详解高速电机的定子绕组技术

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来源（a major source of AC losses），主要是平行钢绞线之间感应电压不均衡（imbalance of induced voltage）造成的。

 Hairpin Winding发夹式绕线

发夹式绕组，也被称为条形绕组(Bar Winding)。它由单独绝缘的实心铜条（solid copper bars）组成。HPW是将预制的U形条（prefabricated, U-shaped bars）插入电机槽中。

铜条的开口端折弯并通过焊接（soldering or welding）连接。弯折工艺确定了铜条的最小尺寸（minimum dimensions），限制了每个槽的铜条数量，进而限制了绕组设计的自由度（the degrees of freedom of the winding design）。连接过程（connection process）也是导致HPW绕线头尺寸不对称（asymmetric winding head dimensions）的原因。

HPW的填充系数可能超过50％。由于制造的原因，用于高压焊的铜条边角是圆的，这就降低了填充系数。此外，还必须确保铜条保持最小间隙，以便进行组装。这些影响降低了填充系数，主要是对小尺寸的棒材影响较大。

HPW中与频率有关的铜损耗来自趋肤效应和邻近效应。电机棒材连接适当，可避免平行线匝（parallel turns）之间的循环电流。这种对连接的限制减少了并联和串联匝数的灵活性。

HPW的集肤效应和邻近效应受限于上述制造工艺对最小棒材尺寸的限制。

成型Litz绕组（Formed Litz Winding）

成型Litz绕组，如图所示，由平行连接的绞线束扭曲压缩而成的棒材组成。该技术与Roebel棒类似。

单独的绝缘线沿着电机的轴向连续换位（continuously transposed）。绞线的位置是预设好的（predefined），不像PIW那样随意。轴向换位（axial transposition）确保了FLW棒的平衡热特性。由于平行绞线之间的电压差很小，所以薄的钢绞线绝缘便足够。

Litz线的连接用BRUSA的专利技术实现，以形成设计的绕组模式（winding pattern）。

FLW可实现的填充系数与HPW相当。FLW的频率相关损失来自趋肤效应和邻近效应。通过选择横截面较小（small cross sections）的绞线，可以减少这些效应的影响。线内的循环电流应该是最小的，因为扭曲绞线的电气对称（electrically symmetrical due to its twisted nature）。

基准电机三种绕组说明

电机规格 一个六极永磁辅助磁阻机（简称PMaRel，也称为内部永磁机或IPM）

拉入式绕组（Pull-In Winding）

用梯形槽，这使得槽的面积更宽，槽内的铜面积更大。在槽的面积(slot area)和铁齿的宽度(width of the iron teeth)之间有一个权衡（trade-off）。为确保研究的公平性，梯形槽（trapezoidal slots）设计是为了具有与HPW和FLW设计的矩形槽（rectangular slots）具有相同的扭矩能力。  

绕组是由每条槽的六束平行铜绞线（six bundles of parallel strands）组成。铜线直径为0.6毫米。实现的填充系数为42.2%，总铜面积为22.9平方毫米。槽内钢绞线的分布是随机的（stochastic）。

铜绞线放置的三种情况

最佳情况（Best-case）：平行绞线沿槽的宽度分布（与转子表面相切tangential to the rotor surface）;

最坏的情况（Worst-case）：平行绞线沿槽的长度分布（与转子表面的正交normal to the rotor surface）;

中间情况（Intermediate case）：假设平行铜绞线束的形状系数（shape factor）与槽相同。

发夹式绕线

使用矩形槽，绕组是一个六层的拓扑结构（six-layer topology）。每根棒的横截面为4平方毫米。实现的填充系数为52%。

填充系数受到以下影响：

- 槽的宽度很窄，铜条的横截面很小，绝缘层的宽度（the width of the insulation）；

- 棒的边缘变圆（the rounded edges）。

Formed-Litz绕组

使用FLW，每条槽中堆放两根FLW棒。每条棒（Each bar）是由直径为1.29毫米（AWG16）的单独导体线（individual conductor strands）组成。这些线沿着棒的有效长度扭曲。这样就形成了一个磁和热平衡的棒。各股之间是绝缘的，整个棒材也是绝缘的，类似于用于HPW的棒材。

