交流損耗的案例
新能源汽車扁線電機的繞組交流損耗分析
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。
展開 熟悉了這些，通吃 COMSOL一切思路！
逐點約束條件設置
超導帶材在通入直流電流時不會產生交流損耗，此次將分析超導帶材通入交流傳輸電流時的交流損耗變化規律。定義正弦交流傳輸電流，如下式:
其中，Im 為從 0.1－0.9Ic 以 0.1Ic 為間隔變化的交流傳輸電流的幅值，f 為交流傳輸電流的頻率，t 為一個周期內的任意時間。
對超導帶材的橫截面進行電流密度的面積積分，施加逐點約束條件:
其中，J 為超導帶材的電流密度，S 為超導帶材的橫截面積。
Vol.05 結論
首先推導了求解交流損耗 H 方程法的數值計算公式，然后利用 COMSOL Multiphysics 有限元仿真軟件 PDE 模塊建立單根超導帶材仿真模型，并介紹模型參數、網格剖分和物理場設置等流程和細節，系統分析不同幅值交流傳輸 流下的磁場分布和交流損耗。仿真結果顯示，磁場強度較大的位置在超導帶材的兩端，并向中間區域逐漸減小。隨著通入交流傳輸電流的幅值增加，超導帶材內部及周圍空氣的磁場強度、磁場穿透深度和交流損耗也有了明顯的增加。
本文來自：COMSOL仿真交流
—END—
展開 新能源汽車動力密碼：定子繞組技術演變與驅動系統的未來圖景
漆包線材料：隨著高壓、油冷技術的發展，漆包線材料將向高壓、耐電暈、耐油水、低交流損耗方向發展。未來，利茲線、換位導線等特殊導體結構將成為解決高速電機交流損耗的有效方案。
新能源汽車驅動電機的發展面臨著多方面的技術挑戰，但同時也帶來了巨大的創新機遇。通過材料升級、工藝改進和結構優化，行業有望在高轉速、高效率、低材料成本、長壽命和短軸向尺寸等方面取得突破，推動新能源汽車技術的持續進步。
基于模型開發（MBD）的電機效率圖有限元仿真分析
矩形線圈產生交流損耗。
磁鐵渦流損耗。
其他影響，例如雜散損耗，制造和沖壓應力等的影響。
為了考慮上述現象，有必要對有限元模型進行改進，JMAG效率圖分析有兩種，一種叫速度優先模型，通常用于概念設計階段，一種叫精度優先模型，通常用于詳細的性能評估階段，兩者模型和電路如圖10所示。此外，為了考慮諧波鐵耗，需要對電路的控制和逆變器進行建模如圖11所示，渦流分析是為了考慮繞組的交流損耗和磁鐵的渦流損耗，也需要搭建PWM控制電路，并且將電路中的FEM Coil改成FEM Conductor，同時按照圖12將FEM Coil條件改成FEM Conductor條件，并且將線圈零件設置為允許渦流，如圖13所示，同時加大時間步的分辨率，使其能夠捕捉到諧波分量，這樣將使得每個工況點的步數很大，圖14為參數化列表，包含了轉速、步數之間相關的參數化設置。
圖10 效率圖的FEA模型
圖11 精度優先控制電路模型
圖12 FEM Coil切換為FEM Conductor條件
圖13 線圈零件設置為允許渦流
圖14 參數化列表
為了確定諧波電流波形，需要進行控制建模。本文以下面的分析流程進行詳細的性能效率圖評估（圖15）。
圖15 詳細性能評估時的效率圖創建流程
以概念設計得到的效率圖中所有工況點的電流矢量作為詳細性能評估的電流指令/基準值。如圖16為根據速度優先（概念設計）得到的電流矢量數據，作為精度優先效率圖的輸入參數。
圖16 詳細性能效率圖評估的輸入電流矢量
在詳細的性能評估模型中，使用上述命令/基準值構建電流控制模型。
展開 
第一篇 關于ansoft的損耗計算
所以總的損耗包括線圈損耗（也叫銅損）和磁芯損耗（也叫鐵損）兩個部分。其中線圈損耗還包括直流損耗（也就是直流電阻的損耗）和交流損耗（交流電流下的趨膚效應和鄰近效應產生的損耗），這個交流損耗也叫做渦流損耗，在渦流場和瞬態場中可以通過設置EDDY EFFECTS來計算。而鐵損只能在瞬態場中計算。鐵損的計算，主要是由磁芯材料供應商提供的各種頻率和工作磁感應強度下的測試數據為基礎，使用STEINMETZ方程式，采用插值法得到的。這個鐵損已經包含了磁芯的所有損耗，即：磁滯損耗，渦流損耗和剩余損耗。鐵損的計算分兩種，一種主要是軟磁鐵氧體（POWER FERRITE),另外一種主要是矽鋼片（ELECTRICAL STEEL)，兩種計算公式不同。
二、
SOLIDLOSS（實體導體損耗)是指任何導體材料的損耗，既可以包含源電流，又可以有渦流電流。
SOLID CONDUCTOR(實體導體）又包含兩種，一種是主動導體，即有外加電流的導體，另外一種
是被動導體，即沒有外加電流。被動導體又有兩種情況，短路和開路。定子和轉子其實就是被動導體
，當然有渦流存在，也就是一種SOLIDLOSS。其實應該還有一種導體損耗，DISPLACEMENT
(位移電流），但是通常都很小，一般用于交變電場分析，磁場中很少用。
三、關于powerloss和coreloss
四、關于永磁體的鐵耗計算
1 .什么狀況下應該給永磁體設置電導值？
象釹鐵硼等導電的永磁材料, 并要考慮永磁體中渦流的影時,要設置電導率.
