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

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

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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。

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第五次看到公众号转发这篇经典文献了。

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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。

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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

AVL 用于下一代车辆的高速电力驱动装置

我们正在推动研发达到创新的最高极限。凭借我们高度集成的电动驱动单元，我们找到了降低电动动力系统成本的方法。 这是我们在全球范围内的足迹以及与其他 AVL 地点共同开发的结果。

它专为高端车辆而设计，采用 800 V 系统运行，可达到 30,000 rpm 的最高速度和 160 Nm 的电机峰值扭矩。 电动驱动装置由两个驱动系统组成（支持扭矩矢量分配！），总峰值功率为 300 kW，可产生 5000 Nm 的轴扭矩。 最高车速目标为 240 公里/小时，以符合高级内燃机车辆的通常规格。 配备完全集成的双 SiC 逆变器、两个轮班变速箱和高效的齿轮润滑系统！

车轴尺寸小，支持集成到各种车辆中。 基于模块化架构，电动驱动单元可以适应其他要求。 这有助于进一步提高电动汽车的市场份额。

zengxiaodong

变截面扁铜线可将电机铜满率提升至80%


Fraunhofer IWU（德国弗劳恩霍夫机床与成型技术研究所）通过使用新的金属成型生产工艺加工扁铜线，可以将电机定子铜满率（非槽满率）从50%大幅提升至80%。

通常扁线电机的定子槽是矩形槽，槽内插有绝缘纸，涂有绝缘层的（PEEK，PI等）铜线插入矩形槽后灌封固定，为了贴合矩形槽，铜线的截面是同样也是矩形，且每一层每一根导线截面的名义尺寸（长x宽）都相同，如图1所示。



与常见扁线电机的矩形槽不同，Fraunhofer IWU将电机定子槽设计成梯形，对应着铜线也经过特殊设计：铜线采用变截面设计，为保持相同的载流能力，每一层铜线截面积都相等，但是梯形截面的上下底和高都不相等，越靠近电机轴线的越窄越厚，越远离电机轴线的越宽越薄，如图2所示。



图3是一个展示样品，可以明显看到上方的铜线比底部的铜线更窄也更厚（a<c, b>d）。通过梯形槽的应用，可以最大限度地利用电机内部空间，在总体外包络不变的前提下实现更大的电流，进而提升电机的功率密度与扭矩密度。

Fraunhofer IWU研究所推出的变截面扁线成型技术，不仅能够显著提升电机的性能，同时还可以极大地减少材料的浪费，整套工艺流程几乎不会产生废料。

zengxiaodong

Fraunhofer IWU的变截面扁线轧制缠绕技术，目前只适用于单齿集中绕组。

zengxiaodong

新工艺！扁线双U-Pin高效驱动电机

zengxiaodong

zengxiaodong 发表于 2023-7-1 21:53
变截面扁铜线可将电机铜满率提升至80%

RIO电驱动公众号今天早上新鲜出炉，引用了变截面扁线的技术介绍，可惜其中的a、b、c、d尺寸关系编辑错误！

zengxiaodong

公众号上今天早上才发出来，可是会议今天下午就在青岛召开了，一点提前量也没有！！！

zengxiaodong

30000r/min的永磁电机，线圈导体的AC Loss是一个大问题，难道是3D打印解决方案？

zengxiaodong

当电机转速提高到30000 r/min时，扁线电机会很难设计，况且AC Loss更加令人头疼，所以多挡变速箱可能是正确的解决方案！

小雨a

曾老师，意大利的马斯利在线圈展上搞的高槽满率圆线取代扁线，你觉得那个靠谱吗？

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小雨a 发表于 2023-7-27 22:03
曾老师，意大利的马斯利在线圈展上搞的高槽满率圆线取代扁线，你觉得那个靠谱吗？

我觉得很靠谱！其实扁线就是用更多的铜反而引来更高的损耗，也就是低直流电阻高交流电阻。



按照传统的电机设计原则，双边挤流效应那是无法想象的设计方案，但是在汽车电驱电机上，居然堂而皇之允许严重的Double-Sided Skin Effect存在......

zengxiaodong

先把端部问题放到一边，槽内导热性也先暂缓讨论。

我们简单做一道数学题，一个电机的线圈其陈世坤槽满率假设达到63.66%，这个要求不高吧，手工下线也很容易实现，当然啦，这个电机槽内理论上就会有很多的“空气”没有被充分利用，极限情况下Get Rid Of Air后，槽满率能够达到127.32%，也就是电机的直流电阻能够降低50%，换句话说，无论你用怎样的扁线来代替圆线，都不可能把圆线的直流电阻减小一半！

而在高频下，扁线的交流电阻达到其直流电阻的2倍是很容易的事情（其实扁线的交流电阻达到直流电阻的4~5倍也是常有的），因此，扁线的AC Loss超过圆线并非罕见，况且此时扁线还多用了1倍的铜呢！





结论就是：圆线的槽满率超过63.66%，就足以跟很多扁线PK一下了，只要能够进一步提高槽满率和电机频率，则PK时的胜算更大。

小雨a

zengxiaodong 发表于 2023-7-28 09:40
我觉得很靠谱！其实扁线就是用更多的铜反而引来更高的损耗，也就是低直流电阻高交流电阻。

好的谢谢曾老师回复！对于国内新能源汽车电机来说，一方面是成本考虑，另一方面中国的CLTC工况基本都是低速低扭，用不到太高转速的工况点，当然用高槽满率圆线降低高频交流效应确实是好事，不过综合考虑目前其实我觉得优势不大的。其次他们这种无非就是分数槽分块定子的绕组弄到了IPM分布绕组上，但是我记得也需要定子分块而且槽型依旧是平行齿，不能做梨形槽，对于800V油冷电机漆膜估计会很厚铜满率未必会很高，所以我感觉没啥优势。

zengxiaodong

小雨a 发表于 2023-7-28 21:45
好的谢谢曾老师回复！对于国内新能源汽车电机来说，一方面是成本考虑，另一方面中国的CLTC工况基本都是低 ...

我对你这段话完全看不懂！


1、关于成本，扁线用铜量大，扁线的单位重量加工费也贵了很多。后续电机生产过程中扁线成形、焊接等等设备也昂贵很多；

2、上面几个帖子中DHD绕组的图片，没有一个是平行齿的，都是平行槽的；

3、梨形槽槽底是圆的，扁线无法支持这种槽形，但是DHD绕组却可以支持圆底槽（参见DHD图片）。

小雨a

zengxiaodong 发表于 2023-7-30 12:24
我对你这段话完全看不懂！

哈哈说错了，就是平行槽，不能像传统圆线一样做平行齿；而且这个在工艺上好像要定子分块，这个我不太确定。