电机设计中的槽满率问题探讨

向风何处

讨论挺有意思。我举例一个极限例子。一个圆形的槽，直径1，内部放了一根圆线，外径1.槽满率按所说的欧洲标准计算：1*1/(PAI*1*1/4)=1.273=127.3%。所以欧洲标准计算的槽满率最大就是这个值了。如果按方线计算，最大就是100%。

milo927

记得很久就看了这个帖子，这么久了还在讨论，忍不住发表一下自己的看法，不管导线是圆的方的，至少要符合一个最基本的条件，就是能放到槽里，基于这个基本原则，槽满率就不可能大于1，至于那些计算能达到127.3%的，无非就是理解为一个半径1的圆，外切一个边长2的正方形，这个就是有问题的地方了，为什么外切呢，按照刚才的基本原则，导线必须在槽里，所有计算公式里圆导线用方导线代替计算，应该也是做一个内接于圆的正方形才对，我想当时创造这个公式的老师也是理解为导线至少都在槽里这个原则吧~如果连这个原则都不遵守，什么这个极限，那个理论的，一点意义没有，不但没有实际意义，更没有理论意义~

Sean2028

我是正常思维的人而且学识也没有到你们变态的地步，我只理解课本上的槽满率。

zengxiaodong

这个Form Litz Wire绕组的槽满率是多少？
回看本帖83楼




补充内容 (2023-6-2 16:33):
https://bbs.simol.cn/thread-207371-12-1.html

补充内容 (2023-6-2 16:33):
https://bbs.simol.cn/thread-207371-12-1.html

补充内容 (2023-6-5 14:02):
The optimization of the effective winding in the stator to increase the performance represents a special challenge. The aim is to accommodate as many copper conductors as possible in the narrow stator groove in a reproducible manner, with a high quality and short production times without damaging the enameled copper wire.

补充内容 (2023-6-5 14:03):
优化定子中的有效绕组以提高性能是一个特殊的挑战。其目的是以可重复的方式在狭窄的定子槽中容纳尽可能多的铜导体，具有高质量和短的生产时间，而不会损坏漆包铜线。

xuranshi

有生产经验的人，不会讨论槽满率是50,80%

xinmingbo

人性最大的恶就是在自己的所谓的权利范围内去最大限度的为难别人，我的帖子就被一些自以为是的SB删过，哎，让他去吧，秦桧还有三个好朋友呢。

licunozu

大长经 发表于 2010-10-11 17:24

你的第二种，如果按方形计算的话是有重叠的，所以会超过100%。

abs123

forlink 发表于 2010-10-27 17:06
比如说直径为2的圆导线，等效为矩形导线所占的面积，那这矩形的边长就不能按2计了吧，小于2，=========== ...

不知斑竹为何要如此迷信公式，既然是直接将直径2mm的圆线等效成边长2mm的正方形线，本身就在数学上是错的，只是为了方便计算，那算出来的槽满率大于1又有什么稀奇。这一点你也提到过啊，错误的公式计算错误的答案，却被一些人拿来嘲讽我们普通人迷信槽满率不能大于1，还信誓旦旦地要改变大家错误的想法，不是荒谬吗。但凡你们的争论能用公认的数学方法摆在纸面上，我都觉得争论有意义。但是不能啊。我很能理解张老师。
用数学的方法，谁错了改谁不就完了吗，如果问题和参数定义不同，那导致不同的结果也很正常，这绝对不是学术包容问题，对就是对，错就是错。不怕扣分。

周君全

无刷电机的槽满率只能做75%左右，因为槽内还要走线嘴，槽满率太高线嘴要擦漆包线的，盐浴实验过不了。

欧阳庆

向风何处 发表于 2022-9-19 10:40
讨论挺有意思。我举例一个极限例子。一个圆形的槽，直径1，内部放了一根圆线，外径1.槽满率按所说的欧洲标 ...

小学生的算术计算，没有任何实际生产的指导意义，工厂工人都会鄙视你们这群人，一无是处，废物一个。欧洲人，美国人的就是天下标准吗，这不是笑话又是什么呢？

欧阳庆

人的活动或制作研究，都要适合与实际生产服务，人文艺术类除外，那不是科学。电机槽满率最大只有100%,看看异步电机的铝转子就是正确答案。可就是这样，还是有铸铝不足或断铝条出现，定子绕组的槽满率就可想而知。一群傻缺们，还在讨论，不如回家帮你老娘做点什么有意义的事情。

向风何处

标准答案 发表于 2010-10-12 13:32
这个帖子讨论真是热烈，花了一个多小时看完115层楼，看得我老眼昏花，也留下点自己的看法：
1 激烈讨论是 ...

