新能源汽車電機扁線繞組交流損耗對繞組分布影響研究

劉天知， 王 莎

（湖北工業大學工程技術學院電氣信息系， 湖北武漢 430068）

1 引言

新能源汽車驅動電機對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上可以提高功率密度。扁線繞組可以提高電機的槽滿率， 而且有利于電機的散熱，從而可以提高電機的功率密度。 現在很多國內外新能源汽車驅動電機生產廠家都在研究扁線繞組電機 （下文稱為扁線電機）， 甚至生產了扁線電機。 有報告指出， 相比如傳統的圓線電機， 扁線電機可以提高電機的功率密度， 但是扁線電機也有其自身的問題， 其中一個問題就是在高頻情況下會產生繞組附加損耗， 也就是交流損耗。 而現在新能源汽車驅動電機的轉速在不斷提高， 有些電機的最高頻率會達到1000Hz以上， 那么扁線電機的交流損耗對電機性能影響研究就十分重要， 其中一點就是電機繞組分布的影響。

扁線繞組產生的損耗是繞組的趨膚效應和鄰近效應產生的， 也稱為繞組渦流損耗， 跟導體所在位置的磁密大小有關。 而電機中一相繞組分布在不同槽和槽中不同位置，那么單元電機中分布在不同位置的導體產生的交流損耗不同， 因此分析交流損耗對電機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下扁線的電流密度分布情況， 然后分析扁線電機交流損耗對繞組分布的影響， 為新能源驅動電機采用扁線繞組提供相關依據， 最后通過具體的例子來說明扁線電機繞組結構， 可以指導扁線電機的實際生產。

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，另一部分是臨近效應。 為了清楚地比較分析扁線的趨膚效應和臨近效應， 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。 在導線中施加正弦電流， 設該電流有效值為300A， 頻率為500Hz。

首先對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候的電流密度分布云圖。 可見， 在只有導體本身產生的磁場下， 電流產生了趨膚效應， 越靠近導線邊緣， 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生的電流密度分布云圖， 可以看到電流趨向于導線的邊緣， 這個就是臨近效應的體現。 如果兩根導體通入反向電流， 則電流密度大的位置在兩根導體相鄰的部分。

圖2 雙根扁線的電流密度云圖

3 扁線交流損耗對繞組分布的影響

由前面對導體交流損耗的研究知道了交流損耗與激勵是有關系的， 前面只討論了導體本身激勵的影響， 而在三相電機中， 繞組是嵌在定子鐵心中的， 而且還會有外加磁場， 導體跟導體在槽內徑向排列， 會同時受趨膚效應和臨近效應的影響。 下面研究三相交流電機繞組的交流損耗對繞組分布的影響。

3.1 同相扁線繞組的交流損耗分析

圖3是一款8極48槽新能源汽車驅動電機的高速負載下的一對極下繞組電流密度在某一時刻的分布。 圖3中標注的是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極下面的同一槽中不同層導體的電流密度分布不同， 且不同槽中的同一層的導體電流密度分布也不同， 從圖中也可以看出越靠近槽口導體的電流密度越大。 綜上所述， 在一相繞組連接的時候， 如果有多條并聯支路數時， 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不對稱對繞組連接的影響

扁線電機現在多選用焊接形式進行繞組連接， 先把成型繞組按照繞制規則插入到對應的槽對應的層中， 繞組焊接需要保證電機的三相繞組銅耗的平衡。 從上節知道電機繞組連接的過程中就要保證每相繞組每條支路中的導體要分布相同， 即每條支路的繞組分布在同層有相同槽電動勢矢量的導體數需要一致， 這里以8極48槽為例， 并聯支路數為4， 整距繞組來說明扁線繞組的連接方式。

圖4是扁線電機繞組不調整接法A相繞組的每條支路的交流損耗對比， 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比。 這兩種接法的區別在于第2層和第3層連接的時候是否采用了長距或者短距和在磁極與磁極之間繞組連接的時候有沒有進行移相。 圖5中4種顏色代表不同的支路， 插入繞組端保證節距都是6槽。

圖4 扁線繞組不調整連接方式不同支路的損耗對比

圖5 8極48槽扁線繞組不同連接方式對比

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

在對扁線繞組連接的時候把層和槽進行編號， 如圖5所示， 這樣每根導體都有一個編號， 例如在槽1中第2層的導體編號為 （1， 2）， 編號第1個數字表示槽號， 第2個數字表示層數。 按照這樣的編號規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算法即已知數據庫包含n個數據樣本，給定聚類個數k，對每個數據樣本計算其應該屬于的類，得到滿足方差最小標準的k個聚類。

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組每組中的槽電動勢矢量方向是一樣或者反向， 從4條支路中可以發現每條支路每層的導體數都是4， 每層的導體在4條支路中數量和矢量方向上是平分的。

進一步分析， 可以知道8極48槽電機繞組的最大并聯支路數是8， 相當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體需要包含2個極相組下槽中所有的導體。

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8極48槽， 每槽導體數為4， 整距繞組的繞組連接進行了討論， 通過分析可以知道每條支路包含的導體在每層的導體數要一樣， 且在電動勢合成矢量要一樣。在整個繞組連接的過程中， 我們采用的是相鄰兩層連接，那么如果每槽導體數除以2是奇數就會不一樣。 例如每槽導體數是6， 其繞制方法是類似的， 不同的是每條支路的線圈要經過兩次換層。 如果電機極對數是奇數， 那么在線圈繞制時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、 每槽導體數是4和6的電機在短距繞組下的一相繞組分布。 每槽導體數是4時， 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層換層時跨距增加1個槽。

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q＞2時繞組連接

當電機繞組每極每相槽數大于2時， 繞組的連接原則不變， 但是同樣是8極的電機， 當q=3時， 繞組的連接方式與q=2時就不一樣。 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q大于2時， 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為極對數。

4.4 繞組連接一般性規律

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， 進行一般性規律總結。

為了保證電機在繞組連接時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過pq次交替確定這條支路的這層的導體， 然后根據繞組焊接工藝確定的連接方式將不同層的連接在一起， 當p為偶數時， 可以進一步減小所串聯的繞組， 實現電流密度分布均勻。

5 結論

扁線繞組在新能源汽車中的應用越來越廣， 通過對扁線繞組渦流損耗的研究可以指導扁線繞組的連接方式。 通過對不同繞組分布形式下的扁線繞組連接方式進行研究，得出了扁線繞組連接的一般性規律， 對扁線繞組電機生產有指導性意義。