헤어핀 와인딩 - 전기 기계 설계에 대한 강력한 솔루션

헤어핀 와인딩은 제조 공정의 경제성과 효율성이 높아짐에 따라 자동차 부문에서 점점 더 관심을 끌고 있는 비교적 새로운 기술입니다.

좌초된 권선과 비교하여 머리핀은 직사각형 도체로 구성됩니다. 기존 솔루션에 비해 슬롯 충진 계수가 크게 증가합니다. 좌초된 권선의 최대값은 약 0.45이며, 헤어핀 기술은 0.8까지 올라갑니다.

이 솔루션의 주요 단점은 복잡한 패턴 디자인입니다. 병렬 경로가 도입되면 전자기적으로 균형 잡힌 헤어핀 패턴을 얻기 위해 몇 가지 규칙을 존중해야합니다.

많은 자동차 OEM(Original Equipment Manufacturer)이 지난 몇 년 동안 이 기술로 마이그레이션했습니다. 이 권선 솔루션은 전자기 크기 및 냉각 시스템과 관련된 전기 기계 설계에 많은 이점을 제공합니다.

전자기 해석

전자기 측면에서는 개선된 구리 슬롯 채우기 계수가 슬롯 전용 공간을 줄이고 DC 저항을 줄이는 동시에 토크 및 전력 밀도를 높일 수 있습니다. 동일한 고정자 볼륨을 가정할 때, 헤어핀 와인딩 머신은 좌초된 와인딩 머신보다 덜 포화되어 철 손실이 낮아질 수 있습니다. 이는 특히 주행 사이클의 주요 이점입니다. 전기차(EV) 모터는 일반적으로 소수의 직렬회전을 가집니다. 즉, 손에 많은 가닥이 필요할 수 있으며 상당한 AC 손실을 초래할 수 있습니다. 레이어와 평행 경로의 적절한 헤어핀 와인딩 조합은이 손실을 제한 할 수 있습니다.

설계 예제 및 좌초된 권선 솔루션과의 비교

견인 적용 모터의 설계 비교는 그림 1에 나와 있습니다. 두 기계는 동일한 전압, 전류 및 슬롯 전류 밀도를 위해 설계되었으며 동일한 출력 성능을 위해 최적화되었습니다. 헤어핀 와인딩 모터는 좌초 와인딩 솔루션과 관련하여 더 큰 고정자 보어 직경을 가능하게하며 STACK 길이가 짧고 전력 밀도가 높습니다. 낮은 고정자 철 부피는 또한 철 손실을 낮추는 이점을 나타냅니다.

낮은 DC 저항 덕분에 헤어핀 기계는 기준점 및 상당히 큰 고효율 영역을 명확하게 향상시킵니다. 이것은 또한 헤어핀 와인딩 머신의 AC 손실이 낮기 때문입니다. 연선 권선은 전압 요구 사항을 충족하고 양호한 구리 슬롯 충진 계수에 도달하기 위해 슬롯에 병렬 와이어 번들이 필요합니다. 유효 시리즈 회전을 나타내는 이러한 번들은 특히 병렬 와이어의 순환 전류로 인해 높은 AC 손실이 발생하기 쉽습니다. 8개의 층으로 이루어진 헤어핀 와인딩 디자인은 낮은 슬롯 높이 덕분에 AC 손실이 현저히 적습니다.

Ansys Motor-CAD의 와인딩 설계 및 Ansys Maxwell로 내보내기

Ansys Motor-CAD는 헤어핀 와인딩 웨이브 패턴을 자동으로 계산하여 구성표를 다른 기본 와인딩으로 나눕니다. 각 기본 권선은 모든 층과 위상당 폴당 모든 슬롯을 포괄하는 플럭스 링크 밸런싱 규칙을 충족하도록 제작되었으며 잠재적 병렬 경로를 나타냅니다. 다양한 병렬 경로 조합은 기본 권선의 일련의 그룹을 넣어 가능합니다.

그림 2에서는 기본 권선이 자동으로 생성되어 단계별 폴당 모든 층과 슬롯을 포괄합니다. 코일 매트릭스는 파형 패턴을 갖도록 정의됩니다(그림 3 참조). 이 경우 8개의 병렬 경로가 가능하며, 직렬로 배치할 기본 권선을 선택하여 이 수를 사용자 정의할 수 있습니다.

병렬 경로의 순환 전류에 대한 보다 자세한 분석을 위해 Motor-CAD 모델을 Ansys Maxwell 로 내보낼 수 있습니다. 이 경우 외부 회로 커플링으로 시뮬레이션을 수행할 수 있습니다.

주행 사이클 성능

Motor-CAD는 효율 맵을 쉽게 계산하고 듀티 사이클 분석을 수행하여 가장 일반적인 주행 사이클을 기본 옵션으로 제안합니다.

그림 5에서는 US06 주행 사이클의 작업 지점이 강조 표시된 상태에서 헤어핀 장비 효율 맵을 보여 줍니다. 이 기계의 평균 효율은 94.23 %입니다.

좌초된 권선 모터에 대해 동일한 분석이 수행되고 그림 6에 보고됩니다. 이 솔루션을 채택하면 평균 효율성이 93.77%로 떨어집니다.

결합된 열-전자기 분석

Motor-CAD의 열 모델은 각 개별 도체에 DC+AC 손실을 적절히 할당합니다. 결과 온도 프로파일은 그림 7에 보고된 유한 요소 해석(FEA) 시뮬레이션에서 볼 수 있듯이 이산적입니다. 열 네트워크에도 동일한 개념이 채택됩니다.

열 모델은 연속 작동에서 기계의 가변 속도 성능을 평가하는 데 특히 유용합니다. 그림 8은 두 솔루션에 동일한 냉각 시스템을 적용한 상태에서 헤어핀과 좌초된 기계의 성능 비교를 보여줍니다.

헤어핀과 좌초된 권선 사이의 균형을 평가하는 것은 상세한 전자기 분석과 열 시뮬레이션이 수반되는 복잡한 다중 물리 과제입니다. Ansys 도구를 사용하면 개발 프로세스 중에 이러한 복잡성을 이해하고 데이터 중심의 설계 결정을 내릴 수 있습니다.

Ansys Motor-CAD는 헤어핀 권선에 대한 가능한 파형 패턴을 자동으로 계산합니다. 이 기능은 초기 설계 단계에서 적절한 수의 슬롯과 레이어 조합을 선택하는 데 도움이 됩니다. Ansys Maxwell는 복잡한 FEA 시뮬레이션을 수행할 수 있으며, FE 모델을 외부 회로와 결합하여 순환 전류가 존재하는지 확인할 수 있습니다.

마지막으로, Motor-CAD는 냉각 시스템을 고려하면서 전자기 해석을 열 모델 컴퓨팅 기계의 성능에 결합합니다. 이는 초기 설계 단계와 최적화 프로세스 중에 수행하여 다양한 권선 솔루션의 열 성능을 평가할 수 있습니다. Ansys Motor-CAD의 30일 무료 평가판을 요청하면 다음 헤어핀 와인딩 모터 디자인을 테스트하는 데 필요한 모든 다중 물리 도구를 이용할 수 있습니다.