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

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。

zengxiaodong

zengxiaodong 发表于 2023-4-6 15:58
连续换位导线

新鲜出炉的硕士学位论文，内容就是用换位（槽内或者端部）解决分裂导线环流损耗。

在目前的生产条件下，这是可行的措施，也许能够较容易地从现有扁线生产线切换到换位分裂导线。








对应发表的英文文献

zengxiaodong

近年来，电动汽车和航空航天的快速发展对不同类型的电机提出了更高的要求，包括永磁同步电机、开关磁阻电机、感应电机等[1-3]。与PMSM相比，SRM的转矩脉动更大，IM的效率更小，并且SRM和IM的功率密度相对较低[3，4]。永磁同步电机由于其高功率密度和高效率的优点，在电动汽车等高性能领域的应用越来越多。永磁同步电机受到越来越多学者的关注，成为研究的热点。永磁同步电机多采用圆形铜线绕组或发夹绕组形式。圆形铜线绕组的槽填充系数低，散热能力差。发夹绕组可以有效地提高槽填充系数[5]，[6]。但是发夹绕组由于其大的横截面积而具有大的涡流损耗[7-10]。发夹绕组中的涡流损耗问题亟待解决。因此，本文提出在永磁同步电机中使用成型绕组。由双排多根平行扁线组成的成形绕组是永磁同步电机中的一种新型绕组技术。永磁同步电机的绕组类型如表一所示，物理图像如图1所示。在永磁同步电机中使用成型绕组可以提高槽填充系数，减少涡流损耗。因此，成型绕组永磁同步电机有可能成为未来的发展趋势。

zengxiaodong

A. 准静态显式动力学模拟

瞬态动态仿真通常需要极小的时间步才能收敛到精确的解。 时间积分方法有两种类型：隐式方法和显式方法。 由于显式方法对每个时间步都非常有效，因此它允许在仿真时间内计算非常多的时间步。 如果系统的动态响应需要几秒而不是几毫秒，那么将需要数百万个时间步来观察系统的完整动态行为。 某些物理问题需要这种类型的 FEA 分析。 为了解决高度非线性问题，可以使用特殊类型的 FEA 软件包。 与瞬态结构仿真工具相比，Ansys CAE 软件包中提供的显式动力学分析系统是线圈压制仿真的最合适选择。 线圈压制的动态建模需要精确的节点应力-应变计算。 这只有通过对线圈压制进行准静态动态建模才能实现。 这种类型的模拟具有挑战性，因为时间积分取决于网格化模型中的最小元素大小。 这在式(1) 中给出。

Δt ≤ hc                                                                            (1)

在式（1）中，Δt 是积分时间步长，h 是最小单元尺寸，c是材料的波速。 很明显，Δt 是最小单元尺寸的函数。 由于漆包线中的薄膜绝缘厚度通常在 0.05 mm至约 0.1 毫米之间变化，因此线圈压制模拟的时间步长将由漆包线漆膜中的元件尺寸控制。 因此，这些具有细化网格的模拟在计算上将过于昂贵。 由于准静态线圈压制模拟需要花费太多时间来收敛解决方案，因此已经实施了几种方法来在合理的时间内模拟线圈压制模型的动态行为，在 [15] 中进行了详细讨论。 可以实施增加施加在冲头上的加载速率以在相对更短的时间内压制线圈。 这种方法的优缺点如下[15]：

1) 在模拟中人为地提高过程的速度往往需要获得经济的解决方案。

2) 模拟中计算的材料应变率因增加加载率所应用的相同因素而人为偏高。

虽然增加加载速率会人为地增加计算的节点应变率，但这些结果可以按用于增加压缩速度的相同因子进行缩小。 因此，可以通过检查等效 von-Mises 应力和塑性应变结果并相应地缩放来预测材料断裂。

zengxiaodong

B. 线圈挤压有限元分析

通过对导体直径为 1.25 毫米、绝缘厚度为 0.05 毫米的 5 层 15 匝聚酰亚胺漆包线建模来研究线圈压制过程。 已使用表 IV 中给出的聚酰亚胺绝缘材料的机械性能进行了准静态显式动态模拟。

