介绍一种扁线电机趋肤效应和邻近效应的新型解决方案

扁线电机的趋肤效应和邻近效应一直是影响电机高速发展的瓶颈，目前解决该问题的行业通用方法则是增加绕组层数。本文介绍一种来自AdditiveDrives的新型解决方案。

壹

** 趋肤效应和接近效应**

在交流电流过的电导体中，电流密度由于电势而下降。电流密度下降的程度取决于定子频率，进而取决于电机的转速。然而，包围导体的磁场也影响相邻的导体， 这种耦合被称为接近效应 。相互作用在相邻导体中感应电场，产生局部涡流，进而产生电流损耗。这种效应也随着电流的频率呈指数增长。此外，转子旋转导致经过开口槽的磁场在导体中引起涡流并且因此同样引起损耗。

同时，在交流电流过的电导体中，电流将集中在导体表面流过，这种现象叫 集肤效应 。两种效应的原因简单来说就是 电流位移现象 。

图1 说明了上述电流位移效应（趋肤效应和邻近效应）的发生： 导体中的电流密度在边缘处大于在中心处 。

图1 趋肤效应和邻近效应

电流密度和随之而来的电流热损失局部急剧增加，由此导致电驱动装置的较低的效率和因此降低的总效率。因此，如果续航里程应相同，则产生用于电池的提高的成本，或者反之亦然，在电池尺寸相同的情况下产生更小的续航里程。由于这两种效应随所使用的频率呈指数增长，因此它们限制了用于连续运行的电机的最大转速，从而限制了车辆的最大速度。此外，损耗增加了电机的冷却需求。

这种效果如图2所示。从大约9000/分钟开始，效率显着下降。然而，这里恰好存在行驶循环WLTC的许多运行点。这种恶化的主要原因是趋肤效应和邻近效应，它们随着频率和速度的增加而变得越来越重要，并对效率产生负面影响。在图中突出显示的工作点，14%的电动机损耗是由电流位移引起的（铜损）。虽然更大的功率范围与WLTC无关，但在实际生活中，经常需要更大的高功率范围。

图2 典型电机效率MAP

贰

** 罗贝尔铜线**

所谓的罗贝尔铜线采用的是扁平矩形铜线，最早是为了抑制具有兆瓦级功率的大型电机的电流位移而设计的。结构形式如同图3所示：

图2 罗贝尔铜线示意

这种方案铜线中的电流更均匀地分布在凹槽中，使得开头所描述的效应产生的危害弱化。 然而这种方案的缺点是由于制造公差和必要的绝缘，槽中的载流横截面面积减小并且因此直流损耗增大 。同时，该方案对于制造工艺及设备要求极高。此外，填充系数降低高达30%，并导致更高的损耗。

叁

新型3D打印铜线

采用新的生产工艺，特别是铜的3D打印，可以扩大潜力，解决上述罗贝尔铜线的制造难题。与传统的罗贝尔铜线相比，新型罗贝尔铜线，在铁芯槽内即可进行3D打印。

3D打印使得复杂结构的量产成为可能。在打印新型罗贝尔铜线的过程实际是 对导体中电流密度分布的精细控制 。此外，对增材制造的精确控制允许具有不同电导率的材料（功能分级材料，FGM）的连续过渡。

铜的3D打印是在选择性激光熔化过程的框架内进行的。使用纯度为99.95%的铜（OF铜/CuOF）。纯度保证了最佳的导电性，与传统半成品相当。此外，结构力学性能相似， 打印的结构是可焊接的 。

**与传统制造的导体相比，3D打印的导体不具有初级绝缘，这需要在随后的工艺中实现。**在精细结构的罗贝尔铜线的情况下，借助于真空压力方法进行绝缘处理是比较常用的方法。浸渍介质被压在铜结构之间。排挤空气一方面确保电绝缘，另一方面确保有效的散热。

与传统的加捻不同，3D打印提供了额外的自由度。这包括导体尺寸和横截面的任意变化，给了绕组设计极大的自由空间。该方案导致导体内的电分离结构，所述电分离结构用于限制涡流路径。因此，电流密度被“强制”到剩余的导体横截面上。

图3 沿Z轴旋转的分离结构（左）和产生的导体（右）

借助于3D打印可以产生几乎任意的连接几何形状。传统的绕组接头焊接工艺，则可以取消。

肆

** 总结**

结果显示，新型3D打印罗贝尔线具有明显的优势：更高的槽满率和最低的铜损耗。

图5 铜线内电流位移模拟结果比较

虽然该工艺可能暂不能快速实现量产，但笔者认为未来可期。国内应该给予3D打印更多的包容和重视 。