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发夹式绕组技术如何有效提升电机的高功率和扭矩密度?

学术研究2021.09.08
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在过去的几年中,工业领域的需求更加关注更绿色、更轻、更高效、更可靠的技术,汽车、船舶和航空航天工业正在取代传统的液压、气动和机械系统,这些创新的技术能显著减少燃料使用/排放,电机技术正在不断增加在这些领域中的作用。车辆性能对组件的功率/扭矩和质量非常敏感,最大化功率重量比或扭矩重量比始终是运输领域电机的主要设计目标。


有多种方法可用于增加功率电机中的密度,简单地说,主要操纵两个参数来最大化它:输出扭矩和角速度。根据洛伦兹力法,最大比值为电机转子体积的电磁转矩机器可以表示为磁性之间的乘积和电负载,电负载处理导体的电流密度依赖于冷却系统。


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今天,人们越来越需要强大计算工具来分析复杂热流体现象,创新的冷却系统增加电流密度,新型绝缘材料来承受的非常高温 。另一方面,开发具有优良特性的新材料 来优化磁特性,以增加磁负载。角速度代表第二个参数最大化功率密度,增加它来实现更紧凑、更轻的设计。除了它们的磁性外,今天的电机所使用的材料必须具有良好的机械性能特性以承受当今所需的高速。除了电机机械性能的研究,在很多电力电子层面进行了改进,基于各种带宽新功率器件市场的到来,使电机具有更高基频。


发夹式绕组在专为高功率和扭矩密度设计的电机中得到了越来越多的应用和发展,由于其固有的高填充因子,它们在运输等领域非常有吸引力,在这些领域中,这些特性被视为主要设计目标。高的工作频率有助于为了提高电机的功率密度,但是会增加铁芯和绕组的功率损耗 ,更快的设备换向会触发部分放电和线圈绝缘的更快退化。影响电机的功率密度的关键两个主要参数,即扭矩和速度,绕组技术是目前提高电机性能的主要瓶颈。


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发夹式绕组已被开发,这些通常仅限于实心导体,从而导致高交流损耗,气隙磁通密度主要通过改善材料的电磁特性和线性的电流密度。新的系统工具来改进热管理操作条件,例如创新的分析工具、优化控制。


机械性能材料,例如:增加产量强度不影响磁性。优化机器设计,例如:最佳极对数,互动转换器设计。寄生效应,例如:集肤补偿效果,提高可靠性。绕线技术来降低绕组电阻,例如:通过更大的电线直径,减少端部绕组长度。减少交流寄生效应,例如:通过多链和更小的线径,通过减少杂散电感最佳端部绕组形状。增加填充因子,例如:通过预成型的异型线。


为了满足在高基频 (>1kHz) 下工作的要求,线圈通常需要多股小横截面积或利兹线以减少损耗并具有适当的绝缘来承受边缘的高频率,这反过来又会导致整体填充不佳因素,大端绕组,更高的线圈热阻,以及绕组故障的可能性更高。新的绕组概念需要制造技术来减轻这些要求,高可靠性和高功率密度的电机需要满足汽车和航空航天领域的填充系数和低损耗要求。


结论


发夹绕组越来越多出现在高功率和扭矩密度设计的电机中,高填充因子使它们在汽车领域中非常有吸引力,在这些应用中,这些特性被视为主要设计目标。高工作频率也有助于提高电机的功率密度,然而,在高基频下,发夹式绕组的特点是由于趋肤效应和邻近效应导致焦耳损失增加。因此,这些技术是在引入新机遇的同时,仍有一些挑战需要解决,这些包括制造方面、接触过程、热管理等。



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