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 2022-10-13 18:30

这样看来，目前Motor-CAD的实导体AC Loss计算，后处理部分存在一些问题，不能给出导体损耗的空间分布（有效值）。

试了一下目前的最新版FluxMotor2022.1

电动状态.png

这是某一瞬时的结果！

zengxiaodong · 发表于 2022-10-13 21:08

不知道发电状态是不是仅需改变控制角就可以了？

zengxiaodong · 发表于 2022-10-16 16:00

上面Fluxmotor计算的扁线损耗，是通过导入Flux计算的，而且由于Fluxmotor无法选择发电机工况，只好在Flux中强行改变控制角（变化180度电角度）来进行发电工况的计算。

但是，云图显示的是某瞬时的状态，要处理成涡流损耗有效值的云图，似乎比较麻烦！

zengxiaodong · 发表于 2022-10-19 15:41

本帖最后由 zengxiaodong 于 2022-10-19 18:27 编辑

无标题1.png

zengxiaodong · 发表于 2022-10-19 18:28

zengxiaodong · 发表于 2022-10-20 12:12

zengxiaodong · 发表于 2022-10-24 13:22

本帖最后由 zengxiaodong 于 2022-10-24 20:35 编辑

这章内容（区区共22页）值得逐字逐句仔细阅读，非如此不可能搞懂扁线绕组的交流损耗。

第5章电阻.pdf (3.61 MB, 下载次数: 42)

zengxiaodong · 发表于 2022-10-24 17:30

本帖最后由 zengxiaodong 于 2022-10-24 18:50 编辑

以Prius为例，频率按照800Hz，温度按照20℃（因为铜在50Hz时的透入深度为9.345毫米，见本帖59楼），则透入深度为9.345/4=2.34毫米。

假设扁线层数为Zt=8，那么根据楼上公式，可以计算出临界高度为1.09mm
假设扁线层数为Zt=10，那么根据楼上公式，可计算出临界高度为0.977mm

所以，目前很多扁线电机的导体高度，均超过了临界高度，这就会产生双边集肤效应（Double-Sided Skin Effect），导致非常严重的交流损耗！

补充内容 (2022-10-26 15:08):
Double-Sided Skin Effect，翻译成“双边挤流效应”更加好！

zengxiaodong · 发表于 2022-10-24 22:10

zengxiaodong · 发表于 2022-10-25 09:46

程福秀在《现代电机设计》里面，是对交流电阻表达式求导，得到临界高度的计算公式，及其对应的交流电阻系数。

无标题.png

陈世坤在《电机设计》里，也是用求导的办法，得到临界高度数值以及电阻系数，结合楼上这张图，就可以更直观看出“临界高度”的物理含义。

zengxiaodong · 发表于 2022-10-25 13:25

本帖最后由 zengxiaodong 于 2022-10-25 19:18 编辑

在层数保持不变时，仅改变导体高度

无标题1.png

zengxiaodong · 发表于 2022-10-25 18:35

本帖最后由 zengxiaodong 于 2022-10-25 18:36 编辑

在层数保持不变，仅改变导体高度时，交流电阻最小值发生在临界高度时。

如果保持槽深不变，改变层数，又是什么情况呢？下面是汤蕴璆、梁艳萍《电机电磁场的分析与计算》中的一个计算实例

多层扁线实例.png

由于层数太少时，近似公式误差较大，所以，仅讨论层数3以上的情形，明显可以看出，只有层数达到15以上时，导体高度才接近临界高度，且此时交流电阻系数接近1.33

zengxiaodong · 发表于 2022-10-26 10:28

看到这里，大家不免要问我一个至关重要的问题：

既然“临界高度”是1毫米左右，而实际扁线的高度远大于1毫米，那么AC Loss会是直流铜损耗的很多倍，为什么这么多车用马达还采用扁线绕组呢？况且各种文献以及测试对比数据都没有发现特别的异常损耗呀......

对这个疑问的答复很简单，那就是圆线绕组本身也是有很大的AC Loss（因为环流的缘故），所以，如果以圆线拉入式绕组为基准进行测试对比的话，发现不了太大的问题。

换句话说，Hofer动力总成公司提到的降低25%铜损耗，这应该是一个极为保守的数值！

zengxiaodong · 发表于 2022-10-26 13:34

本帖最后由 zengxiaodong 于 2022-10-26 15:14 编辑

zengxiaodong 发表于 2022-10-24 17:30
以Prius为例，频率按照800Hz，温度按照20℃（因为铜在50Hz时的透入深度为9.345毫米，见本帖59楼），则透入 ...

