扁線電機(jī)的趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)一直是影響電機(jī)高速發(fā)展的瓶頸，目前解決該問(wèn)題的行業(yè)通用方法則是增加繞組層數(shù)。本文介紹一種來(lái)自AdditiveDrives的新型解決方案。

壹

** 趨膚效應(yīng)和接近效應(yīng)**

在交流電流過(guò)的電導(dǎo)體中，電流密度由于電勢(shì)而下降。電流密度下降的程度取決于定子頻率，進(jìn)而取決于電機(jī)的轉(zhuǎn)速。然而，包圍導(dǎo)體的磁場(chǎng)也影響相鄰的導(dǎo)體， 這種耦合被稱為接近效應(yīng) 。相互作用在相鄰導(dǎo)體中感應(yīng)電場(chǎng)，產(chǎn)生局部渦流，進(jìn)而產(chǎn)生電流損耗。這種效應(yīng)也隨著電流的頻率呈指數(shù)增長(zhǎng)。此外，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致經(jīng)過(guò)開口槽的磁場(chǎng)在導(dǎo)體中引起渦流并且因此同樣引起損耗。

同時(shí)，在交流電流過(guò)的電導(dǎo)體中，電流將集中在導(dǎo)體表面流過(guò)，這種現(xiàn)象叫 集膚效應(yīng) 。兩種效應(yīng)的原因簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是 電流位移現(xiàn)象 。

圖1 說(shuō)明了上述電流位移效應(yīng)（趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)）的發(fā)生： 導(dǎo)體中的電流密度在邊緣處大于在中心處 。

圖1 趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)

電流密度和隨之而來(lái)的電流熱損失局部急劇增加，由此導(dǎo)致電驅(qū)動(dòng)裝置的較低的效率和因此降低的總效率。因此，如果續(xù)航里程應(yīng)相同，則產(chǎn)生用于電池的提高的成本，或者反之亦然，在電池尺寸相同的情況下產(chǎn)生更小的續(xù)航里程。由于這兩種效應(yīng)隨所使用的頻率呈指數(shù)增長(zhǎng)，因此它們限制了用于連續(xù)運(yùn)行的電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速，從而限制了車輛的最大速度。此外，損耗增加了電機(jī)的冷卻需求。

這種效果如圖2所示。從大約9000/分鐘開始，效率顯著下降。然而，這里恰好存在行駛循環(huán)WLTC的許多運(yùn)行點(diǎn)。這種惡化的主要原因是趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，它們隨著頻率和速度的增加而變得越來(lái)越重要，并對(duì)效率產(chǎn)生負(fù)面影響。在圖中突出顯示的工作點(diǎn)，14%的電動(dòng)機(jī)損耗是由電流位移引起的（銅損）。雖然更大的功率范圍與WLTC無(wú)關(guān)，但在實(shí)際生活中，經(jīng)常需要更大的高功率范圍。

圖2 典型電機(jī)效率MAP

貳

** 羅貝爾銅線**

所謂的羅貝爾銅線采用的是扁平矩形銅線，最早是為了抑制具有兆瓦級(jí)功率的大型電機(jī)的電流位移而設(shè)計(jì)的。結(jié)構(gòu)形式如同圖3所示：

圖2 羅貝爾銅線示意

這種方案銅線中的電流更均勻地分布在凹槽中，使得開頭所描述的效應(yīng)產(chǎn)生的危害弱化。 然而這種方案的缺點(diǎn)是由于制造公差和必要的絕緣，槽中的載流橫截面面積減小并且因此直流損耗增大 。同時(shí)，該方案對(duì)于制造工藝及設(shè)備要求極高。此外，填充系數(shù)降低高達(dá)30%，并導(dǎo)致更高的損耗。

叁

新型3D打印銅線

采用新的生產(chǎn)工藝，特別是銅的3D打印，可以擴(kuò)大潛力，解決上述羅貝爾銅線的制造難題。與傳統(tǒng)的羅貝爾銅線相比，新型羅貝爾銅線，在鐵芯槽內(nèi)即可進(jìn)行3D打印。

3D打印使得復(fù)雜結(jié)構(gòu)的量產(chǎn)成為可能。在打印新型羅貝爾銅線的過(guò)程實(shí)際是 對(duì)導(dǎo)體中電流密度分布的精細(xì)控制 。此外，對(duì)增材制造的精確控制允許具有不同電導(dǎo)率的材料（功能分級(jí)材料，F(xiàn)GM）的連續(xù)過(guò)渡。

銅的3D打印是在選擇性激光熔化過(guò)程的框架內(nèi)進(jìn)行的。使用純度為99.95%的銅（OF銅/CuOF）。純度保證了最佳的導(dǎo)電性，與傳統(tǒng)半成品相當(dāng)。此外，結(jié)構(gòu)力學(xué)性能相似， 打印的結(jié)構(gòu)是可焊接的 。

**與傳統(tǒng)制造的導(dǎo)體相比，3D打印的導(dǎo)體不具有初級(jí)絕緣，這需要在隨后的工藝中實(shí)現(xiàn)。**在精細(xì)結(jié)構(gòu)的羅貝爾銅線的情況下，借助于真空壓力方法進(jìn)行絕緣處理是比較常用的方法。浸漬介質(zhì)被壓在銅結(jié)構(gòu)之間。排擠空氣一方面確保電絕緣，另一方面確保有效的散熱。

與傳統(tǒng)的加捻不同，3D打印提供了額外的自由度。這包括導(dǎo)體尺寸和橫截面的任意變化，給了繞組設(shè)計(jì)極大的自由空間。該方案導(dǎo)致導(dǎo)體內(nèi)的電分離結(jié)構(gòu)，所述電分離結(jié)構(gòu)用于限制渦流路徑。因此，電流密度被“強(qiáng)制”到剩余的導(dǎo)體橫截面上。

圖3 沿Z軸旋轉(zhuǎn)的分離結(jié)構(gòu)（左）和產(chǎn)生的導(dǎo)體（右）

借助于3D打印可以產(chǎn)生幾乎任意的連接幾何形狀。傳統(tǒng)的繞組接頭焊接工藝，則可以取消。

肆

** 總結(jié)**

結(jié)果顯示，新型3D打印羅貝爾線具有明顯的優(yōu)勢(shì)：更高的槽滿率和最低的銅損耗。

圖5 銅線內(nèi)電流位移模擬結(jié)果比較

雖然該工藝可能暫不能快速實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，但筆者認(rèn)為未來(lái)可期。國(guó)內(nèi)應(yīng)該給予3D打印更多的包容和重視 。