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 2023-4-6 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。

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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。

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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。

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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。

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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。

zengxiaodong

小小鸟儿 发表于 2023-6-13 23:09
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 ...

张总，您就别给我戴高帽了，我可不是戴高乐。

我哪有资格“指出”？这是人家早就出书白字黑字印刷出来的，错了是作者错我跟着错，对了也是作者对我跟着对！

在这个帖子里说得很清楚了，书籍也提供了下载，https://bbs.simol.cn/thread-194576-1-1.html

zengxiaodong

这个帖子提供的很多论文，都不约而同地引用了一本书作为参考文献《Handbook of Coil Winding》Technologies for efficient electrical wound products and their automated production

下面提供这本书高清晰PDF版本下载。

zengxiaodong

第五次看到公众号转发这篇经典文献了。

zengxiaodong

如今，交通电气化是减少排放和满足燃油经济性要求的最可行的解决方案之一。 正在为所有运输应用开发混合动力和纯电动汽车 [1]、[2]、[3]、[4]。 除了这些要求外，功率密度、效率和可靠性也是设计电动汽车时要实现的首要目标。 在这方面，车辆动力总成的部件起着关键作用。 其中，电机正受到越来越多的关注，专注于最大化其功率密度 [5]、效率 [6] 和可靠性 [7] 的研究正在以前所未有的速度进行。

然而，同时满足所有这些要求是一项艰巨的任务。 事实上，虽然运行速度代表了增加给定体积的机器功率的主要杠杆 [8]，但它会导致更高的运行频率。 这些反过来又反映在铁芯和绕组中的损耗增加以及线圈绝缘层上的应力增加，因此效率和可靠性会受到影响 [9]、[10]。 这方面的一个明显例子是发夹绕组，其在交通运输市场的全面渗透受到其在高频操作中固有的高欧姆损耗的限制，高频操作会发生集肤效应和邻近效应。

另一方面，与随机缠绕技术相比，该技术具有更高的槽填充系数、更短的端部绕组长度和更低的低频铜损。 此外，它们的制造允许自动化、可重复和可靠的程序，使发夹绕组成为需要大批量生产的理想选择，例如在汽车运输中。 在这种情况下，成本最小化是另一个关键驱动因素。 [11] 中进行的研究证明，对于每年 100 万个单位的生产目标，制造发夹定子比制造采用随机绕组的定子更便宜。 很明显为什么发夹绕组被许多学者和行业视为下一代电机的前进方向 [12]。

然而，瓶颈仍然是高频操作产生的欧姆损耗（交流损耗）。 因此，为了完全满足绿色革命的要求，发夹设计应旨在缓解这一挑战。 在过去的几年中，多项研究的重点一直放在建模、估计和减少发夹中交流损耗的方法上。 在 [13] 中，提供了关于如何建立合适的连接以降低损耗的指南，以及用于评估铜损的一维模型。 在 [14] 中，提出了一个二维分析模型，并通过有限元分析 (FEA) 对其进行了验证。 已经提出了一些方法，例如移除最靠近槽口的导体或减少导体高度，同时增加导体数量，以减少交流损耗 [15]。 然而，第一个解决方案降低了填充因子，因为部分槽留空 [16]，而第二个选项增加了制造复杂性 [13]。 在 [17] 中已经通过 FEA 研究了由具有不同横截面的串联导体组成的非对称绕组。 在这里，已经取得了有希望的结果，但缺少实验验证。 此外，该方法增加了不对称导体的直流电阻，并且可能代表对最大可获得电流密度的限制。

另一种减少发夹绕组交流损耗的有趣技术来自随机绕组的典型“绞线”概念，其中导体被分成几个并联的子导体（绞线）。 在发夹中，这种方法不能像在随机绕组中那样灵活应用。 并联连接元件的数量应保持较低，以避免不可行的解决方案或弯曲和焊接过程的过度复杂化 [18]。 尽管并联导体的概念已在配备预成型绕组的大功率电机中得到广泛应用 [19]，但据作者所知，发夹绕组中的并联连接概念已在 [20] 中首次提出 ，但分析只关注二维方面（即忽略了绕组的端部效应）并且没有提供实验验证。

