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发卡式电机考虑谐波的绕组交流损耗分析（下）

刘笑天

3年前浏览5153

4 普锐斯2017年电机案例分析

4.1 丰田普锐斯2017电机模型和参数

图26 丰田Prius2017电机模型

4.2 4个重要工况点

图27 丰田Prius 2017电机模型

图27左边是从一些公开资料看到的Prius 2017电机效率map的简图，图27右边工况的选取是根据效率map，最大电压，母线电流自己选取的，我们自己也查了很多资料，没有发现公开的工况数据。假定丰田普锐斯的4个重要工况点数据如上表所示，主要包括爬坡点、峰值功率点、高效点和高速点，效率MAP设置时包含了这4个重要的工况。

4.3 正弦波电流供电的2D模型交直流铜损计算

1、直流铜损Pdc为根据I²R计算或者将软件使用FEM Coil条件计算得到的铜损耗。

2、交流铜损耗Pac为考虑扁线涡流损耗时的总铜损耗。用有限元捕获的比较准确。

3、使用Pac/Pdc分析扁线电机涡流损耗的严重程度。

4、从上面可以看出低速时，如1000rpm和3015rpm，几乎都是直流铜损，随着转速升高，Pac/Pdc系数增加，扁线电机的涡流损耗加剧。甚至在17000rpm时交流铜损达到直流铜损的3.34倍。

1、上表两个工况转矩一样，即给定的电流幅值和相位一样，因此直流铜损是一样的。

2、一样负载情况下，转速升高，涡流损耗增加，交流总铜损17000rpm是1000rpm的3.31倍左右。

上表两个工况转速一样，转矩不同，因此直流铜损不同，但是Pac/Pdc是一样。因此认为两者集肤效应和邻近效应效果是一样。

4.4 PWM谐波电流供电的2D模型交直流铜损计算

1、本分析是在电流中加入了10Khz谐波的PWM电流波形。但实际电机中谐波分量会很丰富。

2、与正弦电流的情况一样，含PWM谐波的分析也是随着转速升高，涡流损耗的占比逐渐增大。当转速达到高速点时，总铜损耗可达到直流铜损的3.76倍，前面正弦波的是3.34倍，因此需要关注高速带来的涡流损耗增加。

因此无论是正弦波电流还是PWM谐波电流，高速下AC涡流损耗都是比较大的。同样还能看出来，算AC损耗时要考虑PWM谐波，尤其是真实的PWM谐波通入电机中，谐波损耗还会更大。

通过对比正弦波电流和PWM谐波电流的直流铜损，可知PWM谐波下直流铜损有所增加，原因是谐波同样产生了直流铜损。

PWM谐波电流比正弦波电流的总铜损增加，包含了直流铜损增加和涡流损耗的增加。因此PWM谐波会加剧扁线中的涡流效应。

图28 丰田Prius 2017电机模型

从图28很明显能够看出随着转速升高，无论通入的是正弦波还是具有PWM谐波的电流，涡流损耗的占比在不断提高，PWM谐波电流对涡流损耗的影响更大，特别是高速状况下。

4.5 PWM谐波电流供电的3D模型交直流铜损计算

丰田Prius 2017电机3D磁力线和电流密度云图丰田Prius 2017电机全模型电流密度云图

做这个三维分析的目的是什么呢，因为很多用户都跟我们探讨过做AC涡流损耗时需要画出这个端部吗，差异有多大。端部的磁力线跟平时我们径向的磁力线不一样，大家可以看到他是有一个轴向的走向，会匝链到导体上，而这个走向是对绕组AC损耗有影响的。

3D的交流损耗占比比2D的交流损耗占比高了0.85，3D增加的交流铜损占输入功率的0.6%,因此不能忽略端部的涡流效应。

同样的我们可以看到Pac/Pdc,2D和3D的四个工况点，随着转速的升高，比值是增大的

这个是3D跟2D比增加的铜损占输入功率的比例，想研究增加的铜损占效率的多少。

得到这个结论后，我们想研究一下这个是什么原因引起的。可以从下图看到爬坡点轴向的漏磁通比较大，涡流的分布也比较大，所以相比2D增加的铜损比较多，而输入功率在爬坡点又不是很大，所以这个端部的铜损占输入功率的比例就比较大。因为爬坡点的转矩比较大，所以比较饱和，所以也会加剧轴向漏磁通，所以这也是爬坡点端部铜损占比比较大的原因。

5 减小扁线电机涡流损耗的方法探讨

5.1 扁线长宽比和交流损耗的关系

图29 矩形线长宽比变化图

图29分析在长宽比变化过程中，确保矩形线和槽四周的边的距离不变。

本分析确保矩形线面积不变。

Jmag很容易就可以进行这种参数化分析

图30 总的铜损和矩形线长宽比系数关系曲线

图30分析为了确保在长宽比系数变化时，定子齿部和轭部尺寸也在变换，它们将影响饱和度，因此本分析将定子材料设置linear_10000，即磁导率为10000，保证导磁，减小磁饱和对长宽比分析的干扰。

