定子绕组是提高电机效率(efficiency)、寿命(lifetime)、体积(volume)和成本的关键因素。
因此,要满足交通电气化的挑战性,选择合适的绕组技术和适当的设计是必须的。
本文讨论并对比用于电驱动的高速电机(high speed electrical mAChines)的定子绕组技术。
汽车应用中最常用的绕组配置(winding configurations),绞合线(stranded wire)、发夹式(hairpin)以及创新型成型利兹线(formed litzwires)。
本文从相位电阻(phase resistance)、交流损耗系数(AC loss factor)和热特性(thermal behavior)来分析三个绕组方案的主要优点。
现代电动汽车中最常见的电机拓扑(motor topologies)结构,包括感应电机(IM)、永磁同步电机(PMSM)、外励磁机(EEM)。
本文选择的基准电机(reference machine)是一台24 krpm的永磁辅助同步磁阻电机(Permanent Magnet assisted Synchronous Reluctance Machine),峰值功率为200 kW。
提高电机的功率密度(power density)是降低电机材料成本的方法之一。
提高PMSM功率密度的方法在给定的额定功率下提高机器的转速(increase the rotational speed)从而实现高速设计;加强冷却系统,如转子冷却(rotor cooling)、绕组头的喷雾冷却(spray cooling of the winding heads)或直接冷却定子槽(cooling the stator slots directly);改用具有优化填充系数(an optimized fill-factor)的绕组技术,如发夹式绕组(HPW),这通常也会降低制造成本。
将高速电机和HPW结合起来,会产生交流损耗问题,进而影响效率和热管理(thermal management)。
因此,如果要开发高速设计,必须很好地了解绕组的损耗机制(loss mechanisms)。
三种绕组的说明以下为电机定子槽的示意图:(a)拉入式绕组(b)发夹式绕组(c)成型的利兹线定子铁片为红色,导体材料(conductor)为黄色,绝缘材料(insulation)为绿色(图像用Motor-CAD制作)。
拉入式绕线(Pull-In Winding)拉入式绕线(Pull-In Winding),也称为绞合式绕线(Stranded Winding)或随机绕线(random Winding)。
它由插入槽中的圆线组成。
每根线都是绝缘的,多根线并排(in parallel)。
每根线的位置没有严格界定(not strictly defined),只是随机排布(random),因为绕组通常是用飞线绕组技术(flyer winding techniques)来制造,这是一种分布式绕组(distributed windings)。
绕线头(winding head)是用绕线材料本身。
填充系数(Fill factors)可以达到40%至45%的范围。
通常,采用梯形槽(trapezoidal slots)来最大限度地扩大绕组面积(maximize the winding area)。
PIW的频率相关损失来自三个方面:集肤效应(skin-effect)、邻近效应(proximity-effect)和循环电流(circulating currents)。
前两种效应可以通过选择适合主导电频率(dominant electric frequencies)的绞线直径(appropriate strand diameter)来控制。
循环电流是交流损失的主要