更高要求的爪极设计和锻造工艺适应扁线电机及分析优缺点

2018-12-11 21:38:01

随着设备技术生产技术的提高,扁线电机也逐渐走强。比如汽车发电机的转子、定子中扁铜线的应用等等。这样促使其它零部件的设计要求会更高。程达锻件已经开发了多款适用于扁铜线爪极:有94、100、109等等规格,性能非常优越,设计难度也是非常高的,锻造工艺也要求较高。下面我们分析扁线电机的优缺点就不难发现各种壁垒的存在。

经过和产业专家的交流,和对公开资料的整理,我们总结出扁线电机优缺点都很多优点简单说即体积小、材料省、效率高、导热强、温升低、噪音小。具体如下:
优势1:相同功率,体积更小,用材更少,成本更低,或者相同体积,槽满率提升,功率密度提升。圆线变成扁线,从理论上来说,在空间不变的前提下,填充的铜可以增加20-30%。这意味着,在整个电机的空间不变的情况下,可以增加20-30%左右的铜,从某种程度上等同于增加20-30%的功率。反过来,在功率相同的情况下,可以减小电机外径和体积,进而减少电机其他材料的用量。
比如,找锻件:热锻件、冷挤压件请联系程达锻件有人做过研究,发现永磁电机损耗由绕组铜耗、铁耗、风磨杂散、磁钢涡流损耗组成,其中绕组铜耗占比50%以上,铜耗大小又和绕组电阻成正比P=I^2*R(或者Q=I^2*R*t,其中P代表导线发热功率,I代表电流,R代表绕组电阻>t为通电时间),减小绕组电阻能直接降低铜耗、提升电机效率和功率密度。根据导线电阻R=p*I/S ( p为绕组电阻率,I为长度,S为横截面积)可以看出,电阻率、长度一定的情况下,只能提升绕组横截面积来降低电阻,即想办法提升槽满率。
优势2:温度性能更好。内部空隙变少,扁线与扁线之间的接触面积大,散热和热传导更好;绕组和铁心槽之间接触更好,热传导更好;而电机对散热和温度是非常敏感的,散热性变好,性能会提升。有人通过温度场仿真,得出相同设计的扁铜线电机绕组温升比圆铜线电机低10%。浙江程达锻件有限公司专业生产各类热锻锻件、冷挤压件、冷拉件)除了散热性能变好,包括与温度相关的其他一些性能都能得到改善。
优势3:电磁噪音更低。使电枢具备更好的刚度,对电枢噪音具有抑制作用;可以取相对较小的槽口尺寸,有效降低齿槽力矩,进一步降低电机电磁噪音。
优势4:端部短,节省铜材,提升效率。如果是圆线电机,将一捆细圆线直接填到槽里,槽中的线对电机做功是有贡献的,而在槽外的线即端部,对电机的出力是没有贡献的,但它又是必不可少。如果没有这段线,它是不可能把槽与槽之间的线连在一起。传统的圆线电机,由于工艺问题,它的端部一般留得比较长,否则很容易在工艺过程中损伤铜线。对扁线电机来说,因为线都是硬线,可以在加工的时候把端部做得小一点,节省铜材,还可以提高效率等。

和圆线电机相比,扁线电机也有它的缺点,简单的概括为设计难、工艺难、设备难、扁线难、有损耗。具体如下:
缺点1:集肤效应导致损耗增加。圆线电机可以用细线,线比较多,而扁线比较粗,程达锻件是专业的锻件生产厂家,产品包括各类汽车锻件、机械配件锻件等)会产生一种集肤效应,该效应会使扁线电机的损耗有所增加,但影响有限。具体的影响表现为频率越高,扁铜线绕组的交流铜耗会越高。同时该效应还和电磁设计有关,比如槽内磁密幅值、槽口高度等,也和扁铜线的尺寸有关。
缺点2:铜线要求高。粗的铜材料具有一定的弹性,弯折后会有一定程度的反弹,这个需要设计师提前设计好,这非常考验设计师水平。正式因为弯折和反弹等因素,绝缘层容易损坏而产生缺口。于是对铜线的质量提出了更高的要求。并且扁线中的发卡电机对铜线的要求更高,传统扁铜线电机在绕组成型后可以进行包裹绝缘处理,但是发卡电机不行。据报道,日立金属专门为普锐斯电机专门开发了铜线。
缺点3:设备要求高。扁线由于工序复杂、精度要求高,通过人工制造基本不可能实现大规模量产,必须依赖专业的高端设备,这是大规模普及的前提,也是制约其国产化的一个重要原因。从厂家看,目前国内暂时还没有合格的设备供应商。国外有日本、意大利、德国的供应商,价格高昂是一方面因素,同时像日本产线也很难引入到国内。
缺点4:系列化设计难,对设计师要求高。(找爪极滑块管件等热锻件、冷挤压件、冷拉件就找程达锻件扁线电机最主要的缺点是很难做到非常密的系列化设计,即柔性不够,所以非常考验电机设计师的功力。从设计电机的角度来说,一般会设计及一套方案,扩展出一系列的不同设计。如果只需要1 OOKW电机,但在设计时,需要设计80-120KW这个区间内一系列的电机,一是为了满足潜在的需求,二是为了拉开与其他企业在设计上的差异。对于圆线电机,铁芯和槽数想同,只是长度和线圈的匝数不同,可以比较容易设计出一个系列。但是扁线电机很难达到这个效果。因为扁线电机的匝数都比较少,减少一根或两根线会对整个电机的性能带来较大的影响。所以,扁线做系列化设计是比较困难,但是,并不是无法实现,这对设计师又是重大考验。

对以上提到的缺点,换个角度去看,我们认为原材料、工艺、设备上的难点,正是扁线电机的壁垒所在。而且原材料和工艺已经有海外企业能解决,说明可行性没有问题,核心问题在国内电机企业或整车企业怎样在国产方向上实现突破。



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