劉天知， 王 莎

（湖北工業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院電氣信息系， 湖北武漢 430068）

1 引言

新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)功率密度的要求越來越高， 有專家提出扁線繞組用在新能源電機(jī)上可以提高功率密度。扁線繞組可以提高電機(jī)的槽滿率， 而且有利于電機(jī)的散熱，從而可以提高電機(jī)的功率密度。 現(xiàn)在很多國(guó)內(nèi)外新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)生產(chǎn)廠家都在研究扁線繞組電機(jī) （下文稱為扁線電機(jī)）， 甚至生產(chǎn)了扁線電機(jī)。 有報(bào)告指出， 相比如傳統(tǒng)的圓線電機(jī)， 扁線電機(jī)可以提高電機(jī)的功率密度， 但是扁線電機(jī)也有其自身的問題， 其中一個(gè)問題就是在高頻情況下會(huì)產(chǎn)生繞組附加損耗， 也就是交流損耗。 而現(xiàn)在新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速在不斷提高， 有些電機(jī)的最高頻率會(huì)達(dá)到1000Hz以上， 那么扁線電機(jī)的交流損耗對(duì)電機(jī)性能影響研究就十分重要， 其中一點(diǎn)就是電機(jī)繞組分布的影響。

扁線繞組產(chǎn)生的損耗是繞組的趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)產(chǎn)生的， 也稱為繞組渦流損耗， 跟導(dǎo)體所在位置的磁密大小有關(guān)。 而電機(jī)中一相繞組分布在不同槽和槽中不同位置，那么單元電機(jī)中分布在不同位置的導(dǎo)體產(chǎn)生的交流損耗不同， 因此分析交流損耗對(duì)電機(jī)繞組分布也是十分重要。

本文通過有限元仿真分析扁線繞組的交流損耗， 首先我們用有限元方法分析不同激勵(lì)下扁線的電流密度分布情況， 然后分析扁線電機(jī)交流損耗對(duì)繞組分布的影響， 為新能源驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用扁線繞組提供相關(guān)依據(jù)， 最后通過具體的例子來說明扁線電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)， 可以指導(dǎo)扁線電機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)。

2 扁線交流損耗分析

扁線的交流損耗有兩部分來源， 一部分是趨膚效應(yīng)，另一部分是臨近效應(yīng)。 為了清楚地比較分析扁線的趨膚效應(yīng)和臨近效應(yīng)， 通過有限元方法仿真分析扁線中通入交流電流后的電流密度分布。 為此分別建立了單根扁線和兩根扁線的仿真模型， 單根扁線的尺寸為4mm×4mm。 在導(dǎo)線中施加正弦電流， 設(shè)該電流有效值為300A， 頻率為500Hz。

首先對(duì)單根扁線徑向仿真分析， 圖1為單根扁線在通交流電后渦流損耗最大時(shí)候的電流密度分布云圖。 可見， 在只有導(dǎo)體本身產(chǎn)生的磁場(chǎng)下， 電流產(chǎn)生了趨膚效應(yīng)， 越靠近導(dǎo)線邊緣， 電流密度越大。

圖1 單根扁線的電流密度云圖

圖2是雙根扁線中通同向電流產(chǎn)生的電流密度分布云圖， 可以看到電流趨向于導(dǎo)線的邊緣， 這個(gè)就是臨近效應(yīng)的體現(xiàn)。 如果兩根導(dǎo)體通入反向電流， 則電流密度大的位置在兩根導(dǎo)體相鄰的部分。

圖2 雙根扁線的電流密度云圖

3 扁線交流損耗對(duì)繞組分布的影響

由前面對(duì)導(dǎo)體交流損耗的研究知道了交流損耗與激勵(lì)是有關(guān)系的， 前面只討論了導(dǎo)體本身激勵(lì)的影響， 而在三相電機(jī)中， 繞組是嵌在定子鐵心中的， 而且還會(huì)有外加磁場(chǎng)， 導(dǎo)體跟導(dǎo)體在槽內(nèi)徑向排列， 會(huì)同時(shí)受趨膚效應(yīng)和臨近效應(yīng)的影響。 下面研究三相交流電機(jī)繞組的交流損耗對(duì)繞組分布的影響。