2 .什么狀況下給永磁體加上【set Eddy effects】？
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電機ACT功能增強
2021 R1新版本中Electrical Machine Toolkit ACT有較大的改進，主要包含：交流繞組損耗的改進計算、多相電機的map圖計算、新的電機類型同步磁阻電機Map計算、新的電機類型開關磁阻電機Map計算、新的電機類型電勵磁同步電機Map計算、求解速度的提升、定轉子鐵耗的分離。
1. 交流繞組損耗的改進計算。新版本提供了兩種改進交流繞組損耗的計算方法。
利茲線建模: 在繞組的材料屬性中，將“Composition”選項設置為“Litz Wire”, 并定義導線形狀，并繞根數和單線尺寸，Machine Toolkit利用“StrandedlossAC” 計算結果作為繞組交流損耗。
用戶自定義的Frequency vs. AC Resistance數據: 用戶可以指定一個.txt文件，該文件是頻率與交流電阻數據的表格。文件的第一行定義頻率和電阻的名稱以及單位，數據導入后Maxwell采用線性插值的方法得到需要頻率下的交流電阻數據。
2. 多相電機的map圖計算
新版本中支持2~7相永磁電機，感應電機，同步磁阻電機和繞線轉子同步電機和2~8相的開關磁阻電機的map圖的計算。對于除開關磁阻電機以外的所有電機類型，用戶都可以使用命令行指定每個繞組的相移，建議第一個相移輸入“ 0”。
3. 同步磁阻電機Map計算
同步磁阻電機計算方式與永磁同步電機一樣，掃描變量為相電流的有效值、gamma角和轉速。支持周期性和半周期性TDM。
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1. 交流繞組損耗的改進計算。新版本提供了兩種改進交流繞組損耗的計算方法。
利茲線建模: 在繞組的材料屬性中，將“Composition”選項設置為“Litz Wire”, 并定義導線形狀，并繞根數和單線尺寸，Machine Toolkit利用“StrandedlossAC” 計算結果作為繞組交流損耗。
用戶自定義的Frequency vs. AC Resistance數據: 用戶可以指定一個.txt文件，該文件是頻率與交流電阻數據的表格。文件的第一行定義頻率和電阻的名稱以及單位，數據導入后Maxwell采用線性插值的方法得到需要頻率下的交流電阻數據。
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3. 同步磁阻電機Map計算
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展開 技術聚焦前沿：雙電機驅動與材料變革，解碼電機產業新動能
?研究新型導體結構以降低交流損耗。
四、電機二次絕緣材料的現狀與挑戰
現狀與趨勢：絕緣材料的導熱能力遠不能滿足功率密度提升的需求。絕緣材料需在絕緣性能和散熱能力之間找到平衡。
技術挑戰：
?絕緣材料的導熱能力不足。
?絕緣厚度影響電機槽滿率和性能。
未來方向：
?開發高導熱性能的復合絕緣材料。
?研究新型絕緣材料的應用工藝。
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【16】燃氣輪機燃燒
【17】汽車渦輪機械仿真
【18】Kleijn化學氣相沉積
【19】水翼雙向流固耦合
【20】電機空心轉軸快速穩定優化設計
【21】晃動障礙物中Ansys CFX & Fluent VOF 模型驗證
【22】在Motor-CAD中計算繞組交流損耗
【23】結合Ansys Sherlock、Icepak和Mechanical的工作流對自動駕駛汽車的電子系統進行可靠性評估
【24】面向電動汽車的Ansys NVH解決方案
【25】數字孿生平臺上的高保真結構模型動態仿真案例
【26】基于Ansys Fluid+Structural+Mechanical Acoustics的油箱晃動噪聲預測
【27】Ansys流體仿真解決方案
【28】Ansys結構仿真解決方案
【29】Ansys電子設計解決方案
【30】Motor-CAD軸向通道水套冷卻教程
【31】Ansys
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1. 交流繞組損耗的改進計算。新版本提供了兩種改進交流繞組損耗的計算方法。
利茲線建模: 在繞組的材料屬性中，將“Composition”選項設置為“Litz Wire”, 并定義導線形狀，并繞根數和單線尺寸，Machine Toolkit利用“StrandedlossAC” 計算結果作為繞組交流損耗。
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3. 同步磁阻電機Map計算
同步磁阻電機計算方式與永磁同步電機一樣，掃描變量為相電流的有效值、gamma角和轉速。支持周期性和半周期性TDM。出于穩定性考慮，在電動機模式下，gamma范圍為（45°~90°），在發電機模式下，gamma角范圍為（90°~135°）。
4.
