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

zengxiaodong · 发表于 2022-9-20 18:46

本帖最后由 zengxiaodong 于 2022-9-20 18:56 编辑

来一个“宏大叙事”的综述性论文，关于电机绕组方面的

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Electrical Machines Winding Technology：Latest Advancements.pdf (1.18 MB, 下载次数: 40)

对高功率密度电机的不断增长的需求导致了不同的电气、机械和热应力，最终可能导致机器故障。因此，必须仔细研究应力和损耗的管理，以获得高度可靠的电机。文献一致认为，绕组损耗是许多电机的主要损耗机制。然而，关于如何减轻这些损耗以及上述压力的说法各不相同。为了避免绕组故障，对各种绕组拓扑结构的研究可以更好地考虑不同电机性能的挑战和限制。为此，本文对不同的绕组拓扑结构进行了综合评述。对文献中的许多实例进行了总结和比较。此外，还介绍了增材制造（AM）在电机绕组生产中的应用，表明这项新兴技术高度成熟。最后，介绍了电机绕组设计面临的不同挑战，包括交流高频损耗、热管理、机械和声学问题、绝缘老化、自动化生产和绕组可制造性。

zengxiaodong · 发表于 2022-9-20 19:30

导线换位，既可以3D打印出来，也可以用Litz线来实现。

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zengxiaodong · 发表于 2022-9-20 22:15

来一个更加“宏大叙事”的，那可不仅仅专注于电机绕组那点事了！

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Electric_Drive_Technology_Trends_Challenges_and_Opportunities_for_Future_Electri.rar (2.97 MB, 下载次数: 38)

beichen · 发表于 2022-9-21 08:33

对于扁线绕组的集肤效应，为了创新，大家都在淡化。

zengxiaodong · 发表于 2022-9-21 11:10

别闹丶我会飞发表于 2022-9-17 15:26
有一点好奇这种利兹线是怎么做绝缘和耐压的

你说到的绝缘问题，这里有一篇文献，内容是低成本替代Litz线的方案，其原理就是简化丝与丝之间的绝缘，表面故意氧化而已。

众所周知，绝缘体和导体之间，电阻率相差10的10次方倍，也就是10个数量级，假设氧化层能够比金属增加1000倍电阻，那也是足够了，就能获得理想的结果！

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Optimization of Stranded-Wire Windings.pdf (148.4 KB, 下载次数: 24)

zengxiaodong · 发表于 2022-9-21 14:19

这个数学估计是体育老师教的吧。

假设：
1、不考虑交流电阻增加的因素；
2、不允许绕组发热增加，导致散热能力爆表；
3、不考虑电机其他特性（如饱和、退磁等）的劣化。

那么，增加20%~30%的铜面积，所能增加的功率为9.5%~14%之间，因为要取开根号的缘故！

zengxiaodong · 发表于 2022-9-21 16:22

beichen 发表于 2022-9-21 08:33
对于扁线绕组的集肤效应，为了创新，大家都在淡化。

在发卡扁线绕组蒸蒸日上的时候，提出淘汰扁线，是否有点石破天惊呢？

好多说法认为扁线绕组是未来电动汽车驱动电机的方向，我想来想去觉得不是很靠谱，多填进去20%~30%的铜，但是这些铜在高频交流下面并不能被充分利用，有明显的短板存在！

ichsgh · 发表于 2022-9-21 17:23

zengxiaodong 发表于 2022-09-21 16:22
在发卡扁线绕组蒸蒸日上的时候，提出淘汰扁线，是否有点石破天惊呢？

好多说法认为扁线绕组是未来电动汽车驱动电机的方向，我想来想去觉得不是很靠谱，多填进去20%~30%的铜，但是这些铜在高频交流下面并不能被充分利用，有明显的短板存在！

对新能源车来说，电机转速太高也没有必要，车速160就差不多了，追求200那都是不计成本的高端车，需求量也少，带动不了产业发展啊

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zengxiaodong · 发表于 2022-9-22 07:49

本帖最后由 zengxiaodong 于 2022-9-22 17:17 编辑

这篇论文提到的分裂扁线绕组，据说可以大幅度降低交流损耗，我感到怀疑。

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Rectangular and Random Conductors AC Losses.pdf (723.53 KB, 下载次数: 26)

zengxiaodong · 发表于 2022-9-22 12:43

本帖最后由 zengxiaodong 于 2022-9-22 16:51 编辑

ichsgh 发表于 2022-9-21 17:23
对新能源车来说，电机转速太高也没有必要，车速160就差不多了，追求200那都是不计成本的高端车，需求量也 ...

