不同层数扁线电机及其搭载整车性能分析

不同层数扁线电机及其搭载整车性能分析

陈宏炜

广汽零部件有限公司技术中心510000

摘要：基于项目管理的一般理论实践以及同步开发在不成熟产品开发中的运用经验，为扁线电机生产线建立过程提供了一些方法和流程指导。与客户协同开发，定义清晰明确的项目目标，制订详细的同步开发项目计划，并与团队成员有效沟通，确保与整个团队达成一致的各项目标与计划，可为项目的成功提供有效保障。本文对不同层数扁线电机集器搭载整车性能进行分析，以供参考。

关键词：扁线电机；绕组损耗；仿真分析

引言

高速永磁同步电机应用于新能源汽车驱动系统，转速和扭矩输出范围必须更高。同时，由于车辆承载能力有限，希望能最大限度地减少电机的体积和质量，从而提高车辆续航能力，降低材料成本。在这种背景下，电机效率和温升问题越来越突出，成为新能源汽车高速电机能量密度不断上升的最大瓶颈之一。定子绕组是电磁能量转换的关键区域，是造成热损失的主要部位，在一定程度上决定了电机效率。绕组上经常需要填充各种绝缘材料，但这种绝缘材料往往经不起高温上升。马达在高温下工作时，会发生加速老化现象。近年来，由于结构紧凑、导热性能好，矩形导线绕组被广泛应用于新能源汽车的高能密度电机中。该导线可以有效地减少槽内空间，减少定子体积，将焦耳热快速传递到硅钢本体，有效地减少工作中电机的温升。但是，矩形导线绕组在高频时由于皮肤效果和近距离效果，会造成大量额外损失，严重威胁电机绕组的热安全。因此，在电机设计过程中，必须对矩形导线绕组的损耗和温升进行系统分析。提出了高速永磁同步电机绕组交流损耗和等效热导率的理论计算方法，可以在电机设计初期快速估计电机的损耗和分布。但是，理论方法往往粗糙，可以提供设计方向，但无法准确确定设计方案。

1绕组交流损耗

永磁电机的主要功率损耗部件是铁心、绕组和磁钢。对圆线电机一般只考虑绕组的直流铜损，对于高速运行工况下的扁线电机，需要考虑高速时较大的绕组涡流损耗。绕组涡流损耗是由涡流效应引起的，涡流效应包括趋肤效应和邻近效应。当交变电流通过导体时，电流将集中在导体表面流过，这种现象叫趋肤效应。电流或电压以频率较高的电子在导体中传导时，会聚集于导体表层，而非平均分布于整个导体的截面积中。频率越高，趋肤效应越显著。因为当导线中通过交变电流时，在导线内部产生与电流方向相反的电动势。由于导线中心较导线表面的磁链大，在导线中心处产生的电动势就比在导线表面附近处产生的电动势大。这样使得电流在导线表面流动，中心则无电流通过。

趋肤深度

式中：δ为趋肤深度；ρ为导体电阻率；μ0为真空磁导率；μc为导体相对磁导率；f为频率。趋肤效应可以用图1形象表示，d为导体直径。

图1趋肤效应示意图

邻近效应指相互靠近的两个导体通入交流电流时，导致每个导体不仅处于自身电流产生的电磁场中，同时还处于其他导体中电流产生的电磁场中[8]。交流电流在导体中产生交变的磁场，会在相邻的导体中感应出涡流电流。当邻近的导体通入相同方向交流电流时，电流会集中到导体的最远侧（见图2）；当邻近的导体通入相反方向交流电流时，电流会集中到两个导体的邻近侧（见图3）。以上两种情况都会导致导体的有效面积减小，电阻增加。邻近效应与趋肤效应都有如下特性：①导体有效电阻增加；②随着电频率的增加而增大；③导体横截面越大的导体，邻近效应与趋肤效应越严重。

图2导体中电流方向相同

电机绕组的涡流损耗不仅与导体的尺寸有关，还与槽型尺寸、导体所在的位置、电流谐波频率等诸多因素有关。目前，较准确的计算方法是按照实物建立3D仿真模型，但3D仿真模型对计算机工作站配置性能要求高，计算时间长，对于一般工程应用不太适用。本文采用2D有限元分析高速驱动扁线电机4层绕组和8层绕组的绕组损耗。

