1．前言

永磁電機的主要功率損耗部件是鐵心，磁鋼和繞組。Hair-Pin電機在高速時有較大的繞組AC損耗，特別是發生在繞組端部的損耗。發生在端部繞組區域中的磁力線模式不同于鐵心中的繞組長度內的磁力線模式。

這些損耗可以通過直流和交流損耗來定義，直流繞組損耗很容易通過繞組的電路分析來計算，并且是算術計算。AC損耗分量是由于導體相互靠近產生的磁場的各種影響而引起的。這通常是通過創建原型和對線圈部件進行繁瑣的測量來估計的。這將使設計工作流程既昂貴又耗時。

然而，通過在JMAG中將線圈創建三維模型并進行3D的有限元分析，可以相對快速和經濟地分析AC損耗。

2．背景

（1）Bar-winding廣泛用于新能源汽車的電機設計中。

圖1 圓線繞組和扁線繞組對比

A. 優點：

1)用銅量少。

2)提高散熱性。

3)端部整齊免綁扎。

4)提高生產率。

B .缺點：存在較大渦流損耗。

（2）交流損耗的電磁場

引起交流損耗的原因主要是：漏磁通、集膚效應和臨近效應。

（3）漏磁通

漏磁通將引起線圈中的AC 損耗，它在旋轉過程分布性將變化，并且如果電流是PWM，它將具有很高的諧波分量。

（4）集膚效應

   a）高速和PWM引起的高頻分量。

   b）集膚效應增加了損耗。

圖2 集膚效應和頻率關系

上圖為交流電流應用于單根導線，從圖2可以看出較高的頻率如高速會導致集膚效應并增加損耗。

（5）鄰近效應

槽內的導體會產生鄰近效應。從圖3可以看出，距離越近鄰近效應越明顯，因此交流損耗也越大。

圖3 鄰近效應和距離

交流電流施加到兩根導線上。來自每根導線的磁通鏈接到另一根導線中導致了渦流。槽內的許多導體會增加AC損耗。

3．IPM電機線圈焦耳損耗分析（JAC211）

    （1）模型及輸入參數

圖4 模型和電流波形

 

表1 輸入參數

轉速(r/min)	10,000
電流幅值 (A)	51
電流相位 (deg.)	30
載波頻率(Hz)	20,000
載波幅值 (A)	5
載波相位 (deg.)	0

（2）交流損耗

a）這個案例可以看出交流損耗增加。

b） 可以看出在氣隙附近具有更高的損耗密度。

圖5 渦流損耗分布

圖6 繞組直流損耗和總銅損耗的對比

（3）漏磁通

    a） 來自基波分量的漏通量通過氣隙附近的導體。

    b） 來自載波分量的漏通量通過所有導體。

基波（1kHZ）                PWM波（20kHZ）

圖7 磁力線

 圖8 （B * f）2的測試點

頻率【HZ】

 圖9 磁通密度頻譜

從上圖可以看出（B * f）²與焦耳損耗成比例。Point1基波成分的焦耳損耗占主導地位。第2點和第3點載波頻率對應的損耗占主導地位。

4．分割導體的影響

比較單導體和分開的線圈（并聯）以評估其減少損耗的效果。

             單導體                     分割導體

圖10 分割線圈

為了減少一個導體渦流損耗，線圈被分成兩部分并且并聯連接。

（1）交流損耗比較

A分開的導體切并聯連接的方案大于單個導體的方案。

B 分開但不并聯連接（分開）小于單根導體。

圖11 單根導體、分割導體（并聯）、分割導體（分離）銅損比較

（2）并聯連接的循環電流影響

A .以下是以2根導體在交流場作用下的對比分析。如圖12所示。

B .如圖12，并聯連接的兩根導線由于外部磁場而具有循環電流。

C.如圖13和圖14分析結果可知循環電流確實導致不平衡電流。

圖12 分離導體和分割導體（并聯）的電路

圖13 分離導體和分割導體（并聯）的電流分布比較

圖14 循環電流

從圖14分析結果，可以進一步確認：輸入電流=導體1+導體2，循環電流=導體1-導體2，因此循環電流比輸入電流還大，對銅損影響大。

圖15 分離導體和分割導體（并聯）的電流比較

（3）電機中的循環電流

圖16 電機中的循環電流

從圖16電機分析結果中各電流對比，發現循環電流正如我們所預測的一樣，比輸入電流大，因此對銅損影響大，其公式為：輸入電流=導體1+導體2，循環電流=導體1-導體2，因此這就說明了圖11分割導體如果采用并聯連接，會因為產生循環電流，導致銅損增加，而導致銅損比單根導體的還要大，因此采用分割導體時必須注意循環電流的影響。

5．小結

Bar繞組廣泛用于新能源汽車的電機設計中，采用基于JMAG的有限元分析仿真能捕獲交流損耗現象。然而它的計算量大，采用并行求解器對于模擬交流損耗（包括端部繞組）是必不可少的,JMAG提供了非常強大的并行求解器。

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