从图30可以看出，随着长宽比增加，总的铜损减小，即涡流损耗减小。

图30标定了Prius2017方案的长宽比，可见它选择的长宽比已经使涡流损耗比较低了。

图31 总的铜损和矩形线长宽比系数关系曲线

图31分析为采用正常BH曲线的电磁钢板，它的趋势和采用linear_10000是一样的。

5.2 常用槽口形状的宽高和交流损耗的关系

图32 常用槽口宽高变化图

图32当槽口高度和宽度变化时，导线位置和大小均保持不变。

图32不是prius2017电机槽口，是我们经常使用的槽口

图33 总的铜损和槽口宽度的关系（不同曲线对应不同槽口高度）

图33分析为排除当槽口尺寸变化时磁通饱和度的影响，将定子铁心设置为linear_10000，这样便于分析槽口尺寸对涡流损耗的影响。

每一条线代表一个槽口高度，横坐标代表槽口宽度

槽口宽度增加，AC损耗是先减后增的，而且还与槽口高度有关系

图34 总的铜损和槽口宽度的关系（H=0.2mm）

图34定子铁心磁导率设置为linear_10000。

图35 槽口宽度不同的漏磁和电流密度云图（H=0.2mm）

图35低槽口高度0.2mm时，主要以渗透漏磁影响为主，也就是槽的漏磁是比较少的，因此槽口变宽，会增大渗透漏磁，从而加大了涡流效应。

图36 总的铜损和槽口高度的关系（W=0.1mm）

图36定子铁心设置为linear_10000。

当槽口宽度比较窄时，总铜损随着槽口高度增加而变大。

图37 窄槽口时，低槽高和高槽高的磁力线走向和焦耳损耗密度云图

从图37可以看出，当槽口比较窄以槽漏磁影响为主，因此槽口变高，漏磁加大，导致集肤效应增加，涡流损耗增大。

图38 总的铜损和槽口高度的关系（W=1.7mm）

定子铁心设置为linear_10000。

当槽口宽度比较宽时，焦耳损耗随着槽口高度增加而减小。

图39 宽槽口时，小槽高和大槽高的磁力线走向和焦耳损耗密度云图

如图39所示，槽口比较宽时，以渗透磁通影响为主，来至气隙磁通容易穿入槽内导体，当槽比较高的时候，部分欲进入槽内的磁力线容易被旁路到齿部，因此总铜损较小。

图40 总的铜损和槽口宽度的关系（不同曲线对应不同槽口高度）

本分析定子为BH曲线的普通电磁钢板。

它的趋势和高磁导钢板时一致的。

5.3 Prius2017电机的槽口宽高和交流损耗的关系

图41 槽口辅助高度和槽宽变化图

图41分析为当槽口辅助高度改变时，导体位置整体移动即确保导体距离槽内4个边的距离不变。

图42 设计尺寸说明

图42为槽口宽和槽口辅助高度的示意图。以下内容主要以此作为设计变量，来探讨它们对涡流效应的影响。

图43 总的铜损和槽口宽度的关系（不同曲线对应不同槽口辅助高度）

图43定子铁芯采用liear_10000材料。

从图43可以看出，当槽口辅助高度为0.1时，总焦耳损耗和槽口宽度不成单调关系。

当槽口辅助高度等于或高于0.5时，槽口宽度越大，总焦耳损耗减小。

图44 总焦耳损耗随槽口辅助高度变化曲线（槽口宽=1.3）

从图44可以看出，当槽口宽为1.3mm，即与普锐斯电机槽口宽尺寸接近时，随着槽口辅助高度增加，焦耳损耗减小。

从图44中标定出普锐斯电机槽口辅助高度的位置，发现它的设计位置已经使焦耳损耗处于较低位置了。

图45 槽口辅助高度不同时磁力线和电流密度云图（槽口宽=1.3）

从图45可以看出，当槽口宽为1.3mm，即与普锐斯电机槽口宽尺寸接近时，主要以渗透磁通影响涡流效应，槽口增加，欲穿入槽内的磁力线将会被旁路到齿部，因此渗透漏磁小，焦耳损耗小。

6 小结

1）较高的频率如高速会导致集肤效应加强并增加损耗。

2）随着导体增加，Pac/Pdc系数变大，可见导体越大，集肤现象加强。

3）随着频率增加，邻近效应增强，焦耳损耗增加。

4）两根导体半径变大，则临近效应加强。

5）本文对比了正弦波和PWM谐波电流对扁线涡流损耗的影响，得出无论通入的是正弦波还是具有PWM谐波的电流，随着转速的升高，涡流损耗的占比在不断提高，PWM谐波电流对涡流损耗的影响更大，Pac/Pdc将达到3.76倍，因此需要注意扁线电机在高速时的涡流损耗问题。

6）本文分析了矩形导体长宽比和总焦耳损耗的关系，分析得到随着长宽比增加，总的铜损减小，即涡流损耗减小。同时得到了Prius2017方案的长宽比已经使涡流损耗比较低了。

7）本文分析常用槽口形状的宽高和交流损耗的关系，具体结论不再赘述。

8）本文分析了Prius2017方案槽口辅助高度和总焦耳损耗关系，得出随着槽口辅助高度增加，总焦耳损耗减小，同时分析出Prius2017方案选择的槽口辅助高度已经时总焦耳损耗较低了。

9）后续我们将分析扁线方案、圆线方案涡流效应对比，分别探讨它们涡流效应随转速的关系曲线。

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首次发布时间：2021-05-15

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