你理解有误，本帖内容与最高车速没有任何关系！

本帖专注于提高电机的转速从而提高功率密度，也有可能通过提高极数来提高转矩密度，这样在转速不变时也会增加电源频率。频率的增加才是根本，因为它会导致严重的交流损耗！

zengxiaodong · 发表于 2022-9-22 16:48

本帖最后由 zengxiaodong 于 2022-9-22 17:21 编辑

上2楼英文文献中的分裂扁线绕组，真的能显著减小交流损耗吗？

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这种薄型扁线，显然能大幅度降低涡流损耗，但是，需要2根薄扁线并联后的面积才能与靠槽底的大截面扁线相匹配，这样的话在端部焊接后，就很可能会形成环流通路，这个环流会造成非常大的环流损耗！

zengxiaodong · 发表于 2022-9-22 19:09

关于环流损耗的公式证明，这个公式也适用于涡流损耗的计算。

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可以得到结论，电流分布越均匀，则总损耗就越小。

zengxiaodong · 发表于 2022-9-23 09:24

本帖最后由 zengxiaodong 于 2022-9-23 09:53 编辑

本论坛竟然没有真正的西安交通大学陈世坤教授《电机设计》第二版，我提供超高清晰度的PDF版供大家下载
https://bbs.simol.cn/thread-87301-5-1.html

书中第4章第6节，是关于集肤效应的经典论述，搞清楚了这部分的内容，扁线电机、环流、换位等等也就迎刃而解了

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zengxiaodong · 发表于 2022-9-23 13:18

陈世坤教授的老师程福秀教授，编著的《现代电机设计》也是经典著作，其中第170页对挤流绕组的论述也很有启发。

https://bbs.simol.cn/thread-2102-1-1.html

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zengxiaodong · 发表于 2022-9-23 17:09

本帖最后由 zengxiaodong 于 2022-9-23 20:44 编辑

程福秀、陈世坤两位教授编写的教科书，都没有提到邻近效应（临近效应），只提到集肤效应、挤流效应，这不是没有原因的！

尤其是程福秀教授的书中，特别明确提到电机槽中绕组的电流方向：同槽异相导体，电流相位相差60°电角度而已。居然有外文文献说是120°电角度，这样的电机估计工作性能堪忧！

2根靠近导体流过反向的电流，这才是邻近效应，因此，电机里面没有邻近效应！对此，我被无数的人拍砖过，可谓满头都是包。

补充内容 (2022-9-25 14:17):
请参见：
https://bbs.simol.cn/thread-191627-2-1.html

zengxiaodong · 发表于 2022-9-24 10:08

2根靠近导体流过同向的电流，这不就是集肤效应吗？其实就是导体形状有变化的集肤效应而已而已！

为了加深理解，下面提供4根靠近导线流过同向电流（交流2种不同频率）的电密分布图，这个结果是可以猜到的！至于2根导线的情形，大家也可以猜一下，很多文献有2根导线电密分布图。

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电机槽内导体电流基本上同向流动，但是变压器槽里的导体，一次绕组、二次绕组的电流几乎是反向流动的，因此一次二次绕组导体之间有强烈的邻近效应！

所以，电机和变压器在这方面有本质的不同。

zengxiaodong · 发表于 2022-9-24 15:49

槽内无法换位时，可端部扭转换位，目的是使得并联股线能够处于槽内不同的位置，避免感应电势不均衡！

扭转换位.png

补充内容 (2022-9-25 14:21):
关于槽内换位，请参见：
https://bbs.simol.cn/thread-196420-2-2.html

zengxiaodong · 发表于 2022-9-25 14:24

很显然，类似于22楼提到的3D打印导线，目的就是充分换位，而且是槽内和端部都实现换位。

3D打印成本比较高，可行的替代方案就是Litz Wire

zengxiaodong · 发表于 2022-9-26 09:53

本帖最后由 zengxiaodong 于 2022-9-26 09:54 编辑

一楼的变形利兹线，宣称可以降低损耗25%

而3D打印绕组，号称性能提升45%，不知这个“性能”究竟是何具体含义，感觉模糊目的是忽悠。

45%.png

Philipp_Arnold-Additive_Drives-Rapidly_advancing_drive_evolution.pdf (2.2 MB, 下载次数: 23)

zengxiaodong · 发表于 2022-9-26 14:56

再提供几篇3D打印，也就是增材制造（Additive Manufacturing）方面的论文，有电机线圈、电机其他部件、散热冷却系统、汽车零部件等方面的内容，供参考。

A_Study_on_Additive_Manufacturing_for_Electromobil.pdf (3.36 MB, 下载次数: 16)

Metal Additive Manufacturing for Electrical Machines.pdf (2.77 MB, 下载次数: 15)

Opportunities and Challenges of Utilizing Additive Manufacturing Approaches in T.pdf (2.04 MB, 下载次数: 16)

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