定子参数对扁线电机绕组交流损耗的影响

1刘健宁 2丁佐蓬 3高峰

1广东省高速节能电机系统企业重点实验室 2、 3珠海格力电器股份有限公司 广东 珠海

摘 要：相对圆铜线绕组来说，扁铜线尺寸较大，高频电流下集肤效应明显，因此对扁线绕组的交流损耗计算更加重要。本文结合有限元仿真软件对绕组的交流损耗系数进行了仿真计算，并与解析计算作对比。研究了在线径截面积的一定的前提下，交流损耗系数与扁线宽窄比的关系。同时分析了槽口尺寸对交流损耗的影响，为扁线电机的设计优化提供了参考。

关键词：扁线绕组；集肤效应；交流损耗系数；宽窄比；槽口尺寸

Influence of stator parameters on AC loss of flat wire motor windings

Abstract: Compared with the round copper wire winding, the rectangular copper wire has a larger size, and the skin effect is obvious under high-frequency current. Therefore, the calculation of the AC loss of the rectangular wire winding is more important. In this paper, combined with the finite element simulation software, the AC loss coefficient of the winding is simulated and compared with the analytical calculation. The relationship between the AC loss coefficient and the width-to-narrow ratio of the flat line under a certain premise of the line diameter cross-sectional area is studied. At the same time, the influence of the slot size on the AC loss is analyzed, which provides a reference for the design optimization of the flat wire motor.

Keywords: rectangular wire winding; skin effect; the AC loss coefficient; width-to-narrow ratio; slot size

0 引 言

新能源汽车要求提升电机功率密度，扁线电机由于导线规整、散热性能好、槽满率高等优点而得到越来越多的应用。但是扁铜线电机也有一些缺点：集肤效应大、系列化困难等^[1]。对于驱动电机来说，需要有较宽的调速范围，集肤效应使电阻增大，绕组损耗大幅增加，对电机性能产生较大影响^[2]。为了降低绕组的附加铜耗，进一步提高大功率高速电机的功率密度和效率，研究扁线绕组的交流铜耗是十分必要的^[3]。

1 集肤效应的基本理论

当交变电流流过导体时，导体周围变化的磁场也要在导体中产生感应电流，从而使沿导体截面的电流分布不均匀，趋近于外表面，产生集肤效应，使交流电阻比直流电阻要大^[4]。

为便于分析，作出如下假设^[5]：

（1）槽形为矩形开口槽，槽内有n根扁铜线，每根导体中的电流为i =I_m cosωt，铜线高度为h，宽度为b，槽宽度为b_s，则铜线两边绝缘厚度a=b_s-b；

（2）μ_Fe=∞，则铁心磁压降可以忽略不计；

（3）槽内磁场强度矢量均平行于槽底，则磁场强度仅有H_x分量

（4）磁场强度H_x仅是坐标y的函数。

图1 简化矩形开口槽示意图

根据安培环路定律和电磁感应定律，可以得到扁铜线中磁场分布和电场分布为^[5]：

(1)

可以求得第m根导线电阻交流损耗系数为：

(2)

式中：

(3)

其中， 和 与 的变化曲线如图2所示， 和 均大于0，因此根据式(2)可知，越靠近槽口，铜线交流电阻越大。

图2 和随的变化曲线

槽内n根扁铜线电阻平均交流损耗系数为：

(4)

本文以一台8极48槽、60kW驱动用扁线电机为例进行研究，电机采用8层扁线绕组，绕组为整距绕组。绕组在600Hz下的电流密度分布和损耗分布如图3所示，越靠近槽口，扁线中电流密度越不均，且交流损耗越大。

图3 电流密度和损耗分布

2 扁铜线尺寸对交流损耗的影响

对于扁线电机来说，绕组槽内每一层只有一根扁线铜线，齿部和轭部的调整会直接关系到铜线的线宽和线高，并影响绕组中的交流损耗。定义扁线宽窄比为宽度和高度的比值，则在线径一定的前提下，宽窄比的选择会对交流损耗系数产生一定影响。

根据前文，可知：

(5)

因此结合式(3)可以得出：

(6)

根据式(6)可以看出， 即随着宽窄比的增加而降低，则交流损耗系数也不断降低。在不考虑铁芯饱和程度的前提下，电机高频的交流损耗系数随宽窄比的变化与理论计算对比如图4所示。

图4 铁芯不饱和时交流损耗系数与宽窄比的关系

但当考虑铁芯饱和程度时，交流损耗系数将随着饱和程度不同产生如图5变化。

图5 铁芯饱和时交流损耗系数与宽窄比的关系

3 槽口对交流损耗的影响

不同槽开口下槽内磁力线分布和电流密度分布如图6和图7所示，可以看出，槽口处磁力线的走向以及电流密度区域的分布会随着槽口尺寸改变而改变，从而对交流损耗系数产生影响。

图6 小电流下磁力线及电流密度分布

图7 大电流下磁力线及电流密度分布

图8为电流较小时不同槽口深下交流损耗系数与槽口宽的关系，槽口深较小时，交流损耗系数先减小后增大，而槽口深度较大时，交流损耗系数先增大后减小。在电流较大时不同槽口深下交流损耗系数均随槽口宽的增大而减小，如图9所示，但是减小的幅度会不同。因此槽口宽度和槽口深度参数会共同作用对交流损耗产生影响。

图8 小电流下交流损耗系数与槽口的关系

图9 大电流下交流损耗系数与槽口的关系

4 结 论

扁线电机绕组受槽内磁场影响，铜线的电流密度分布不均，越靠近槽口，电流密度分布不均越明显，集肤效应影响越重。随着频率的增加，交流损耗系数不断增加，且增长幅度越来越大。

扁线宽窄比也会影响交流损耗系数。在电机饱和程度较轻时，交流损耗系数会随着宽窄比的增大而降低；电机饱和程度较重时，交流损耗系数则随着宽窄比的增大先降低后增加。

槽口尺寸的变化会影响槽口处的漏磁，并对靠近槽口的扁线的交流损耗产生影响。不同槽口深度下，交流损耗系数随槽口宽度的变化趋势会不同，在优化时应对两个尺寸同时调整。

参考文献：

1. 姜华. 扁铜线电机交流损耗的计算方法[J]. 微特电机,2019,47(12):32-34.

2. 夏雪, 黄允凯, 彭飞等. 高速电机绕组交流铜耗的计算与测量[J]. 微电机,2019,52(12):1-6.

3. 张炳义, 刘云飞, 冯桂宏等. 高速永磁电机扁铜线绕组交流铜耗研究[J]. 机电工程,2017,34(9):1032-1037.

4. 邹继斌, 江善林, 梁维燕. 考虑邻近效应的高速永磁无刷电机交流损耗[J]. 电机与控制学报,2010,14(5):49-55.

5. 汤蕴璆, 梁艳萍. 电机电磁场的分析与计算[M]. 北京：机械工业出版社，2010.