标准答案版主和稀泥高手啊，承认一次曾老师对这么难么？槽满率就是一个计算公式，能大于1就是能，不能就是不能。

zengxiaodong

居然有人情不自禁的引用了我的“磁满率”

zengxiaodong

Formed Litz Wire（成形利兹线）是目前高速永磁电机最合适的导线，可以大幅度降低高频条件下的AC Loss，显著提升电动汽车牵引电机的功率密度。

其实，FLW的核心原理，就是本帖提到的马步式绕组，因为与实心扁线相比，利兹线内部是有空隙的，这导致铜导体填充系数的降低，也就是直流电阻加大。为了提升填充系数，就需要用外力挤压利兹线，使得导线排列尽可能紧密，假设细圆线截面不变形，那么最佳的状态就是马步式排列，如果要进一步提升填充系数，则进一步的挤压可能使得细圆导线变成6边形形状，当然，最终甚至可以通过强力挤压把所有缝隙消除，达到实心扁线同样的填充系数！只不过，这种状态下，细圆线的绝缘层可能会受到损伤，那就得不偿失了。

zengxiaodong

居然有很多人在研究压制绕组









本文的重点是通过增加导体填充因子来改善电机的热性能。集成启动发电机的比较设计研究被用作案例研究，以研究压制线圈的机械、电气和热方面。通过进行准静态显式动力学模拟，研究了隔热层的变形。对直径为1.25mm的电磁线进行了模拟，并证明其可压缩至0.73填充系数，而不会观察到绝缘故障。通过进行稳态有限元分析热模拟和短时热瞬态试验，研究了在提高槽填充系数的情况下定子绕组的热导率增强。

补充内容 (2023-6-12 10:02):
这篇论文可到链接帖子的246楼下载，https://bbs.simol.cn/thread-207371-13-1.html

zengxiaodong

Abstract:We have experienced the unprecedented copper price rises in the recent years. With increased use in the automotive industry, it will become even more serious issue, possibly slowing down the wider application of the electric drives in the new vehicles. More efficient way to use the copper would bring substantial benefits to other industries, too - every high volume inductive device application included. In the ideal world inductive devices would have 100% active material in the winding, but in the real world it is much less. The insulation layer is one cause and the wire shape fill factor the other. Round shapes can only be wound with limited efficiency. Other cross sectional shapes (hexagonal, rectangular) can bring improvement, but have limited applications due to high cost and unsuitability for any but heavy gauge wires. This paper describes and discusses the available and/or possible technologies of post-forming the round wire windings, in order to achieve the maximum fill factor. The wound circular cross sections need to be transformed into hexagonal array (honeycomb) while the insulation remains fully functional. This will results in substantial improvement of the fill factor, opening up the wide range of the possibilities from higher power to weight ratio to cost saving, even substitution of copper with aluminum in some applications, enabling dramatic improvements in the cost reduction, vehicle dynamics and overall energy efficiency. The technologies presented and discussed in this paper are: direct mechanical compression; injection moulding, in two sub-technologies (hydro forming and explosion-forming). Some of the above technologies are ready for industrial applications, some would need further development to reach that stage. Currently one of the technologies shows to have the highest potential to be implemented in the high volume production, because of it's more development and compatibility manufacturing resources, making relatively straightforward. That...


近年来，我们经历了前所未有的铜价上涨。 随着汽车行业使用的增加，这将成为更严重的问题，可能会减缓电驱动在新车中的更广泛应用。 更有效地使用铜的方法也将为其他行业带来巨大利益 - 包括每个大容量电感设备应用。 在理想世界中，电感设备的绕组中将有 100% 的有效材料，但在现实世界中要少得多。 绝缘层是一个原因，导线形状填充因子是另一个原因。 圆形只能以有限的效率缠绕。 其他横截面形状（六边形、矩形）可以带来改进，但由于成本高且不适合除大规格导线外的任何其他导线，因此应用有限。 本文描述和讨论了圆形线绕组后成型的可用和/或可能的技术，以实现最大的填充因子（槽满率）。 缠绕的圆形横截面需要转变为六角形阵列（蜂窝），同时绝缘仍保持完整功能。 这将导致填充系数（槽满率）的显着提高，开辟了从更高的功率重量比到节省成本的广泛可能性，甚至在某些应用中用铝替代铜，从而显著改善车辆动力学、整体能源效率和降低成本。 本文介绍和讨论的技术是：直接机械压缩； 注塑成型，采用两种子技术（液压成型和爆炸成型）。 上述技术中，有些已经准备好用于工业应用，有些还需要进一步开发才能达到那个阶段。 目前，其中一项技术显示出在大批量生产中实施的潜力最大，因为它具有更多的开发和兼容性制造资源，制作相对简单。 那...

zengxiaodong

关于压制绕组，这篇论文很有参考价值《电机槽内压缩漆包圆铜线的可行性研究》，既归纳列举了研究历史，也提供了很多参考文献以及专利。



Feasibility Study for Enameled Round Copper Wire Compression within Slots of Ele.pdf (1.02 MB, 下载次数: 1)

