stranded wire）、發(fā)夾式（hairpin）以及創(chuàng)新型成型利茲線（formed litzwires）。本文從相位電阻（phase resistance）、交流損耗系數(shù)（AC loss factor）和熱特性（thermal behavior）來分析三個繞組方案的主要優(yōu)點(diǎn)。

現(xiàn)代電動汽車中最常見的電機(jī)拓?fù)洌╩otor topologies）結(jié)構(gòu)，包括感應(yīng)電機(jī)（IM）、永磁同步電機(jī)（PMSM）、外勵磁機(jī)（EEM）。本文選擇的基準(zhǔn)電機(jī)（reference machine）是一臺24 krpm的永磁輔助同步磁阻電機(jī)（Permanent Magnet assisted Synchronous Reluctance Machine），峰值功率為200 kW。

提高電機(jī)的功率密度（power density）是降低電機(jī)材料成本的方法之一。

提高PMSM功率密度的方法

在給定的額定功率下提高機(jī)器的轉(zhuǎn)速（increase the rotational speed）從而實(shí)現(xiàn)高速設(shè)計(jì)；

加強(qiáng)冷卻系統(tǒng)，如轉(zhuǎn)子冷卻（rotor cooling）、繞組頭的噴霧冷卻（spray cooling of the winding heads）或直接冷卻定子槽（cooling the stator slots directly）；

改用具有優(yōu)化填充系數(shù)（an optimized fill-factor）的繞組技術(shù)，如發(fā)夾式繞組（HPW），這通常也會降低制造成本。

將高速電機(jī)和HPW結(jié)合起來，會產(chǎn)生交流損耗問題，進(jìn)而影響效率和熱管理（thermal management）。因此，如果要開發(fā)高速設(shè)計(jì)，必須很好地了解繞組的損耗機(jī)制（loss mechanisms）。

三種繞組的說明

以下為電機(jī)定子槽的示意圖：

（a）拉入式繞組

（b）發(fā)夾式繞組

（c）成型的利茲線

定子鐵片為紅色，導(dǎo)體材料（conductor）為黃色，絕緣材料（insulation）為綠色（圖像用Motor-CAD制作）。

拉入式繞線（Pull-In Winding）

拉入式繞線（Pull-In Winding），也稱為絞合式繞線（Stranded Winding）或隨機(jī)繞線（Random Winding）。它由插入槽中的圓線組成。每根線都是絕緣的，多根線并排（in parallel）。每根線的位置沒有嚴(yán)格界定（not strictly defined），只是隨機(jī)排布（random），因?yàn)槔@組通常是用飛線繞組技術(shù)（flyer winding techniques）來制造，這是一種分布式繞組（distributed windings）。

繞線頭（winding head）是用繞線材料本身。填充系數(shù)（Fill factors）可以達(dá)到40％至45％的范圍。通常，采用梯形槽（trapezoidal slots）來最大限度地擴(kuò)大繞組面積（maximize the winding area）。

PIW的頻率相關(guān)損失來自三個方面：集膚效應(yīng)（skin-effect）、鄰近效應(yīng)（proximity-effect）和循環(huán)電流（circulating currents）。

前兩種效應(yīng)可以通過選擇適合主導(dǎo)電頻率（dominant electric frequencies）的絞線直徑（appropriate strand diameter）來控制。循環(huán)電流是交流損失的主要來源（a major source of AC losses），主要是平行鋼絞線之間感應(yīng)電壓不均衡（imbalance of induced voltage）造成的。

Hairpin Winding發(fā)夾式繞線

發(fā)夾式繞組，也被稱為條形繞組(Bar Winding)。它由單獨(dú)絕緣的實(shí)心銅條（solid copper bars）組成。HPW是將預(yù)制的U形條（prefabricated, U-shaped bars）插入電機(jī)槽中。

銅條的開口端折彎并通過焊接（soldering or welding）連接。彎折工藝確定了銅條的最小尺寸（minimum dimensions），限制了每個槽的銅條數(shù)量，進(jìn)而限制了繞組設(shè)計(jì)的自由度（the degrees of freedom of the winding design）。連接過程（connection process）也是導(dǎo)致HPW繞線頭尺寸不對稱（asymmetric winding head dimensions）的原因。

HPW的填充系數(shù)可能超過50％。由于制造的原因，用于高壓焊的銅條邊角是圓的，這就降低了填充系數(shù)。此外，還必須確保銅條保持最小間隙，以便進(jìn)行組裝。這些影響降低了填充系數(shù)，主要是對小尺寸的棒材影響較大。

