ANSYS 部落格
April 14, 2023
髮夾繞組 – 電機設計的強大解決方案
髮夾繞組是一項相對較新的技術，由於製造過程的價格逐漸變得更加合理和有效，汽車產業對其日益感興趣。
相較於多股繞組，髮夾由矩形導體組成。相較於傳統的解決方案，它大幅增加了佔槽率：多股繞組的最大值約為 0.45，髮夾繞組技術最多可達 0.8。
這個解決方案的主要缺點是複雜的模式設計。採用平行路徑時，必須遵守數項規則，才能獲得電磁平衡的髮夾圖形。
過去幾年中，許多汽車原始設備製造商 (OEM) 都已經改採這項技術。這種繞組解決方案為電機的設計，在電磁尺寸和冷卻系統方面提供了許多優勢。
電磁分析
在電磁方面，改善的銅佔槽率減少了槽的佔用空間，使得可能實現更高的扭力和功率密度，同時減少直流電阻。假設定子體積相同的情況下，髮夾式線圈電機的飽和度可以多股繞組電機的低，從而降低鐵損耗。這是關鍵優勢，尤其是就驅動週期而言。電動車 (EV) 馬達通常有少的串聯匝數。這表示可能需要大量平行股束，造成嚴重的 AC 損耗。適當的髮夾繞組層和平行路徑的組合可以限制這種損耗。
設計範例以及與多股繞組解決方案的比較
牽引應用馬達的設計比較如圖 1 所示。這兩台機器的設計均採用相同的電壓、電流和槽電流密度，並針對相同的輸出性能進行最佳化。與多股繞組解決方案相比，髮夾繞組馬達能夠實現更大的定子孔徑，同時還具有更短的疊高和更高的功率密度等優勢。較低的定子體積也代表降低鐵損耗的優勢。
圖 1.動力馬達中多股繞組和髮夾繞組的效率和損耗比較；兩者的幾何比例在兩圖中是相同的。
由於較低的直流電阻，髮夾繞組電機在基點上顯然具有更高的效率，並且擁有一個顯著更大的高效率區間。這也是因為於髮夾繞組電機中較低的交流損耗。多股繞組需要在槽中使用平行線束以滿足電壓要求並達到良好的銅佔槽率。這些代表有效的串聯匝數的線束，特別容易因平行線中的循環電流而產生高交流損耗。所選擇的具有八層的髮夾繞組設計由於槽高較低，交流損耗明顯減少。
在 Ansys Motor-CAD 中設計繞組並匯出至 Ansys Maxwell
Ansys Motor-CAD 自動計算髮夾繞組的波形，將配置劃分為不同的基本繞組。每個基本繞組都是為了滿足涵蓋所有層和每極每相的所有槽磁鏈平衡規則而建立的，並代表一個潛在的平行路徑。透過將基本繞組組合成串聯組，可以實現不同的平行路徑組合。
在圖 2，基本繞組是自動產生的，涵蓋了每極每相的所有層和槽。線圈矩陣是為了具有波形而定義的 (請見圖 3)。在這種情況下，有可能有八個平行路徑，可以透過選擇要串聯的基本繞組來自訂這個數字。
圖 2.具有 48 槽、4 極、8 層和 8 個平行路徑的自動髮夾式繞組配置。
圖 3.每個基本繞組都設計成遵守磁鏈平衡規則並展現末端連接的典型波形。
如要對平行路徑中的循環電流進行更詳細的分析，可以將 Motor-CAD 模型匯出到 Ansys Maxwell，進行具有外部電路耦合的模擬。
圖 4.已匯出至 Ansys Maxwell 的 Ansys Motor-CAD 模型。
驅動週期性能
Motor-CAD 輕鬆計算效率圖並執行工作週期分析，提供最常見的驅動週期作為預設選項。
在圖5中，顯示了髮夾繞組電機效率圖，並突顯了US06駕駛週期的工作點。此機器的平均效率為 94.23%。
圖 5.髮夾繞組電機效率圖和 US06 驅動週期的工作點。
也對多股繞組馬達進行同樣的分析，呈現在圖 6。採用此解決方案後，平均效率降低至 93.77%。
圖 6.多股繞組電機效率圖和 US06 驅動週期的工作點。
耦合熱-電磁分析
Motor-CAD 中的熱模型正確地將直流+交流損耗分配給每個個別導體。由此產生的溫度分佈是離散的，如圖 7 中有限元素分析 (FEA) 模擬所示。熱網路也採用相同的概念。
圖 7.髮夾繞組的熱模型。
熱模型特別適用於評估電機在連續運轉中的變速性能。圖 8 顯示髮夾與多股繞組電機之間的性能比較，並將相同的冷卻系統用於這兩種解決方案。
圖 8.髮夾與多股繞組電機之間的連續性能比較。
評估髮夾繞組和多股繞組兩者之間的取捨是一項複雜的多物理挑戰，涉及細密的電磁分析和熱模擬。Ansys 工具能助您瞭解這些複雜性，並在開發過程中做出有資料根據的設計決策。
Ansys Motor-CAD 可以自動計算髮夾繞組的可行波形。這個此功能有助於在早期設計階段選擇適當的槽數和層數組合。Ansys Maxwell 可進行複雜的 FEA 模擬，並結合 FE 模型與外部電路，以確認可能存在的循環電流。
最後，Motor -CAD 將電磁分析與熱模型運算機器的性能結合，同時將冷卻系統納入考量。這可以在早期設計階段以及最佳化流程期間完成，以評估不同繞組解決方案的熱性能。申請您的 Ansys Motor-CAD 30 天免費試用期，這能讓您使用測試下一個髮夾繞組馬達設計所需的所有多重理工具。