发卡式绕组：电机设计的强大解决方案

摘要

本文探讨了发卡式绕组技术在汽车行业中的应用，该技术相比传统绞合绕组具有更高的槽满率和电磁性能。文章通过设计示例展示了发卡式绕组在定子内孔直径、铁心长度和功率密度方面的优势，同时强调了绕组排布设计的复杂性。Ansys Motor-CAD和Maxwell软件在绕组设计和仿真中的应用，为评估和优化发卡式绕组电机的电磁性能和热性能提供了重要支持。总之，发卡式绕组技术为电动汽车电机设计提供了显著的性能优势，但需要复杂的设计和仿真过程。

正文

本文原刊登于Ansys Blog：《Hairpin Winding – A Powerful Solution to Electric Machine Design》

作者：Matteo Carbonieri | Ansys高级应用工程师

由于制造工艺的成本和效率不断改进，发卡式绕组成为了汽车行业日益关注的一项新技术。

与绞合绕组相比，发卡式绕组由矩形导体组成。与传统解决方案相比，它能够显著提高槽满率：绞合绕组的槽满率最大值约为0.45，而发卡式绕组技术的槽满率高达0.8。

该解决方案的主要缺陷是复杂的绕组排布设计。当引入并行路径时，需要遵守多条规则才能获得电磁平衡的发卡式排布。

在过去几年，许多汽车原始设备制造商（OEM）已迁移到这项技术。这种绕组解决方案可为电机设计提供诸多优势，关乎电磁尺寸和冷却系统。

电磁分析

在电磁方面，改进的铜槽满率可减少槽的专用空间，有可能实现更高的扭矩和功率密度，同时降低DC电阻。假设定子体积相同，发卡式绕组电机比绞合绕组电机的饱和程度更低，从而降低铁损，这是一个关键优势，尤其是对于驱动循环而言。电动汽车（EV）电机通常具有少量的串联匝数。这意味着可能需要大量的绞线，从而导致大量的AC损耗。各层和并行路径的适当发卡式绕组组合可以限制这种损耗。

设计示例以及与绞合绕组解决方案的比较

牵引应用电机的设计比较（如图1所示）。这两种电机设计具有相同的电压、电流和槽电流密度；它们已针对相同的输出性能进行了优化。相对于绞合绕组解决方案，发卡式绕组电机能够实现更大的定子内孔直径，同时还具有更短的铁心长度和更高的功率密度等优势。此外，较低的定子铁体积在降低铁损方面也具有优势。

图1：牵引电机中绞合式和发卡式之间的效率和损耗比较；两张图像的几何比例相同

由于DC电阻较低，发卡式电机明显具有更高的基点效率和更大的高效区域，这也要得益于发卡式绕组电机中较低的AC损耗。绞合绕组需要在槽内成束的并联导线，以满足电压要求并达到良好的铜槽满率。由于并联导线中存在循环电流，这些代表有效串联匝数的线束特别容易产生高AC损耗。所选的八层发卡式绕组设计明显具有更少的AC损耗，这也得益于较低的槽高度。

Ansys Motor-CAD中的绕组设计与导出到Ansys Maxwell

Ansys Motor-CAD可自动计算发卡式绕组排布方案，从而将方案划分成不同的基本绕组。每个基本绕组旨在满足涵盖每相每极的所有层和所有槽的磁链平衡规则，并代表潜在的并联支路。通过将基本绕组进行串联，可以实现不同的并联支路组合。

在图2中，涵盖每相每极的所有层和所有槽的基本绕组是自动生成的。线圈矩阵按照排布方案进行定义（参见图3）。在这种情况下，可能存在8条并联支路，同时可以通过选择要串联的基本绕组来自定义此数量。

图2：具有48个槽、4极、8层以及8条并联支路的自动发卡式绕组方案

图 3：每个基本绕组的设计都遵守磁链平衡规则，并展示端部连接的典型排布方案

为了对并联支路中的环电流进行更加详细的分析，可以将Motor-CAD模型导出到Ansys Maxwell中，在这里可以开展外部电路耦合仿真。

图4：将Ansys Motor-CAD模型导出到Ansys Maxwell中

驱动循环性能

Motor-CAD可轻松计算效率图并执行工作周期分析，从而推荐将最常见的驱动循环作为默认选项。

图5显示了发卡式电机效率图，并高亮显示了US06驱动循环的工作点。该电机的平均效率为94.23%。

图5：发卡式绕组电机效率图和US06驱动循环的工作点

对绞合绕组电机进行相同的分析并提供相关报告，如图6所示。采用该解决方案后，平均效率降至93.77%。

图6：绞合绕组电机效率图和US06驱动循环的工作点

耦合热电磁分析

Motor-CAD中的热模型为每个独立导体分配适当的DC+AC损耗。由此产生的温度分布呈离散状，如图7中的有限元分析（FEA）仿真报告所示。热网络也采用了相同的概念。

图7：发卡式绕组的热模型

热模型对于评估电机在持续运行中的变速性能特别有价值。图8显示了采用相同冷却系统的发卡式电机与绞合式电机的性能对比。

图8：发卡式电机与绞合式电机持续性能的对比

评估发卡式绕组与绞合绕组之间的权衡是一项复杂的多物理场挑战，其中涉及详细的电磁分析和热仿真。Ansys工具使您能够了解这些复杂性，并在开发流程中制定数据驱动型设计决策。

Ansys Motor-CAD可自动计算发卡式绕组的可行排布方案。该功能有助于在设计早期阶段选择适当数量的槽和层组合。Ansys Maxwell能够进行复杂的FEA仿真，并将FE模型与外部电路相结合，以验证是否存在环电流。

最后，Motor-CAD将电磁分析与热模型相结合，以计算电机性能，同时考虑冷却系统。这可以在设计早期阶段和优化流程中完成，以评估不同绕组解决方案的热性能。