3.1 同相扁線繞組的交流損耗分析

圖3是一款8極48槽新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的高速負(fù)載下的一對(duì)極下繞組電流密度在某一時(shí)刻的分布。 圖3中標(biāo)注的是A、 B、 C三相的正向繞組， 該繞組采用的是整距繞組，從圖中可以看到同一相繞組在一個(gè)極下面的同一槽中不同層導(dǎo)體的電流密度分布不同， 且不同槽中的同一層的導(dǎo)體電流密度分布也不同， 從圖中也可以看出越靠近槽口導(dǎo)體的電流密度越大。 綜上所述， 在一相繞組連接的時(shí)候， 如果有多條并聯(lián)支路數(shù)時(shí)， 需要保證每條支路的電流密度分布要均勻。

圖3 電流密度分布云圖

3.2 扁線交流損耗和反電勢(shì)不對(duì)稱對(duì)繞組連接的影響

扁線電機(jī)現(xiàn)在多選用焊接形式進(jìn)行繞組連接， 先把成型繞組按照繞制規(guī)則插入到對(duì)應(yīng)的槽對(duì)應(yīng)的層中， 繞組焊接需要保證電機(jī)的三相繞組銅耗的平衡。 從上節(jié)知道電機(jī)繞組連接的過程中就要保證每相繞組每條支路中的導(dǎo)體要分布相同， 即每條支路的繞組分布在同層有相同槽電動(dòng)勢(shì)矢量的導(dǎo)體數(shù)需要一致， 這里以8極48槽為例， 并聯(lián)支路數(shù)為4， 整距繞組來說明扁線繞組的連接方式。

圖4是扁線電機(jī)繞組不調(diào)整接法A相繞組的每條支路的交流損耗對(duì)比， 并且在圖5中給出了一相4條支路連接的兩種不同連接方式的對(duì)比。 這兩種接法的區(qū)別在于第2層和第3層連接的時(shí)候是否采用了長(zhǎng)距或者短距和在磁極與磁極之間繞組連接的時(shí)候有沒有進(jìn)行移相。 圖5中4種顏色代表不同的支路， 插入繞組端保證節(jié)距都是6槽。

圖4 扁線繞組不調(diào)整連接方式不同支路的損耗對(duì)比

圖5 8極48槽扁線繞組不同連接方式對(duì)比

從圖4中可以看到如果不調(diào)整繞組接法， 保證每條支路繞組中導(dǎo)體電流密度的平均分配， 會(huì)導(dǎo)致不同支路中的電阻損耗不一致。

在對(duì)扁線繞組連接的時(shí)候把層和槽進(jìn)行編號(hào)， 如圖5所示， 這樣每根導(dǎo)體都有一個(gè)編號(hào)， 例如在槽1中第2層的導(dǎo)體編號(hào)為 （1， 2）， 編號(hào)第1個(gè)數(shù)字表示槽號(hào)， 第2個(gè)數(shù)字表示層數(shù)。 按照這樣的編號(hào)規(guī)則可以把上述兩種連接方式表示出來。

考慮渦流損耗情況下， 一相繞組4條支路分別如下。

K-means算法即已知數(shù)據(jù)庫包含n個(gè)數(shù)據(jù)樣本，給定聚類個(gè)數(shù)k，對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)樣本計(jì)算其應(yīng)該屬于的類，得到滿足方差最小標(biāo)準(zhǔn)的k個(gè)聚類。

1） 支路1： （1，1）—（7，2）—（14，1）—（20，2）—（25，1）—（31，2）—（38，1）—（44，2）—（2，3）—（8，4）—（13，3）—（19，4）—（26，3）—（32，4）—（37，3）—（43，4）2） 支路2： （2，1）—（8，2）—（13，1）—（19，2）—（26，1）—（32，2）—（37，1）—（43，2）—（1，3）—（7，4）—（14，3）—（20，4）—（25，3）—（31，4）—（38，3）—（44，4）

3） 支路3： （7，1）—（13，2）—（20，1）—（26，2）—（31，1）—（37，2）—（44，1）—（2，2）—（8，3）—（14，4）—（19，3）—（25，4）—（32，3）—（38，4）—（43，3）—（1，4）