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【22】在Motor-CAD中計算繞組交流損耗
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展開 干貨｜資深工程師總結的22個電源研發問題
5.采樣電阻損耗；6.吸收電路的損耗；7.其它損耗：PFC電感損耗，LLC的諧振電感損耗，同步整流的MOS管損耗。等等。。。
針對這些損耗，適當的減小可以提升效率。1.針對MOS管可選用開關速度快的，導通電阻低的，電路上課采用軟開關。2.針對變壓器：選擇合適大小的磁芯，磁芯太小損耗會大，很難做到銅損和鐵損平衡。尤其是銅損不僅有直流損耗還有交流損耗，交流損耗一般比直流損耗還大2倍，因為銅線在高頻下的交流阻抗比直流阻抗大的多，計算時一定要充分估算進去。
問題十六：電源中的熱設計，散熱器是怎么選擇的？散熱器設計需要考慮什么？
散熱器的設計是開關電源的一個重點，散熱器主要是針對我們的發熱器件溫升過高，需要采用散熱器來降低熱阻來達到降低溫升的作用！
主要發熱器件：整流橋，MOS管，整流二極管，變壓器，電感等等。
散熱器的大小選擇一般根據損耗的功率，需要的溫升來計算熱阻，根據熱阻來選擇相應面積的散熱器 。
當然也需要一些輔助的方式，比如在器件和散熱片間涂散熱膏，有會有些效果。比較小的空間可采用型材散熱，體積小，散熱面積大。
特殊器件有特殊的處理：如變壓器可將變壓器底下的PCB板挖空散熱，也可以在變壓器上用導熱泥貼散熱片的方式。電感也可以加銅環散熱等等。。。
問題十七：LLC的輸出濾波電容怎么決定的？受哪些因素影響？
輸出濾波電容對輸出紋波至關重要，選擇合適的濾波電容需要從成本及紋波需求考慮，當然對每種拓撲濾波電容的選取都是按照輸出紋波需求，紋波電流所對應的ESR值來選取對應的電容，當然電容的容量與ESR的關系跟電容的品質也有著很重要的關系，之前已經討論過其關系式。紋波電壓時我們的需求，一般按照50mv的需求的話，設計留有余量一般選擇10mv。
展開 定子繞組技術PIW、 HPW、FLW怎么選？
損耗不僅是效率問題，也意味著連續運行中額外熱量需要散熱。PIW的熱特性進一步增加了繞組冷卻的挑戰。
與PIW相比，HPW的直流相位電阻有改善，但在高速情況下，交流效應（AC effects）變得顯著，導致高銅損。但是，HPW良好的熱性能降低了銅損耗對電機總損耗的影響，進而可以獲得更高的連續功率（higher continuous power）和更高的效率。
FLW非常適用于具有薄槽的高速應用（high-speed applications with thin slots）。填充系數與HPW相當，末端繞組緊湊，這都是低直流電阻的原因。導線的連續移位使所有的磁通量得以平衡，而不像PIW那樣因銅線隨意排布產生較多的循環電流。
絞線的扭曲和緊湊的末端繞組也改善了熱性能。FLW可以實現最高的連續功率密度和效率。研究表明，在所選擇的繞組配置中，FLW具有最高的性能指標。
展開 Ansys電機及其控制系統解決方案
? 內嵌2D瞬態有限元
? 全自動設置剖分和邊界條件
? 高級計算功能：磁鋼渦流損耗；導條渦流損耗；繞組交流損耗
? Dxf模型導入
? 腳本編輯幾何模型
? 用戶自定義電流波形
? 用戶自定義斜極斜槽
Motor-CAD Lab
? 效率Map圖和損耗Map圖
? 峰值轉矩轉速曲線計算
? 連續轉矩轉速曲線計算
? 運行周期性能分析
? 開路和短路分析
? 考慮電機控制策略
? 計算任意運行周期內的損耗、效率和功率
? 計算電機溫度隨時間變化的曲線
? 計算過程中損耗、磁鋼性能考慮溫度影響
Motor-CAD與Maxwell的接口
Motor-CAD與TwinBuilder的接口
Ansys以往工具與Motor-CAD的區別
電機電磁性能分析
電機有限元分析
支持多種運動形式
永磁電機退磁分析
電機整體充磁分析
扁線電機的渦流損耗計算
電機環流計算
磁鋼渦流損耗計算
二維等效斜極斜槽分析
效率Map圖計算
繞組自動設置Toolkit
電磁力二維FFT
繪制電磁力瀑布圖
電機振動與噪聲分析
Ansys電機本體振動噪聲分析解決方案
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? 結果基于物理場
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? 統一平臺統一的模型參數化平臺；統一的優化平臺；數據無縫鏈接
Ansys電機本體振動噪聲分析流程
支持轉子分段斜極的電磁力映射
? Maxwell2D skew功能可處理多個
展開 