铜的杨氏模量约为 120 GPa，而热固性聚合物的杨氏模量小于 4 GPa，证实绕组的机械弱点是涂层。 当监控线圈压制模拟以检测绝缘故障时，应将绝缘的伸长率和断裂强度与模拟结果进行比较，因为它们表明材料在特定应力和应变值下会发生断裂。 线圈的压缩是通过在钢冲头上施加速度载荷来控制总位移来实现的。 由于存在复杂的实体接触条件、大变形和材料非线性，由四面体单元主导的网格将不会生成准确的变形结果，如图 3 中不切实际的预测变形清楚地说明的那样。四面体无法有效地填充给定体积 因此，按照 [16] 中的建议使用六面体主网格。 如图。


在铜线和它的涂层之间提供牢不可破的粘合接触。 此外，模型还应用了摩擦系数为 0.2 的转动转体相互作用。 由于增加加载速率可能会增加接触相互渗透，因此通过执行多次模拟来优化冲头的速度。 该软件使用默认的纯惩罚方法来解决实体相互作用。 仿真设置如图 4 所示。


由于显式动态系统的计算成本，模拟被人为加速以在非常短的时间内挤压线圈。 使用 4 核、24 GB 内存的 PC 在大约 40 小时内解决了该模型，以查看系统的总动态响应。 请注意，如果模型使用线圈挤压事件的自然时间来获得原始塑性应变结果，则收敛到一个解决方案将需要大约 4000 小时。 相对于时间应用的速度函数如图 5 所示。


速度曲线的时间积分给出冲头的总位移为 0.479 毫米，冲头的最大速度为 300 毫米/秒，对应于一秒内 30 厘米的位移。 显然，冲头的速度并不能反映事件的自然时间，因为现实中无法在几毫秒内完成线圈压制。 假设压力机的实际速度至少比这慢 100 倍。 因此，压缩过程的模拟结果需要按比例缩小100倍。

zengxiaodong

C. 准静态 FEA 结果

图 6 显示了 15 匝线圈的有限元分析结果，通过施加水平载荷使线圈永久变形。 显示的结果是在漆包线漆上发生材料断裂之前的最后时刻。 在压缩动态响应期间监测等效 von-Mises 应力和塑性应变结果，以研究绝缘失效。 在图 6a 中，最大等效 von-Mises 应力为 449.9 MPa。 所有漆包线都会经历明显的塑性变形。 漆包线漆的等效塑性应变率是检测材料断裂的最重要指标。 由于模拟的材料应变率增加了与加载率相同的因素，因此塑性预测的应变率比实际大 100 倍以上。 漆包线绝缘漆的校正应变率为 0.013 mm/mm，聚酰亚胺热固性材料的伸长率为 0.03 mm/mm。 绝缘层仍然是安全的，因为电线没有比绝缘层伸长更多。 此外，绝缘上的等效 von-Mises 应力如图 6b 所示，峰值为 230.4 MPa，低于聚酰亚胺的断裂强度 345 MPa。 因此，预计导体直径为 1.25 mm 的电磁线可以安全地压缩至 0.73 的填充系数。

zengxiaodong

不得不由衷佩服这些研究者，进行了如此深入的令人“不可思议”的研究和实验。

显式动力学本来常见于轧制、碰撞、爆炸、锻压等领域，居然引用到线圈的挤压成形，并且取得了令人欢欣鼓舞的成就！


上面3个楼层的原版内容见下面的附件，作者共发表了3篇相关的论文，值得参考。

liufafa

zengxiaodong 发表于 2022-9-29 11:26
其实，根据电磁场理论，变化的磁场产生电场，因此槽内磁密虽然很小，但是其变化率却不一定小，这个变化率产 ...

