淘汰发卡扁线（Hairpin）？是变形利兹线（Form Litz Wire）还是增材制造？

zengxiaodong

zengxiaodong 发表于 2023-5-29 10:51

摘要

在汽车电力牵引机械领域，发夹式定子技术已成为公认的标准之一。它使用刚性实心矩形绝缘铜线，而不是柔性圆形漆包线。由于高的槽填充系数，该技术与产品侧的更高效率相关，并用确定性的自动化制造和组装过程取代了工艺侧的随机缠绕过程。然而，在电机的较高频率工作点，矩形铜线与高频litz线相比处于不利地位，因为交流损耗超过了直流损耗。在这种背景下，成型的litz线技术代表了电机生产的下一个创新之一。起始材料是高频绞合线，它被初排布、压缩，然后再成形，以取代发夹定子生产中的矩形铜线。从改变的起始材料来看，对单个生产过程的必要调整带来了挑战。本文介绍了成形绞合线缠绕技术的一般工艺流程以及生产中面临的挑战。

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结论

与实心矩形绝缘铜线相比，采用绞线的定子特别适用于高速应用，因为它在高频下减少了交流损耗。 与采用实心扁平线的定子相比，成型利兹线绕组的邻近损耗增加，但由于较低的集肤效应而在高频下的优势超过了这一缺点。 利兹线导致的较低导电填充系数可以通过将所生产的绞线制成矩形截面来至少部分地抵消。 然而，在基于扁平线的绕组技术中，用成形利兹线替代实心线需要对现有工艺技术进行调整。 与刚性扁平铜线相比，成型利兹线的尺寸稳定性明显较差。 这给加工带来了新的挑战，尤其是成型利兹线的弯曲和成型。 为了提高利兹线的尺寸稳定性，可以在单股线的生产过程中应用烤漆。 通过粘合绞合线束，将单根电线连接在一起，从而使已经弯曲的电线保持其形状。 使用黏合漆包线时，必须在工艺链中考虑烘烤工艺。 此外，在使用成形利兹线时电接触（焊接）是一个特殊的挑战，因为成形利兹线的单股是独立绝缘的。 为了尽可能降低电接触（焊接）不利因素，连续发夹绕组设计是最佳选择，因为在这种情况下，不必焊接各个 U 型发夹末端。 因此减少了连接端子所需的电接触（焊接）需求。

在工艺技术方面，现有的连续发夹缠绕工艺技术必须针对改性起始材料进行专门设计。 特别是，这包括处理方面，以确保缠绕的金属丝垫不会变形。 进一步的研究必须侧重于分析材料特性（如单股直径和每根利兹线的单股数量）与工艺参数（如弯曲角度）之间的相互作用。 由于半成品的种类繁多，必须回答这样一个问题，即利兹线的哪些配置能够实现稳定的生产过程。

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由于需要更高的功率密度和效率，因此在用于电动汽车生产的电动牵引电机的开发和设计中出现了新的挑战。 因此，线圈绕组技术在创新设计改进方面仍有很大潜力。 最初的开发集中在导体填充系数的改进上，由此开发了发夹技术，后来又开发了连续发夹技术。



在上面这个实例图中，仅在电机转速低于3000r/min时，实心扁线绕组的铜耗低于成形利兹线绕组，而在高于3000r/min的绝大多数工作转速范围内，FLW绕组的铜耗都（远）低于实心扁线绕组！！！

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一早醒来，又见到新鲜出炉的本帖11楼、206楼这篇雄文的翻译稿，这篇重要文献还是219楼附件的天字第一号参考文献呢



微信链接

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Formed Litz Wire是用轧辊轧制成形的。

zengxiaodong

coolpine 发表于 2023-5-23 10:56
非常不错的资料，谢谢。就是贵了点

你觉得啥资料贵？，可以发给你呀。

zengxiaodong

居然对Litz Wire进行3D的FEM电磁或者力学分析，实在太费计算资源了，必要性不大吧。

zengxiaodong

利兹线3D弯曲应力分析

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Investigation of the Forming Behavior of Copper Wires for the Compaction of Windings for Electric Machines
电机压实绕组用铜线成形行为的研究

zengxiaodong

zengxiaodong 发表于 2023-5-31 16:57
Investigation of the Forming Behavior of Copper Wires for the Compaction of Windings for Electric Ma ...

