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新能源汽车扁线电机的绕组交流损耗分析

刘杰

2023-3-1 11:28:08

994 永磁电机新能源汽车 PWM波

　　1．前言

　　永磁电机的主要功率损耗部件是铁心，磁钢和绕组。Hair-Pin电机在高速时有较大的绕组AC损耗，特别是发生在绕组端部的损耗。发生在端部绕组区域中的磁力线模式不同于铁心中的绕组长度内的磁力线模式。

　　这些损耗可以通过直流和交流损耗来定义，直流绕组损耗很容易通过绕组的电路分析来计算，并且是算术计算。AC损耗分量是由于导体相互靠近产生的磁场的各种影响而引起的。这通常是通过创建原型和对线圈部件进行繁琐的测量来估计的。这将使设计工作流程既昂贵又耗时。

　　然而，通过在JMAG中将线圈创建三维模型并进行3D的有限元分析，可以相对快速和经济地分析AC损耗。

　　2．背景

　　（1）Bar-winding广泛用于新能源汽车的电机设计中。

　　A. 优点：

　　1）用铜量少。

　　2）提高散热性。

　　3）端部整齐免绑扎。

　　4）提高生产率。

　　B 。缺点：存在较大涡流损耗。

　　（2）交流损耗的电磁场

　　引起交流损耗的原因主要是：漏磁通、集肤效应和临近效应。

　　（3）漏磁通

　　漏磁通将引起线圈中的AC 损耗，它在旋转过程分布性将变化，并且如果电流是PWM，它将具有很高的谐波分量。

　　（4）集肤效应

　　a）高速和PWM引起的高频分量。

　　b）集肤效应增加了损耗。

　　图2 集肤效应和频率关系

　　上图为交流电流应用于单根导线，从图2可以看出较高的频率如高速会导致集肤效应并增加损耗。

　　（5）邻近效应

　　槽内的导体会产生邻近效应。从图3可以看出，距离越近邻近效应越明显，因此交流损耗也越大。

　　图3 邻近效应和距离

　　交流电流施加到两根导线上。来自每根导线的磁通链接到另一根导线中导致了涡流。槽内的许多导体会增加AC损耗。

　　3．IPM电机线圈焦耳损耗分析（JAC211）

　　（1）模型及输入参数

　　图4 模型和电流波形

　　（2）交流损耗

　　a）这个案例可以看出交流损耗增加。

　　b）可以看出在气隙附近具有更高的损耗密度。

　　图5 涡流损耗分布

　　图6 绕组直流损耗和总铜损耗的对比

　　（3）漏磁通

　　a）来自基波分量的漏通量通过气隙附近的导体。

　　b）来自载波分量的漏通量通过所有导体。

图7 磁力线

　　图8 （B * f）2的测试点

　　图9 磁通密度频谱

　　从上图可以看出（B * f）2与焦耳损耗成比例。Point1基波成分的焦耳损耗占主导地位。第2点和第3点载波频率对应的损耗占主导地位。

　　4．分割导体的影响

　　比较单导体和分开的线圈（并联）以评估其减少损耗的效果。

　　图10 分割线圈

　　为了减少一个导体涡流损耗，线圈被分成两部分并且并联连接。

　　（1）交流损耗比较

　　A分开的导体切并联连接的方案大于单个导体的方案。

　　B 分开但不并联连接（分开）小于单根导体。

　　图11 单根导体、分割导体（并联）、分割导体（分离）铜损比较

　　（2）并联连接的循环电流影响

　　A 。以下是以2根导体在交流场作用下的对比分析。如图12所示。

　　B 。如图12，并联连接的两根导线由于外部磁场而具有循环电流。

　　C.如图13和图14分析结果可知循环电流确实导致不平衡电流。

　　图12 分离导体和分割导体（并联）的电路

　　图13 分离导体和分割导体（并联）的电流分布比较

　　图14 循环电流

　　从图14分析结果，可以进一步确认：输入电流=导体1+导体2，循环电流=导体1-导体2，因此循环电流比输入电流还大，对铜损影响大。

　　图15 分离导体和分割导体（并联）的电流比较

　　（3）电机中的循环电流

　　图16 电机中的循环电流

　　从图16电机分析结果中各电流对比，发现循环电流正如我们所预测的一样，比输入电流大，因此对铜损影响大，其公式为：输入电流=导体1+导体2，循环电流=导体1-导体2，因此这就说明了图11分割导体如果采用并联连接，会因为产生循环电流，导致铜损增加，而导致铜损比单根导体的还要大，因此采用分割导体时必须注意循环电流的影响。

　　5．小结

　　Bar绕组广泛用于新能源汽车的电机设计中，采用基于JMAG的有限元分析仿真能捕获交流损耗现象。然而它的计算量大，采用并行求解器对于模拟交流损耗（包括端部绕组）是必不可少的，JMAG提供了非常强大的并行求解器。

原作者：陈天赠西莫电机论坛