新能源汽车电机扁线绕组交流损耗对绕组分布影响研究

刘天知， 王 莎

（湖北工业大学工程技术学院电气信息系， 湖北武汉 430068）

1 引言

新能源汽车驱动电机对功率密度的要求越来越高， 有专家提出扁线绕组用在新能源电机上可以提高功率密度。扁线绕组可以提高电机的槽满率， 而且有利于电机的散热，从而可以提高电机的功率密度。 现在很多国内外新能源汽车驱动电机生产厂家都在研究扁线绕组电机 （下文称为扁线电机）， 甚至生产了扁线电机。 有报告指出， 相比如传统的圆线电机， 扁线电机可以提高电机的功率密度， 但是扁线电机也有其自身的问题， 其中一个问题就是在高频情况下会产生绕组附加损耗， 也就是交流损耗。 而现在新能源汽车驱动电机的转速在不断提高， 有些电机的最高频率会达到1000Hz以上， 那么扁线电机的交流损耗对电机性能影响研究就十分重要， 其中一点就是电机绕组分布的影响。

扁线绕组产生的损耗是绕组的趋肤效应和邻近效应产生的， 也称为绕组涡流损耗， 跟导体所在位置的磁密大小有关。 而电机中一相绕组分布在不同槽和槽中不同位置，那么单元电机中分布在不同位置的导体产生的交流损耗不同， 因此分析交流损耗对电机绕组分布也是十分重要。

本文通过有限元仿真分析扁线绕组的交流损耗， 首先我们用有限元方法分析不同激励下扁线的电流密度分布情况， 然后分析扁线电机交流损耗对绕组分布的影响， 为新能源驱动电机采用扁线绕组提供相关依据， 最后通过具体的例子来说明扁线电机绕组结构， 可以指导扁线电机的实际生产。

2 扁线交流损耗分析

扁线的交流损耗有两部分来源， 一部分是趋肤效应，另一部分是临近效应。 为了清楚地比较分析扁线的趋肤效应和临近效应， 通过有限元方法仿真分析扁线中通入交流电流后的电流密度分布。 为此分别建立了单根扁线和两根扁线的仿真模型， 单根扁线的尺寸为4mm×4mm。 在导线中施加正弦电流， 设该电流有效值为300A， 频率为500Hz。

首先对单根扁线径向仿真分析， 图1为单根扁线在通交流电后涡流损耗最大时候的电流密度分布云图。 可见， 在只有导体本身产生的磁场下， 电流产生了趋肤效应， 越靠近导线边缘， 电流密度越大。

图1 单根扁线的电流密度云图

图2是双根扁线中通同向电流产生的电流密度分布云图， 可以看到电流趋向于导线的边缘， 这个就是临近效应的体现。 如果两根导体通入反向电流， 则电流密度大的位置在两根导体相邻的部分。

图2 双根扁线的电流密度云图

3 扁线交流损耗对绕组分布的影响

由前面对导体交流损耗的研究知道了交流损耗与激励是有关系的， 前面只讨论了导体本身激励的影响， 而在三相电机中， 绕组是嵌在定子铁心中的， 而且还会有外加磁场， 导体跟导体在槽内径向排列， 会同时受趋肤效应和临近效应的影响。 下面研究三相交流电机绕组的交流损耗对绕组分布的影响。

3.1 同相扁线绕组的交流损耗分析

图3是一款8极48槽新能源汽车驱动电机的高速负载下的一对极下绕组电流密度在某一时刻的分布。 图3中标注的是A、 B、 C三相的正向绕组， 该绕组采用的是整距绕组，从图中可以看到同一相绕组在一个极下面的同一槽中不同层导体的电流密度分布不同， 且不同槽中的同一层的导体电流密度分布也不同， 从图中也可以看出越靠近槽口导体的电流密度越大。 综上所述， 在一相绕组连接的时候， 如果有多条并联支路数时， 需要保证每条支路的电流密度分布要均匀。

图3 电流密度分布云图

3.2 扁线交流损耗和反电势不对称对绕组连接的影响

扁线电机现在多选用焊接形式进行绕组连接， 先把成型绕组按照绕制规则插入到对应的槽对应的层中， 绕组焊接需要保证电机的三相绕组铜耗的平衡。 从上节知道电机绕组连接的过程中就要保证每相绕组每条支路中的导体要分布相同， 即每条支路的绕组分布在同层有相同槽电动势矢量的导体数需要一致， 这里以8极48槽为例， 并联支路数为4， 整距绕组来说明扁线绕组的连接方式。

图4是扁线电机绕组不调整接法A相绕组的每条支路的交流损耗对比， 并且在图5中给出了一相4条支路连接的两种不同连接方式的对比。 这两种接法的区别在于第2层和第3层连接的时候是否采用了长距或者短距和在磁极与磁极之间绕组连接的时候有没有进行移相。 图5中4种颜色代表不同的支路， 插入绕组端保证节距都是6槽。

