介紹一種扁線電機趨膚效應和鄰近效應的新型解決方案

扁線電機的趨膚效應和鄰近效應一直是影響電機高速發(fā)展的瓶頸，目前解決該問題的行業(yè)通用方法則是增加繞組層數(shù)。本文介紹一種來自AdditiveDrives的新型解決方案。

壹

** 趨膚效應和接近效應**

在交流電流過的電導體中，電流密度由于電勢而下降。電流密度下降的程度取決于定子頻率，進而取決于電機的轉速。然而，包圍導體的磁場也影響相鄰的導體， 這種耦合被稱為接近效應 。相互作用在相鄰導體中感應電場，產生局部渦流，進而產生電流損耗。這種效應也隨著電流的頻率呈指數(shù)增長。此外，轉子旋轉導致經過開口槽的磁場在導體中引起渦流并且因此同樣引起損耗。

同時，在交流電流過的電導體中，電流將集中在導體表面流過，這種現(xiàn)象叫 集膚效應 。兩種效應的原因簡單來說就是 電流位移現(xiàn)象 。

圖1 說明了上述電流位移效應（趨膚效應和鄰近效應）的發(fā)生： 導體中的電流密度在邊緣處大于在中心處 。

圖1 趨膚效應和鄰近效應

電流密度和隨之而來的電流熱損失局部急劇增加，由此導致電驅動裝置的較低的效率和因此降低的總效率。因此，如果續(xù)航里程應相同，則產生用于電池的提高的成本，或者反之亦然，在電池尺寸相同的情況下產生更小的續(xù)航里程。由于這兩種效應隨所使用的頻率呈指數(shù)增長，因此它們限制了用于連續(xù)運行的電機的最大轉速，從而限制了車輛的最大速度。此外，損耗增加了電機的冷卻需求。

這種效果如圖2所示。從大約9000/分鐘開始，效率顯著下降。然而，這里恰好存在行駛循環(huán)WLTC的許多運行點。這種惡化的主要原因是趨膚效應和鄰近效應，它們隨著頻率和速度的增加而變得越來越重要，并對效率產生負面影響。在圖中突出顯示的工作點，14%的電動機損耗是由電流位移引起的（銅損）。雖然更大的功率范圍與WLTC無關，但在實際生活中，經常需要更大的高功率范圍。

圖2 典型電機效率MAP

貳

** 羅貝爾銅線**

所謂的羅貝爾銅線采用的是扁平矩形銅線，最早是為了抑制具有兆瓦級功率的大型電機的電流位移而設計的。結構形式如同圖3所示：

圖2 羅貝爾銅線示意

這種方案銅線中的電流更均勻地分布在凹槽中，使得開頭所描述的效應產生的危害弱化。 然而這種方案的缺點是由于制造公差和必要的絕緣，槽中的載流橫截面面積減小并且因此直流損耗增大 。同時，該方案對于制造工藝及設備要求極高。此外，填充系數(shù)降低高達30%，并導致更高的損耗。

叁

新型3D打印銅線

采用新的生產工藝，特別是銅的3D打印，可以擴大潛力，解決上述羅貝爾銅線的制造難題。與傳統(tǒng)的羅貝爾銅線相比，新型羅貝爾銅線，在鐵芯槽內即可進行3D打印。

3D打印使得復雜結構的量產成為可能。在打印新型羅貝爾銅線的過程實際是 對導體中電流密度分布的精細控制 。此外，對增材制造的精確控制允許具有不同電導率的材料（功能分級材料，F(xiàn)GM）的連續(xù)過渡。

銅的3D打印是在選擇性激光熔化過程的框架內進行的。使用純度為99.95%的銅（OF銅/CuOF）。純度保證了最佳的導電性，與傳統(tǒng)半成品相當。此外，結構力學性能相似， 打印的結構是可焊接的 。

**與傳統(tǒng)制造的導體相比，3D打印的導體不具有初級絕緣，這需要在隨后的工藝中實現(xiàn)。**在精細結構的羅貝爾銅線的情況下，借助于真空壓力方法進行絕緣處理是比較常用的方法。浸漬介質被壓在銅結構之間。排擠空氣一方面確保電絕緣，另一方面確保有效的散熱。

與傳統(tǒng)的加捻不同，3D打印提供了額外的自由度。這包括導體尺寸和橫截面的任意變化，給了繞組設計極大的自由空間。該方案導致導體內的電分離結構，所述電分離結構用于限制渦流路徑。因此，電流密度被“強制”到剩余的導體橫截面上。

圖3 沿Z軸旋轉的分離結構（左）和產生的導體（右）

借助于3D打印可以產生幾乎任意的連接幾何形狀。傳統(tǒng)的繞組接頭焊接工藝，則可以取消。

肆

** 總結**

結果顯示，新型3D打印羅貝爾線具有明顯的優(yōu)勢：更高的槽滿率和最低的銅損耗。

圖5 銅線內電流位移模擬結果比較

雖然該工藝可能暫不能快速實現(xiàn)量產，但筆者認為未來可期。國內應該給予3D打印更多的包容和重視 。