磁力线是想象的  为了表述。实际不存在

zengxiaodong

liufafa 发表于 2023-6-12 17:51
磁力线是想象的  为了表述。实际不存在

磁力线是想象的，但不是凭空想象的！

在二维电磁场中，磁力线也叫做等磁位线（类似于地图上面的等高线），也就是同一根磁力线上Az处处相等；而矢量磁位Az又是一个假想的中间计算变量，二维电磁场有限元计算往往是直接计算出Az，然后通过Az间接计算出其他场量。

总之，磁力线是一个形象直观且某种程度上可以认为“客观存在”的，精确描述磁场分布的有力工具。其用处是很大的，例如，两点之间的矢量磁位之差就代表单位长度绝对磁链的数值，在时变电磁场中，Az对时间的偏导数与感应电势直接成正比......

liufafa

zengxiaodong 发表于 2023-6-13 09:29
磁力线是想象的，但不是凭空想象的！

在二维电磁场中，磁力线也叫做等磁位线（类似于地图上面的等高线 ...

我只想告诉你  你的理解有问题。槽里面的绕组不是靠漏磁切割磁感线产生电势的。磁生电的本质是变化的磁场，运动切割磁感线只是其中的一种情况或麦克斯韦方程一种特殊的解。初高中的切割磁感线的公式，是空气做磁介质，方便演示讲解而已。而实际电机是软磁材料做的磁介质，漏到槽里面的磁场很小，可以忽略不计。另外你这个问题 麦克斯韦方程 解释的很清楚  这是电磁学的基础  按全电流定律的定义去理解  才算是理解到本质。

liufafa

zengxiaodong 发表于 2023-6-13 09:29
磁力线是想象的，但不是凭空想象的！

在二维电磁场中，磁力线也叫做等磁位线（类似于地图上面的等高线 ...

另外  你的论文图片资料很好  为了感谢你  再多纠正你一点  漏磁在大多数情况  都是希望尽量小的。不管设计变压器还是电机，都是想尽可能避免漏磁，但实际没办法做到。因为  漏磁在电磁计算中  是漏掉的那部分  没有起到能量交换的作用 。深槽电机 ，槽漏磁变大 ，漏磁部分不能转化成有功功率，只能储存在铁芯和绕组中作为无功存在，漏磁变大影响电感系数，电抗变大。尤其当铁芯饱和时，槽漏磁将变化很大，从而影响电机的启动性能和过载能力。前面发的磁力线的动态图，磁力线从槽漏出去，多半是仿真启动或过载工况的磁场分布变化，不应该是证明绕组切割磁感线的  

zengxiaodong

liufafa 发表于 2023-6-13 16:03
另外  你的论文图片资料很好  为了感谢你  再多纠正你一点  漏磁在大多数情况  都是希望尽量小的。不管设 ...

恰恰相反，以前的老思想是希望漏磁越小越好，现代的新思想并不追求漏磁越小，而是强调漏磁大小恰当，因为漏磁直接牵涉到成本，在变压器和同步电机中还直接与短路电流有关，短路电流影响安全性（力稳定、热稳定）。

liufafa

zengxiaodong 发表于 2023-6-13 16:23
恰恰相反，以前的老思想是希望漏磁越小越好，现代的新思想并不追求漏磁越小，而是强调漏磁大小恰当，因为 ...

发电机和变压器都有短路电抗的技术要求；电抗器就更不用说了。设计短路电抗，主要是从气隙，绕组匝数，绕组结构和分布形式去调整，而不是这点槽漏抗。某些情况新能源汽车永磁增加定子电抗，是为了抑制谐波，减少谐波发热。这个和新思想  老思想无关，电抗本来就是需要校核设计，根据工况需求取合适的值

小小鸟儿

liufafa 发表于 2023-6-13 20:54
发电机和变压器都有短路电抗的技术要求；电抗器就更不用说了。设计短路电抗，主要是从气隙，绕组匝数，绕 ...

曾老师最大的贡献是指出了：变压器是靠漏磁场传递能量的 ，佩服的我只能说曾老师是站在了牛12和牛14之间。