这项工作通过在分析模型和有限元模型中包括 3D 效果来填补这些空白，最重要的是，通过实验验证分裂发夹概念。 特别是，关于建模方面，提出了一个简化的 2D 有限元模型来分析端部区域，同时考虑到可能在高频下发生的现象。 关于实验验证，将分裂发夹绕组实施到特制的马达上。 制作了四个马达原型并进行了测试，每个马达都配备了不同的绕组布置以进行比较分析。 除了证明所提出的技术在降低损耗方面的优势外，实验结果还用于证明分裂发夹绕组即使在高频操作下也可以与随机绕组竞争。 这是通过将这些结果与 [21] 中配备圆线随机绕组的电机上获得的结果进行比较来完成的。

zengxiaodong

楼上这篇英文文献，参考文献【11】和【16】完全一样，也就是重复罗列了。


制造上的考虑


理论上，每个分裂导体可以由两个以上并联连接的层组成。然而，考虑到1）需要换位以使分裂技术有效，2）焊点数量增加，3）每个槽的层总数也增加，使用两个子层以上可能会使制造过程复杂化。因此，在这项工作中，只分割两个导体就足够了。这些显然是最接近定子槽开口的，从损耗的角度来看是最关键的。此外，子层的数量被选择为等于两个，从而将对制造的影响降至最低。

假设大批量生产，发夹制造将是一个完全自动化的过程。由于发夹制造线的技术进步，分裂发夹绕组不会对制造工艺和成本产生重大影响。事实上，即使要使用的基本引脚数量增加，如今也可以使用几种可配置的工具来弯曲和扭曲它们，这使得所有类型的引脚都可以使用相同的生产线。在弯曲过程中，必须注意与发夹的宽高比相关的约束。此外，导体的数量必须保持在当前制造限制之下。换言之，只要宽度与高度之比和每个槽的层数保持在当前限制之下，那么在实现分裂技术时就不会出现复杂情况。关于焊接点，如果考虑将手头应用的标准发夹绕组用于对比，则焊接点的数量将为15个，而所提出的分裂发夹布局呈现22个焊接点，这并不代表严重的不利。此外，生产线的技术进步导致以非常可靠的方式管理焊接过程，从而避免了实际应用中的短路风险。

这些技术进步的一个例子是AUTO-MEA（下一代电机缠绕部件的自动化制造）[22]，这是一个Clean Sky 2项目，旨在开发绕组设计的新方法，并提供创新和灵活的线圈制造系统，其可以提供适用于高频操作的可编程3D成型线圈形状、有效的线圈插入和自动焊接策略以形成用于航空航天和汽车绕组部件的完整绕线系统。尽管如果没有具体说明生产批量，就不可能进行详细的成本效益分析，但很明显，分裂发夹概念不会给整个过程带来显著的成本增加，而在减少损失和节能方面的好处可能令人印象深刻。这将带来一系列额外的好处，如更高的效率、更低的温度、更长的绝缘寿命等等。



结论

在这项工作中，提出了一种改进的发夹绕组拓扑结构，以减少高频操作时的欧姆损耗。这一概念被称为分裂发夹，包括将一个或多个槽导体拆分为两个或多个子导体，类似于通常在随机绕组中实现的“股”概念。在本文中，决定将两个导体拆分为两个子导体，因为这被认为是减少损耗和最小化制造复杂性的最佳解决方案。

针对传统发夹和随机绕组解决方案，评估了在所提出的分裂发夹绕组内的各种频率操作下产生的损耗。解析分析和有限元模型被用于这种目的，同时考虑了槽内和端部绕组区域。实现了简化的2D有限元模型来预测端部绕组中的损耗，从而避免了建立精确但计算非常昂贵的3D模型的需要。相关研究结果证明，在某些情况下，端部绕组的交流损耗可能是显著的，而这在以前的文献中经常被忽视。

在减少损失方面，所提出的分裂概念获得了有希望的解析分析和有限元结果。然后，通过构建和测试具有各种绕组布置的定子电机，验证了这些预感到的好处。与传统发夹布局相比，分裂发夹解决方案从≈600 Hz开始实现了始终高于20%的损耗降低，在1000 Hz时达到28%的峰值降低，从而证明了其潜力。

最后，对为相同牵引应用设计的随机绕组和发夹绕组进行了比较。正如预期的那样，传统和分裂发夹布局在低频率下都提供了比随机绕组更低的损耗。此外，重要的是，所提出的分裂发夹解决方案在高达900 Hz时实现了与随机绕组类似的损耗值，从而证明了其在更广泛的工作频率范围内的竞争力。

yanhunanche

zengxiaodong 发表于 2023-6-14 11:08
这个帖子提供的很多论文，都不约而同地引用了一本书作为参考文献《Handbook of Coil Winding》Technologies ...

很专业书籍，谢谢！！！

zengxiaodong

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