HPW中與頻率有關(guān)的銅損耗來自趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)。電機(jī)棒材連接適當(dāng)，可避免平行線匝（parallel turns）之間的循環(huán)電流。這種對連接的限制減少了并聯(lián)和串聯(lián)匝數(shù)的靈活性。

HPW的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)受限于上述制造工藝對最小棒材尺寸的限制。

成型Litz繞組（FormedLitzWinding）

成型Litz繞組，如圖所示，由平行連接的絞線束扭曲壓縮而成的棒材組成。該技術(shù)與Roebel棒類似。

單獨(dú)的絕緣線沿著電機(jī)的軸向連續(xù)換位（continuously transposed）。絞線的位置是預(yù)設(shè)好的（predefined），不像PIW那樣隨意。軸向換位（axial transposition）確保了FLW棒的平衡熱特性。由于平行絞線之間的電壓差很小，所以薄的鋼絞線絕緣便足夠。

Litz線的連接用BRUSA的專利技術(shù)實(shí)現(xiàn)，以形成設(shè)計(jì)的繞組模式（winding pattern）。

FLW可實(shí)現(xiàn)的填充系數(shù)與HPW相當(dāng)。FLW的頻率相關(guān)損失來自趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)。通過選擇橫截面較?。╯mall cross sections）的絞線，可以減少這些效應(yīng)的影響。線內(nèi)的循環(huán)電流應(yīng)該是最小的，因?yàn)榕でg線的電氣對稱（electrically symmetrical due to its twisted nature）。

基準(zhǔn)電機(jī)三種繞組說明

電機(jī)規(guī)格一個六極永磁輔助磁阻機(jī)（簡稱PMaRel，也稱為內(nèi)部永磁機(jī)或IPM）

拉入式繞組（Pull-In Winding）

用梯形槽，這使得槽的面積更寬，槽內(nèi)的銅面積更大。在槽的面積(slot area)和鐵齒的寬度(width of the iron teeth)之間有一個權(quán)衡（trade-off）。為確保研究的公平性，梯形槽（trapezoidal slots）設(shè)計(jì)是為了具有與HPW和FLW設(shè)計(jì)的矩形槽（rectangular slots）具有相同的扭矩能力。

繞組是由每條槽的六束平行銅絞線（six bundles of parallel strands）組成。銅線直徑為0.6毫米。實(shí)現(xiàn)的填充系數(shù)為42.2%，總銅面積為22.9平方毫米。槽內(nèi)鋼絞線的分布是隨機(jī)的（stochastic）。

銅絞線放置的三種情況

最佳情況（Best-case）：平行絞線沿槽的寬度分布（與轉(zhuǎn)子表面相切tangential to the rotor surface）;

最壞的情況（Worst-case）：平行絞線沿槽的長度分布（與轉(zhuǎn)子表面的正交normal to the rotor surface）;

中間情況（Intermediate case）：假設(shè)平行銅絞線束的形狀系數(shù)（shape factor）與槽相同。

發(fā)夾式繞線

使用矩形槽，繞組是一個六層的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（six-layer topology）。每根棒的橫截面為4平方毫米。實(shí)現(xiàn)的填充系數(shù)為52%。

填充系數(shù)受到以下影響：

-槽的寬度很窄，銅條的橫截面很小，絕緣層的寬度（the width of the insulation）；

-棒的邊緣變圓（the rounded edges）。

Formed-Litz繞組

使用FLW，每條槽中堆放兩根FLW棒。每條棒（Each bar）是由直徑為1.29毫米（AWG16）的單獨(dú)導(dǎo)體線（individual conductor strands）組成。這些線沿著棒的有效長度扭曲。這樣就形成了一個磁和熱平衡的棒。各股之間是絕緣的，整個棒材也是絕緣的，類似于用于HPW的棒材。

三種繞組的比較

填充系數(shù)

PIW的填充系數(shù)比HPW和FLW低，但較大的插槽面積減少了每個插槽實(shí)際銅面積的差異。PIW的銅面積僅比HPW和FLW的銅面積分別小4.2%和5.4%。FLW具有明顯的優(yōu)勢，可實(shí)現(xiàn)更緊湊的電機(jī)設(shè)計(jì)。

繞線頭的長度（the winding head length）

繞線頭的長度（the winding head length）對電阻也有影響。因?yàn)檩^長的軸向長度意味著較長的導(dǎo)體（longer conductors）

相位電阻對比結(jié)果

相位電阻（phase resistance）按照150?C的溫度運(yùn)行期間表現(xiàn)出的電頻率范圍在MAT LAB中進(jìn)行計(jì)算。

從相位電阻的計(jì)算結(jié)果可以看出幾點(diǎn)。PIW的直流電阻較高，是因?yàn)槟┒死@組較長。PIW在高頻率下表現(xiàn)出的相位電阻明顯上升，即使是在最佳的幾何布置下，也是如此，這是由于循環(huán)電流造成的。