三种绕组的比较

填充系数

PIW的填充系数比HPW和FLW低，但较大的插槽面积减少了每个插槽实际铜面积的差异。PIW的铜面积仅比HPW和FLW的铜面积分别小4.2%和5.4%。FLW具有明显的优势，可实现更紧凑的电机设计。

绕线头的长度（the winding head length）

绕线头的长度（the winding head length）对电阻也有影响。因为较长的轴向长度意味着较长的导体（longer conductors）

相位电阻对比结果

 

相位电阻（phase resistance）按照150◦C的温度运行期间表现出的电频率范围在MAT LAB中进行计算。

从相位电阻的计算结果可以看出几点。PIW的直流电阻较高，是因为末端绕组较长。PIW在高频率下表现出的相位电阻明显上升，即使是在最佳的几何布置下，也是如此，这是由于循环电流造成的。

由于铜面积相似，HPW和FLW的直流电阻基本上是一样的。主要的区别是在高电频下（at high electric frequencies），磁平衡（magnetic balancing）和小截面的Litz线使得FLW的交流电阻显著降低（significantly lower）。

HPW和FLW的交流电阻之差与电频率成二次方。这在低速时是不是太明显。FLW和HPW在500赫兹时的相位电阻分别为1.01 pu和1.17 pu。

在高速情况下，差异更为突出，在1500赫兹时，相位电阻为1.07 pu（FLW）和2.04 pu（HPW）。

性能比较结果

从下图显示了扭矩-速度曲线和机械功率（a）、铜损（b）、铁损（c）和效率（d）。

 

0rpm到10,000rpm边界速度，铜损上升。在边界速度以上铜损减少，是由于在场弱化范围内扭矩减少（the reduction of the torque in the field weakening range）。这种下降趋势被PIW和HPW绕组的额外交流电阻所补偿。

在24000转/分的情况下，铜损情况PIW是FLW的三倍，HPW比FLW高62%。当扭矩相同时，三种电机的铁损失（参见图c）是相似的。

如图d所示，由于这两种因素，PIW和HPW的效率较低。在高速电机中，FLW具有优势，因为效率直接影响到车辆续航所需的电池容量。

热分析：

等温运行下，对比其他性能的差异

下图显示在150◦C的等温运行下，三种设计的性能情况，显示了可实现的扭矩（a），机械功率（b），铜损失（c）和铁损失（d）。

图a和图b显示，FLW在所有速度下扭矩和功率都具有明显优势。FLW在最大速度下的最大功率为89千瓦，而PIW只有60千瓦，HPW为73千瓦。

图c显示，三种技术在最大速度下的铜损是相似的。这表明FLW的电阻较小，允许更高的绕组电流，也会导致更高的铁损，参见图d。扭矩和功率的提高也是由于末端绕组的紧凑性，因为更紧凑的绕组头意味着更好的铜与灌封材料（potting material）的比率，因此也就有了更好的热性能（better thermal behavior）。绕组和冷却套的热连接有助于低速性能的提高。

FLW的静止扭矩几乎达到150 Nm，而HPW只有130 N m，PIW为123 N m。三种技术的直流相位电阻非常相似，特别是HPW和FLW，因此，扭矩的差异只能用三种技术的热特性来解释。

结论

在连续功率密度和效率方面，PIW在高速电机应用上不具有优势。该技术表现出较高的铜损和较低的效率，因为在整个速度范围内相位电阻较高（the higher phase resistance over the whole speed range）。损耗不仅是效率问题，也意味着连续运行中额外热量需要散热。PIW的热特性进一步增加了绕组冷却的挑战。

与PIW相比，HPW的直流相位电阻有改善，但在高速情况下，交流效应（AC effects）变得显著，导致高铜损。但是，HPW良好的热性能降低了铜损耗对电机总损耗的影响，进而可以获得更高的连续功率（higher continuous power）和更高的效率。

FLW非常适用于具有薄槽的高速应用（high-speed applications with thin slots）。填充系数与HPW相当，末端绕组紧凑，这都是低直流电阻的原因。导线的连续移位使所有的磁通量得以平衡，而不像PIW那样因铜线随意排布产生较多的循环电流。

绞线的扭曲和紧凑的末端绕组也改善了热性能。FLW可以实现最高的连续功率密度和效率。研究表明，在所选择的绕组配置中，FLW具有最高的性能指标。

来源：RIO电驱动   

审核编辑：汤梓红