ヘアピン巻線 - 電気機械設計の強力なソリューション

ヘアピン巻線は、製造プロセスの手頃な価格と有効性の向上のために、自動車部門による関心が高まっている比較的新しい技術です。

撚り線と比較して、ヘアピンは長方形の導体で構成されています。これにより、従来のソリューションと比較して占積率が大幅に増加します。撚り線の最大値は約0.45で、ヘアピン技術は最大0.8になります。

このソリューションの主な欠点は、複雑なパターン設計です。並列経路を導入する場合、電磁気的にバランスのとれたヘアピンパターンを得るためにはいくつかの規則を遵守する必要があります。

ここ数年で、多くの自動車OEMメーカーがこの技術に移行しています。この巻線ソリューションは、電磁界サイズと冷却システムに関係する電気機械の設計に多くの利点を提供します。

電磁界解析

電磁界面では、銅の占積率が改善され、スロット専用のスペースが減少し、DC抵抗が減少するとともに、潜在的に高いトルクと電力密度が可能になります。同じステータ容量を仮定すると、ヘアピン巻線装置は、撚り線装置よりも飽和度が低くなり、鉄損失が低くなります。これは、特に駆動サイクルでの重要な利点です。電気自動車（EV）モータは通常、直列に回転する回数が少なくなります。これは、手元に多数の撚り線が必要になる可能性があることを意味し、大きなAC損失を引き起こす可能性があります。層と並列経路の適切なヘアピン巻線の組み合わせにより、この損失を制限することができます。

設計例と撚り線ソリューションとの比較

牽引アプリケーションモータの設計比較を図1に示します。この2台の装置は、同じ電圧、電流、スロット電流密度で設計されており、同じ出力性能に最適化されています。ヘアピン巻線モータは、撚り線ソリューションに対してステータボア径を大きくすることができ、スタック長さが短く、出力密度が高いという利点もあります。ステータ鉄の体積が小さいことも鉄の損失を低減する上での利点です。

DC抵抗が低いため、ヘアピン装置では、明らかにベースポイントで効率が上がり、著しく大きな高効率領域があります。これは、ヘアピン巻線装置のAC損失が低いためでもあります。撚り線では、電圧要件を満たし、良好な銅占積率に達するために、スロット内に並列ワイヤの束が必要です。これらの束は有効な直列の回転を表しており、特に並列ワイヤの循環電流により高いAC損失を受けやすくなります。8層のヘアピン巻線設計を選択した場合、スロットの高さが低くなるため、AC損失が大幅に少なくなります。

Ansys Motor-CADの巻線設計とAnsys Maxwellへのエクスポート

Ansys Motor-CADは、ヘアピン巻線の波形パターンを自動的に計算し、スキームをさまざまな基本巻線に分割します。各基本巻線は、位相ごとの極あたりのすべての層とスロットに対応する束鎖交バランスルールを満たすように構築されており、潜在的な並列経路を表します。基本巻線の直列グループを配置することで、異なる並列経路の組み合わせが可能になります。

図2では、基本巻線が自動的に生成され、位相ごとの極あたりのすべての層とスロットに対応します。コイルマトリックスは、波形パターンを持つように定義されています（図3を参照）。この場合、8つの並列経路が可能で、直列に配置する基本巻線を選択することにより、この数をカスタマイズできます。

並列経路の循環電流をより詳細に解析するために、Motor-CADモデルをAnsys Maxwellにエクスポートし、外部回路結合によるシミュレーションを実行できます。

駆動サイクル性能

Motor-CADは効率マップを簡単に計算し、デューティサイクル解析を実行して、最も一般的な駆動サイクルをデフォルトオプションとして提案します。

図5では、ヘアピン装置の効率マップが示されており、US06駆動サイクルの動作ポイントが強調表示されています。この装置の平均効率は94.23%です。

同じ解析を撚り線モータに対して行い、図6に示します。このソリューションを採用すると、平均効率は93.77%に低下します。

伝熱-電磁連成解析

Motor-CADの熱モデルでは、各導体にDC損失とAC損失が適切に割り当てられています。図7で報告されている有限要素法解析（FEA）シミュレーションに示すように、結果として得られる温度プロファイルは離散的です。熱回路網にも同じ概念が採用されています。

熱モデルは、連続運転における装置の可変速性能を評価するのに特に役立ちます。図8は、ヘアピンと撚り線装置の性能比較を示しています。両方のソリューションに同じ冷却システムが適用されています。

ヘアピン巻線と撚り線のトレードオフを評価することは、詳細な電磁場解析と熱シミュレーションを含む複雑なマルチフィジックスの課題です。Ansysツールを使用すると、開発プロセス中にこれらの複雑さを理解し、データに基づいた設計上の意思決定を行うことができます。

Ansys Motor-CADは、ヘアピン巻線の実行可能な波形パターンを自動的に計算します。この機能は、初期設計段階で適切な数のスロットと層の組み合わせを選択するのに役立ちます。Ansys Maxwellは複雑なFEAシミュレーションが可能で、FEモデルを外部回路に結合して、循環電流の存在を検証します。

最後に、Motor-CADは、冷却システムを考慮しながら、電磁場解析を熱モデル計算装置の性能に結合します。これは、設計の初期段階および最適化プロセス中に、さまざまな巻線ソリューションの熱性能を評価することができます。Ansys Motor-CADの30日間の無料トライアルをリクエストすると、次のヘアピン巻線モータの設計をテストするために必要なすべてのマルチフィジックスツールにアクセスでき ます。