由于銅面積相似，HPW和FLW的直流電阻基本上是一樣的。主要的區(qū)別是在高電頻下（at high electric frequencies），磁平衡（magnetic balancing）和小截面的Litz線使得FLW的交流電阻顯著降低（significantly lower）。

HPW和FLW的交流電阻之差與電頻率成二次方。這在低速時是不是太明顯。FLW和HPW在500赫茲時的相位電阻分別為1.01 pu和1.17 pu。

在高速情況下，差異更為突出，在1500赫茲時，相位電阻為1.07 pu（FLW）和2.04 pu（HPW）。

性能比較結(jié)果

從下圖顯示了扭矩-速度曲線和機(jī)械功率（a）、銅損（b）、鐵損（c）和效率（d）。

0rpm到10,000rpm邊界速度，銅損上升。在邊界速度以上銅損減少，是由于在場弱化范圍內(nèi)扭矩減少（the reduction of the torque in the field weakening range）。這種下降趨勢被PIW和HPW繞組的額外交流電阻所補(bǔ)償。

在24000轉(zhuǎn)/分的情況下，銅損情況PIW是FLW的三倍，HPW比FLW高62%。當(dāng)扭矩相同時，三種電機(jī)的鐵損失（參見圖c）是相似的。

如圖d所示，由于這兩種因素，PIW和HPW的效率較低。在高速電機(jī)中，F(xiàn)LW具有優(yōu)勢，因?yàn)樾手苯佑绊懙杰囕v續(xù)航所需的電池容量。

熱分析：

等溫運(yùn)行下，對比其他性能的差異

下圖顯示在150?C的等溫運(yùn)行下，三種設(shè)計(jì)的性能情況，顯示了可實(shí)現(xiàn)的扭矩（a），機(jī)械功率（b），銅損失（c）和鐵損失（d）。

圖a和圖b顯示，F(xiàn)LW在所有速度下扭矩和功率都具有明顯優(yōu)勢。FLW在最大速度下的最大功率為89千瓦，而PIW只有60千瓦，HPW為73千瓦。

圖c顯示，三種技術(shù)在最大速度下的銅損是相似的。這表明FLW的電阻較小，允許更高的繞組電流，也會導(dǎo)致更高的鐵損，參見圖d。扭矩和功率的提高也是由于末端繞組的緊湊性，因?yàn)楦o湊的繞組頭意味著更好的銅與灌封材料（potting material）的比率，因此也就有了更好的熱性能（better thermal behavior）。繞組和冷卻套的熱連接有助于低速性能的提高。

FLW的靜止扭矩幾乎達(dá)到150 Nm，而HPW只有130 N m，PIW為123 N m。三種技術(shù)的直流相位電阻非常相似，特別是HPW和FLW，因此，扭矩的差異只能用三種技術(shù)的熱特性來解釋。

結(jié)論

在連續(xù)功率密度和效率方面，PIW在高速電機(jī)應(yīng)用上不具有優(yōu)勢。該技術(shù)表現(xiàn)出較高的銅損和較低的效率，因?yàn)樵谡麄€速度范圍內(nèi)相位電阻較高（the higher phase resistance over the whole speed range）。損耗不僅是效率問題，也意味著連續(xù)運(yùn)行中額外熱量需要散熱。PIW的熱特性進(jìn)一步增加了繞組冷卻的挑戰(zhàn)。

與PIW相比，HPW的直流相位電阻有改善，但在高速情況下，交流效應(yīng)（AC effects）變得顯著，導(dǎo)致高銅損。但是，HPW良好的熱性能降低了銅損耗對電機(jī)總損耗的影響，進(jìn)而可以獲得更高的連續(xù)功率（higher continuous power）和更高的效率。

FLW非常適用于具有薄槽的高速應(yīng)用（high-speed applications with thin slots）。填充系數(shù)與HPW相當(dāng)，末端繞組緊湊，這都是低直流電阻的原因。導(dǎo)線的連續(xù)移位使所有的磁通量得以平衡，而不像PIW那樣因銅線隨意排布產(chǎn)生較多的循環(huán)電流。

絞線的扭曲和緊湊的末端繞組也改善了熱性能。FLW可以實(shí)現(xiàn)最高的連續(xù)功率密度和效率。研究表明，在所選擇的繞組配置中，F(xiàn)LW具有最高的性能指標(biāo)。

來源：RIO電驅(qū)動

審核編輯：湯梓紅