4） 支路4： （8，1）—（14，2）—（19，1）—（25，2）—（32，1）—（38，2）—（43，1）—（1，2）—（7，3）—（13，4）—（20，3）—（26，4）—（31，3）—（37，4）—（44，3）—（2，4）

我們知道1/13/25/37/7/19/31/43、 2/14/26/38/8/20/32/44這2組每組中的槽電動(dòng)勢(shì)矢量方向是一樣或者反向， 從4條支路中可以發(fā)現(xiàn)每條支路每層的導(dǎo)體數(shù)都是4， 每層的導(dǎo)體在4條支路中數(shù)量和矢量方向上是平分的。

進(jìn)一步分析， 可以知道8極48槽電機(jī)繞組的最大并聯(lián)支路數(shù)是8， 相當(dāng)于把上面的每條支路再分成2條支路， 這里定義基本繞組， 基本繞組中包含的導(dǎo)體需要包含2個(gè)極相組下槽中所有的導(dǎo)體。

4 不同繞組形式的扁線繞組連接

4.1 整距繞組的繞組連接

通過前面對(duì)8極48槽， 每槽導(dǎo)體數(shù)為4， 整距繞組的繞組連接進(jìn)行了討論， 通過分析可以知道每條支路包含的導(dǎo)體在每層的導(dǎo)體數(shù)要一樣， 且在電動(dòng)勢(shì)合成矢量要一樣。在整個(gè)繞組連接的過程中， 我們采用的是相鄰兩層連接，那么如果每槽導(dǎo)體數(shù)除以2是奇數(shù)就會(huì)不一樣。 例如每槽導(dǎo)體數(shù)是6， 其繞制方法是類似的， 不同的是每條支路的線圈要經(jīng)過兩次換層。 如果電機(jī)極對(duì)數(shù)是奇數(shù)， 那么在線圈繞制時(shí)需要依次繞完一圈后再移相繞一圈， 如圖6所示。

圖6 10極60槽繞組一條支路連接方式

4.2 短距繞組的繞組連接

下文分別給出了8極48槽、 每槽導(dǎo)體數(shù)是4和6的電機(jī)在短距繞組下的一相繞組分布。 每槽導(dǎo)體數(shù)是4時(shí)， 短距繞組和整距繞組下扁線繞組的連接方式是一樣的， 只是繞線在2、 3層換層時(shí)跨距增加1個(gè)槽。

圖7 8極48槽短距繞組一條支路連接方式

4.3 每極每相槽數(shù)q＞2時(shí)繞組連接

當(dāng)電機(jī)繞組每極每相槽數(shù)大于2時(shí)， 繞組的連接原則不變， 但是同樣是8極的電機(jī)， 當(dāng)q=3時(shí)， 繞組的連接方式與q=2時(shí)就不一樣。 保證渦流損耗一樣的原則， 按照波繞組的繞制方式需要繞3圈才能移相兩次， 如圖8所示。

圖8 8極72槽整距繞組一條支路連接方式

從8極72槽的扁線繞組連接我們可以知道， 當(dāng)q大于2時(shí)， 如果要保證每條支路的渦流損耗一致， 那么每層繞組需要繞交替12次， 即pq， 其中p為極對(duì)數(shù)。

4.4 繞組連接一般性規(guī)律

通過前面分析繞組整距、 繞組短距、 分布繞組3種不同情況下扁線繞組的繞制方法， 進(jìn)行一般性規(guī)律總結(jié)。

為了保證電機(jī)在繞組連接時(shí)保證繞組的渦流損耗分布均勻， 一條支路中每層繞組需要經(jīng)過pq次交替確定這條支路的這層的導(dǎo)體， 然后根據(jù)繞組焊接工藝確定的連接方式將不同層的連接在一起， 當(dāng)p為偶數(shù)時(shí)， 可以進(jìn)一步減小所串聯(lián)的繞組， 實(shí)現(xiàn)電流密度分布均勻。

5 結(jié)論

扁線繞組在新能源汽車中的應(yīng)用越來越廣， 通過對(duì)扁線繞組渦流損耗的研究可以指導(dǎo)扁線繞組的連接方式。 通過對(duì)不同繞組分布形式下的扁線繞組連接方式進(jìn)行研究，得出了扁線繞組連接的一般性規(guī)律， 對(duì)扁線繞組電機(jī)生產(chǎn)有指導(dǎo)性意義。