影響馬達(dá)性能的線圈 （上）

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　　用來驅(qū)動(dòng)EV及HEV的馬達(dá)要求尺寸小、重量輕而且價(jià)格低。其中重要的基礎(chǔ)技術(shù)就是“線圈繞線方法”了。將扁平線相對(duì)于內(nèi)芯縱向纏繞；在不分割內(nèi)芯的情況下高密度繞線；將16根裸導(dǎo)線擰在一起纏繞，并避免交叉。這些繞線措施將直接關(guān)系到馬達(dá)的性能，甚至EV的性能。

　　馬達(dá)技術(shù)對(duì)EV（電動(dòng)汽車）及HEV（混合動(dòng)力車）的發(fā)展起到支撐作用。盡管該領(lǐng)域不像電池那樣能夠成倍提高性能，但疏忽大意的話同樣會(huì)在競(jìng)爭(zhēng)中落敗。因?yàn)檫@種技術(shù)還有進(jìn)步的“空間”。

　　馬達(dá)的主要部件——線圈目前正在以占空比為軸心不斷發(fā)展進(jìn)步。占空比是實(shí)際導(dǎo)線截面積在與電流垂直的平面切割線圈時(shí)的截面積中所占的比例。如果占空比提高，便可實(shí)現(xiàn)尺寸小、重量輕且強(qiáng)有力的馬達(dá)。

　　早晚會(huì)采用扁立繞法

　　圖1：利用PEEK膠帶絕緣后的扁立繞組線圈

　　可以看到膠帶斜向纏繞。轉(zhuǎn)角處因加工而出現(xiàn)了嚴(yán)重變形，不過膠帶表現(xiàn)出了良好的追隨性

　　“能夠使用‘扁立（Edge Wise）繞法’線圈”是馬達(dá)技術(shù)人員的夢(mèng)想。扁立繞法線圈是將導(dǎo)線邊緣（Edge）緊貼內(nèi)芯（鐵芯），將導(dǎo)線相對(duì)于內(nèi)芯縱向纏繞的線圈（圖1）。因散熱性出色，能夠提高馬達(dá)的輸出功率。

　　目前已經(jīng)出現(xiàn)了距離這一夢(mèng)想更近一步的技術(shù)。那就是由聚醚醚酮（PEEK）制成的絕緣膠帶。PEEK樹脂銷售商Victrex Japan與Towatec及浦谷工程共同開發(fā)出了利用這種膠帶對(duì)扁平線進(jìn)行高密度扁立卷繞的加工技術(shù)。

　　就少量生產(chǎn)來說，扁立繞法是始于大正時(shí)代的技術(shù)。在EV方面，已被電抗器（Reactor）等小型產(chǎn)品采用。但此前尚未用于馬達(dá)，更不用說用于汽車的大型馬達(dá)。

　　線圈的導(dǎo)線一般為截面呈圓形的圓形線〔圖2（a）〕。后來又發(fā)展為正方形及長(zhǎng)方形的方形線，在長(zhǎng)方形導(dǎo)線中，又出現(xiàn)了縱橫比較大的扁平線。目前已開始普及的是采用扁平線繞制的平繞線圈〔圖2（b）〕。馬達(dá)技術(shù)人員的夢(mèng)想是在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展成扁立繞法線圈〔圖2（c）〕。

　　圖2：因線圈線不同而產(chǎn)生的差別

　　由（a）圓形線發(fā)展為（b）平繞法扁平線。（c）下一目標(biāo)是扁立繞法扁平線。紅色部分的溫度會(huì)上升。

　　平繞的別名又稱倒繞。這是一種使扁平線的平坦面緊貼內(nèi)芯進(jìn)行卷繞的方法。給人的印象是將絲帶線緊緊卷繞在內(nèi)芯上。另外，雖說是“緊貼內(nèi)芯”，但有時(shí)也在其他工藝中加工以后再插入內(nèi)芯。

　　扁立繞法與平繞法相比，導(dǎo)線的卷繞方法相差90度。彎曲的部分外側(cè)大幅伸展，而內(nèi)側(cè)則大幅收縮。給人的印象從絲帶線纏繞，變成了塑性加工。難度一下子提高不少。

　　如果用圓形線繞制線圈的話，就無(wú)法期待獲得多高的占空比。由于是在四方形空間中并排放置圓形物體，因此到處都會(huì)留下縫隙。計(jì)算式的分子中不包含絕緣皮膜截面積的“標(biāo)準(zhǔn)占空比”只有35～55％左右。而采用方形線的話，就能消除縫隙，使占空比提高至62～85％。

　　無(wú)論是平繞法還是扁立繞法，占空比都不會(huì)產(chǎn)生多大差別。產(chǎn)生差別的是散熱性。驅(qū)動(dòng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)時(shí)，與銅損相當(dāng)?shù)碾娏?huì)在線圈內(nèi)變成熱量。由于要防止過量電流損害絕緣材料，因此電流的上限值一定，這樣輸出功率也一定。要提高輸出功率，就需要不斷進(jìn)行冷卻。

　　線圈產(chǎn)生的熱量會(huì)從內(nèi)芯散發(fā)到定子外側(cè)的圓環(huán)，然后釋放到馬達(dá)表面的散熱片及冷卻水流道中。使用圓形線繞制線圈的話，熱量就會(huì)沿著導(dǎo)線→絕緣材料→縫隙→絕緣材料→相鄰導(dǎo)線這一路線反復(fù)流通。當(dāng)然，因到達(dá)內(nèi)芯的熱阻力較大，因此會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線溫度上升。

　　如果是方形線或扁平線的話，只要仔細(xì)卷繞，就能使縫隙縮小，熱量的通路會(huì)縮短為導(dǎo)線→絕緣材料→相鄰導(dǎo)線，這樣就會(huì)提高散熱性。即便如此，遠(yuǎn)離內(nèi)芯的導(dǎo)線的熱量也會(huì)在數(shù)次通過絕緣材料后最終到達(dá)內(nèi)芯。因?qū)Ь€為銅線，因此熱傳導(dǎo)率較高，而絕緣材料的熱傳導(dǎo)率較低。

　　采用扁立繞法時(shí)，所有導(dǎo)線的邊緣都會(huì)接觸內(nèi)芯。因此熱量不會(huì)傳至“相鄰導(dǎo)線”。通路可簡(jiǎn)化至導(dǎo)線→內(nèi)芯。熱阻力會(huì)變得極小。