双边挤流效应（Double-Sided Skin Effect），会产生严重的AC Loss，严重到什么程度呢？上2楼提供的图片表格有具体的实例，表中交流电阻比直流电阻增加竟然达到近8倍，这还是50Hz条件下的数值，如果频率继续提高，交流电阻还要更高！

很多扁线论文提供的图片，为什么我认为是错误的呢？就是因为它们出现了双边挤流效应（Double-Sided Skin Effect）

本帖17楼就是一个实例，这意味着“临界高度”被大大突破，因而是相当不合理的设计方案！

zengxiaodong · 发表于 2022-10-26 16:38

本帖最后由 zengxiaodong 于 2022-10-27 08:14 编辑

楼上电密分布云图，特别要注意一点，那就是一旦发生了双边挤流效应的导体，其上下侧的电密其实是接近反相位的（相位差90~180度电角度）！

扁线层数为2层时的一个实例

双层扁线电密幅值分布.png

采用有限分层法计算的2层扁线绕组导体中电流相量图如下，其具体计算方法是把每根扁线分割成若干根（层）假想的子导体，并认为每根子导体中的电流集中于几何中心线上，然后迭代求解

双层扁线电流相量图.png

只有相量图，才是扁线导体中电流分布的完备描述————既有幅值，也有相位！

lijian988998 · 发表于 2022-10-26 19:31

学习，学习

zengxiaodong · 发表于 2022-10-27 08:24

zengxiaodong 发表于 2022-10-26 16:38
楼上电密分布云图，特别要注意一点，那就是一旦发生了双边挤流效应的导体，其上下侧的电密其实是接近反相位 ...

为什么发生了双边挤流效应的导体，其上下侧的电密其实是接近反相位的呢？

其原因是感应出的涡流足够大，大到甚至能够抵消传导电流（一侧叠加，一侧抵消）！感应涡流的大小很显然与频率、导体高度、电阻率等密切相关，这也就是“临界高度”会成为一个特征参数的根本原因。另外可以想见的是，由于导体中出现了反向的电流层，意味着导体中的电流分布极度不均匀，因此交流电阻就会变得很大。

zengxiaodong · 发表于 2022-10-27 09:57

本帖最后由 zengxiaodong 于 2022-10-27 15:24 编辑

这篇论文有个48槽8极永磁电机的计算实例，在转速12000r/min时，最高效率仅仅94.5%，这是很低的数值。

我们有一个8极永磁电机，在3600r/min时，效率就很容易达到95%以上，用的是圆线绕组。

无标题.png

不同层数扁线电机及其搭载整车性能分析_马永志.pdf (2.61 MB, 下载次数: 34)

从论文中提供的图表可以看出，扁线绕组明显出现了双边挤流效应。

zengxiaodong · 发表于 2022-10-27 14:10

本帖最后由 zengxiaodong 于 2022-10-27 15:26 编辑

以楼上8层扁线为例，假如绕组铜耗能够被降低60%，那将会是什么惊人的结果？

显然，不仅电机效率大幅度提高了，而且电机的冷却系统也会出现根本性的改变，因为没有那么多的热量需要散发了，油冷尤其是内油冷也许就不是必须的了！

或者反过来，假设散热系统不作改变，那么电机的输出扭矩（功率）大体上可以提高到1.581倍！

zengxiaodong · 发表于 2022-10-27 16:33

本帖最后由 zengxiaodong 于 2022-10-27 22:48 编辑

zengxiaodong 发表于 2022-10-26 16:38
楼上电密分布云图，特别要注意一点，那就是一旦发生了双边挤流效应的导体，其上下侧的电密其实是接近反相位 ...

采用有限分层法计算时，类似于有限单元法，分层的假想子导体数越多，自然求解的结果越精确，如果分层数增加到无穷，就变成了光滑连续的电流相量曲线图。

以2层扁线的顶层为例，见下面图中红色的曲线

双层扁线电密相量图.png

在无穷多分层数时，每个电流相量都成为无穷小，因此，“电流相量”要变成“电流密度相量”才更适合于描述。

类似的异曲同工的数学物理概念有：

质量、密度
概率、概率密度
频谱、频谱密度
电流、电流密度

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