2023-6-3 23:05 上传

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现摘录一段综述性的介绍内容。


在电机背景下已经发表了对线圈绕组压缩的各种科学研究，本节给出了简短的概述和总结。


Boesel [20] 于 1989 年描述了一种压接工艺。 在高性能电气线圈的制造中，考虑了绕线技术、粘合强度、压缩优势以及粘合和制造工具的不同方面。


1999 年，Jack [21] 介绍了使用安装在粉末铁芯上的预压集中绕组设计、制造和测试永磁电机的方法。 所示的预压绕组的高填充系数（槽满率）是由 400MPa~450 MPa 的压力产生的。 人们注意到，高达 800 MPa 的压力不会对聚合物电线绝缘层造成损坏。 对所生产机器的测试表明，使用预压绕组可降低热阻，从而在热极限下产生更高的扭矩。


Asokan [22] 在 2004 年通过 FEM 分析检查了压缩绕组的影响。为了避免绕组中的电应力，发现消除锐角结构很重要。 可以通过六角形压制细线实现无电晕绕组。


Jaksic [23] 在 2011 年介绍了提高填充因子（槽满率）的现有方法和理论概念。描述的现有改进是手工绕线和异型线。 机械后处理、热塑性塑料注射成型、液压机械成型或爆炸成型，表明了绕组填充因子（槽满率）的新改进。


Widmer 在 2014 年和 2015 年研究了预压缩的集中铝定子绕组及其生产工具 [24、25]。 这些应用程序的用例是太阳能飞机和牵引驱动器。 据描述，如果使用铝线，铜线的已知压缩成形压力 400 MPa 可以降低到 250 MPa。


Kulan 和 Widmer 最近的进一步研究显示了在单齿定子上压制线圈的好处 [26-28]。 结果表明，由于压缩导致更高的填充因子（槽满率），可以提高导热率并降低铜损。 在 FEA 模拟中对压制过程以及导热行为进行了建模。 没有发生电线与电线或电线与地之间的绝缘故障。


Stöck 在 2016 年将热导率确定为提高电力牵引驱动功率密度的关键因素 [29]。 在绞合发夹绕组中压缩双绞线概述了开发的解决方案。 压制步骤可以在定子之外进行，绞合发夹在下游安装过程中组装和连接。 展示了自动化且成本效益高的生产概念。 通过这种方法，可以根据绕组方案和连接图实现分布式绕组。


自 2017 年以来，Petrell 展示了锥形压制铜线圈的不同制造途径/方法 [30-33]。 底层用例是轮毂引擎。 使用过的电线没有绝缘层，因此考虑了二次绝缘方法，如注塑成型。


那些不考虑绕组压缩但考虑铜线成型过程的出版物也很有帮助。 基本原理可以转移推广。 Weigelt 在 2017 年调查了发夹成型过程中电线绝缘层的厚度 [34]，并使用了在实验装置中得到验证的 FEM 分析。 Komodromos 在 2017 年检查了线性缠绕工艺的铜线成型和产品特性 [35]。

HUANGHAILIANG

看到这，我想起了那个“博士群里讨论关于一滴雨从天上落下能不能砸伤人或砸死人的笑话”
其实纠结于槽满率能不能大于1没有意义，这只是计算方法导致问题，书上的公式就一定是对的吗？不一定吧
其实我们更应该讨论的是这个槽满率计算公式的合理性，或许当初出这个公式的人在制定公式的时候是出于一种特殊的考虑才有现在的结果？

zengxiaodong

zengxiaodong 发表于 2023-6-3 23:03
关于压制绕组，这篇论文很有参考价值《电机槽内压缩漆包圆铜线的可行性研究》，既归纳列举了研究历史，也提 ...

槽内压缩漆包圆线，同时又不对漆膜绝缘层产生有害影响，这是一个重大的技术和工艺突破！而且，由于铝更软更弱而更易于压缩变形，使得基于铝线的压实绕组要容易实现得多。


现在广泛使用的中小型异步电机Y2、Y3系列及其派生产品如果能够以铝代铜，那将是一个多大的突破啊。根据本帖槽满率理论，散嵌绕组75%槽满率如果通过槽内压实工艺使得槽满率提高到120%，那么铝线的导电能力就可以提高到与铜几乎相等，从而实现电机成本的极大降低！

机械工艺

zengxiaodong 发表于 2023-6-8 14:36
槽内压缩漆包圆线，同时又不对漆膜绝缘层产生有害影响，这是一个重大的技术和工艺突破！而且，由于铝更软 ...

有没有比漆包线铜线更软的铝线？
铝易氧化，漆皮吸附力差，整体压制容易剥落。
槽满率关联到相关的生产设备，由生产能力来决定。同时与铁芯冲片的标准化有关。
成本不是单一的材料成本，对企业来说综合成本和质量信誉更为重要。