没想到还真有人研究出来了“压实绕组”用于提升电机槽满率（最大可达127%），十几年前脑洞大开的设想终于变成了现实！

zengxiaodong

而且实现压实绕组的还不少，最近3年发表了很多有关的论文。

zengxiaodong

按照国外文献，对于压制绕组的长期研究结果表明，800MPa的压应力不会对漆包线的聚合物绝缘层造成破坏，而实际压制过程中，压应力控制在400MPa~450MPa，所以，人们所担心的股束内丝与丝之间的绝缘问题其实并不成为问题！

[21] A. G. Jack et al., “Permanent magnet machines with powdered iron cores and pre-pressed windings,” in Conference record of the 1999 IEEE Industry Applications Conference: Thiry-fourth IAS annual meeting, Phoenix, AZ, USA, 1999, pp. 97–103.

更何况，这些研究所针对的压制绕组，其线与线之间的绝缘要求是很高的，至少不低于绕组匝间绝缘的要求。而在Formed Litz Wire中，丝与丝之间的绝缘要求很低，即使丝与丝之间局部绝缘损坏也很难导致严重后果，因此，Formed Litz Wire的压实程度还可以大幅度提高，尽可能“去除空气”————Getting Rid of the Air，这样，不仅AC Loss大幅度低于普通扁线，而且DC Loss也可以与普通扁线媲美......

JSJJXZM

ormed Litz Wire的压实程度还可以大幅度提高

zengxiaodong

JSJJXZM 发表于 2023-6-5 10:10
ormed Litz Wire的压实程度还可以大幅度提高

看看6楼的图片就可以知道，导线之间有多少空气啊，所以要Getting Rid of the Air




图片中外圈导线截面呈椭圆状，其实这是因为截面与铜线母线不垂直导致的，并非是Forming过程中压缩造成的。

小雨a

和供应商交流过利兹线，他们说在小电子器件上已经应用很多了？但是电机上应用还有一段路要走，难点主要是焊接吗，曾老师？

zengxiaodong

第四次看到公众号转发这篇经典文献了。

zengxiaodong

小雨a 发表于 2023-6-5 22:04
和供应商交流过利兹线，他们说在小电子器件上已经应用很多了？但是电机上应用还有一段路要走，难点主要是焊 ...

焊接当然是关键性的问题之一，但是，由于利兹线本身的刚性不如实心扁线，因此，生产工艺过程需要作出很多方面的调整，以确保实现稳定可靠的生产过程。
本帖219楼附件论文就是讨论这方面问题的。


在37楼文献的第II部分最后一段，提到BRUSA公司的专有联结（焊接）技术

The connection of the litz wire bars to form the winding pattern is realized using a proprietary technology by BRUSA which can not be disclosed.



补充内容 (2023-6-7 08:41):
连接Litz线棒以形成绕组方案是使用BRUSA的专有技术实现的，但该专有技术不便公开。

小雨a

zengxiaodong 发表于 2023-6-6 15:27
焊接当然是关键性的问题之一，但是，由于利兹线本身的刚性不如实心扁线，因此，生产工艺过程需要作出很多 ...

好的，谢谢曾老师，我学习学习。

zengxiaodong

这是本帖1楼图片的放大图，可以看得更加清晰些。





重要的一点是，用了Formed Litz Wire后，假设压实程度足够的话，那么线棒的刚度就会有很大的改善；
另外要注意的，那就是不像实心扁线绕组需要很多层数来抑制AC Loss，相反，Formed Litz Wire绕组可以用尽量少的层数（匝数）。少匝数意味着线棒更粗大，这就进一步提升了线棒自身的刚性。

其实，随着电机转速越来越高（＞20000r/min），频率也越来越高，照理实心扁线层数也要越来越多，否则AC Loss会增加到惊人的程度；但是，实心扁线层数太多的话，会导致反电势无法匹配，也就是反电势太高，远远超过直流母线的电压！事实上，目前扁线电机就面临上述尖锐的矛盾，这个矛盾恰好能被Formed Litz Wire绕组完美地克服！

zengxiaodong

这么细的Litz线，就像工艺品一样。