图4 扁线绕组不调整连接方式不同支路的损耗对比

图5 8极48槽扁线绕组不同连接方式对比

从图4中可以看到如果不调整绕组接法， 保证每条支路绕组中导体电流密度的平均分配， 会导致不同支路中的电阻损耗不一致。

在对扁线绕组连接的时候把层和槽进行编号， 如图5所示， 这样每根导体都有一个编号， 例如在槽1中第2层的导体编号为 （1， 2）， 编号第1个数字表示槽号， 第2个数字表示层数。 按照这样的编号规则可以把上述两种连接方式表示出来。

考虑涡流损耗情况下， 一相绕组4条支路分别如下。

K-means算法即已知数据库包含n个数据样本，给定聚类个数k，对每个数据样本计算其应该属于的类，得到满足方差最小标准的k个聚类。

1） 支路1： （1，1）—（7，2）—（14，1）—（20，2）—（25，1）—（31，2）—（38，1）—（44，2）—（2，3）—（8，4）—（13，3）—（19，4）—（26，3）—（32，4）—（37，3）—（43，4）2） 支路2： （2，1）—（8，2）—（13，1）—（19，2）—（26，1）—（32，2）—（37，1）—（43，2）—（1，3）—（7，4）—（14，3）—（20，4）—（25，3）—（31，4）—（38，3）—（44，4）

3） 支路3： （7，1）—（13，2）—（20，1）—（26，2）—（31，1）—（37，2）—（44，1）—（2，2）—（8，3）—（14，4）—（19，3）—（25，4）—（32，3）—（38，4）—（43，3）—（1，4）

4） 支路4： （8，1）—（14，2）—（19，1）—（25，2）—（32，1）—（38，2）—（43，1）—（1，2）—（7，3）—（13，4）—（20，3）—（26，4）—（31，3）—（37，4）—（44，3）—（2，4）

我们知道1/13/25/37/7/19/31/43、 2/14/26/38/8/20/32/44这2组每组中的槽电动势矢量方向是一样或者反向， 从4条支路中可以发现每条支路每层的导体数都是4， 每层的导体在4条支路中数量和矢量方向上是平分的。

进一步分析， 可以知道8极48槽电机绕组的最大并联支路数是8， 相当于把上面的每条支路再分成2条支路， 这里定义基本绕组， 基本绕组中包含的导体需要包含2个极相组下槽中所有的导体。

4 不同绕组形式的扁线绕组连接

4.1 整距绕组的绕组连接

通过前面对8极48槽， 每槽导体数为4， 整距绕组的绕组连接进行了讨论， 通过分析可以知道每条支路包含的导体在每层的导体数要一样， 且在电动势合成矢量要一样。在整个绕组连接的过程中， 我们采用的是相邻两层连接，那么如果每槽导体数除以2是奇数就会不一样。 例如每槽导体数是6， 其绕制方法是类似的， 不同的是每条支路的线圈要经过两次换层。 如果电机极对数是奇数， 那么在线圈绕制时需要依次绕完一圈后再移相绕一圈， 如图6所示。

图6 10极60槽绕组一条支路连接方式

4.2 短距绕组的绕组连接

下文分别给出了8极48槽、 每槽导体数是4和6的电机在短距绕组下的一相绕组分布。 每槽导体数是4时， 短距绕组和整距绕组下扁线绕组的连接方式是一样的， 只是绕线在2、 3层换层时跨距增加1个槽。

图7 8极48槽短距绕组一条支路连接方式

4.3 每极每相槽数q＞2时绕组连接

当电机绕组每极每相槽数大于2时， 绕组的连接原则不变， 但是同样是8极的电机， 当q=3时， 绕组的连接方式与q=2时就不一样。 保证涡流损耗一样的原则， 按照波绕组的绕制方式需要绕3圈才能移相两次， 如图8所示。

图8 8极72槽整距绕组一条支路连接方式

从8极72槽的扁线绕组连接我们可以知道， 当q大于2时， 如果要保证每条支路的涡流损耗一致， 那么每层绕组需要绕交替12次， 即pq， 其中p为极对数。

4.4 绕组连接一般性规律

通过前面分析绕组整距、 绕组短距、 分布绕组3种不同情况下扁线绕组的绕制方法， 进行一般性规律总结。

为了保证电机在绕组连接时保证绕组的涡流损耗分布均匀， 一条支路中每层绕组需要经过pq次交替确定这条支路的这层的导体， 然后根据绕组焊接工艺确定的连接方式将不同层的连接在一起， 当p为偶数时， 可以进一步减小所串联的绕组， 实现电流密度分布均匀。

5 结论

扁线绕组在新能源汽车中的应用越来越广， 通过对扁线绕组涡流损耗的研究可以指导扁线绕组的连接方式。 通过对不同绕组分布形式下的扁线绕组连接方式进行研究，得出了扁线绕组连接的一般性规律， 对扁线绕组电机生产有指导性意义。