图3导体中电流方向相反

2 Hairpin定子工艺路线介绍

2.1Hairpin去漆皮

市场上常用的去漆皮工艺有两种，分别为激光去漆皮和机械去漆皮，其中机械去漆皮又分为刮削和冲切两种。激光去漆皮工艺是将脉冲激光射到铜线表面，利用激光产生的瞬时高温将漆皮烧蚀干净的一种工艺。刮削去漆皮是将一组仿形刮刀压在铜线表面，抽动发卡线时切刀刃顺势将漆皮刮落。冲切去漆皮是利用一组切刀具，沿发卡线垂直方向分别对其宽面和窄面依次进行冲切。采用机械去漆皮工艺去漆皮时由于刀具磨损及机械结构微小波动易导致去漆皮效果不稳定，而且都会对铜基材造成一定损伤。结合某设备制造商实际使用经验，推荐使用激光去漆皮工艺方法，虽然一次性投入较高，但后期设备的维护调试及兼容性都要优于机械方法。

2.2Hairpin扩口工艺

Hairpin扩口方式主要有两种:整体扩口和单根扩口。整体扩口即将Hairpin的同一层同时按照图纸要求的间距与相邻的层分离开来。此种扩口方式速度快，但工装结构复杂，而且兼容性较差，也无法精确调整每根线的位置，在前期调试配合扭头入桶时可调性差。单根扩口即用夹爪抓取单根铜线并与相邻的铜线分离开来，此种方法可通过调整分离参数来精确控制每根线的扩口位置，适合前期小批量试制阶段的工艺开发及优化，大批量生产时可以通过增加夹爪的方式提高生产节拍，目前运用该种方式的案例较多。

2.3HairPin焊接工艺

Hairpin焊接主要有两种工艺方案:Tig焊接和激光焊接。由于激光焊接需要功率6kW以上的激光器，目前还需要进口，从而导致激光焊接的成本远高于Tig焊接的成本，因而多数国内厂家选择使用Tig焊接。随着市场大批量生产趋势的到来及国产高功率焊接激光器的开发，相信未来大批量生产(节拍＜180s)将会有更多厂商选择使用激光焊接。

3整车仿真模型搭建

Cruise是一款整车和传动系统性能分析软件，在分析计算各种类型汽车的动力性和经济性等性能方面具有较大优势。仿真某新能源的某款乘用车，其整车主要参数见表1。

表1整车主要参数

在Cruise软件中搭建整车模型，如图4所示，模型的完整性、参数的准确性直接影响仿真结果的精度。在建模过程中重点关注以下模块参数。1）整车参数。包括整车尺寸、质量（整备质量，满载质量）、空气动力学参数（迎风面积、空气阻力系数）、阻力模型等。2）电机参数。包括电机在不同电压下的外特性数据、效率MAP数据（见图5）、转动惯量、拖曳力矩。3）电池组参数。单体电池或电池组的电压、容量和内阻等。4）减速器参数。各档位传动比、转动惯量、效率MAP数据。

图4整车仿真模型

图5电机效率MAP数据

结束语

1）首先进行了电机绕组交流损耗概述，包括趋肤效应和邻近效应的基本原理、分析计算方法等。在一款永磁同步电机模型上，对4层绕组、8层绕组两种扁线方案进行仿真分析，得出两种电机不同转速下的绕组损耗，4层绕组的绕组损耗在2400r/min以上超过8层绕组，且损耗差距随着转速升高逐渐增大。2）仿真分析两种电机效率MAP图，8层绕组最高效率94.5%，4层绕组最高效率93%，8层绕组比4层绕组的高效区偏高速，而且高效区占比较大；就平均效率而言，8层绕组为89.8%，4层绕组为87.9%，8层绕组平均效率高了约2%。3）应用Cruise软件搭建整车仿真模型，分析计算续驶里程和电机平均效率。两标准工况（NEDC、CLTC-P）下，8层绕组电机续驶里程均比4层绕组电机略大；8层绕组的电机平均效率均比4层绕组大1%。8层绕组工艺复杂度较大，但由于4层绕组在高速时的绕组损耗过大，电机散热困难温升会超限值，所以综合考虑，最终选择8层绕组电机方案

参考文献

[1]霍从崇.扁线电机的发展和市场应用[J].智能网联汽车,2019(01):69.

[2]贾锐.扁线材收排线系统的开发与研究[D].广东工业大学,2018.

[3]贾锐,何建文,郭钟宁.微细扁线材收排线的控制方法[J].机电工程技术,2017,43(08):19-21+93.

[4]刘全军.微细扁线材恒张力收线系统开发及工艺研究[D].广东工业大学,2017.

[5]霍俊超.微细扁线材收线装置开发及其技术研究[D].广东工业大学,2017.