軸向磁通永磁電機因具有功率密度高、體積小等優勢，被廣泛應用于對電機性能和安裝空間有較高要求的領域，但軸向磁通永磁電機的扁銅線交流銅耗會嚴重影響電機性能。沈陽工業大學研究團隊提出一種扁銅線交流銅耗的混合解析計算方法，并提出采用扁線立繞的導體排列方式來抑制交流銅耗。最終，制造一台60kW的樣機，通過樣機實驗驗證了研究内容的準确性。
研究背景
與傳統徑向磁通永磁電機相比，軸向磁通永磁電機具有更高的功率密度、更小的體積和更輕的品質等優勢，适用于對電機性能和安裝空間有較高要求的領域，例如航空航天、可再生能源、電動汽車等。
高功率密度軸向磁通永磁電機的電磁負荷和熱負荷都趨于極限，并且受到趨膚效應、鄰近效應和外部磁場的影響，導緻繞組交流銅耗較大、溫升較高，将嚴重影響電機的性能和絕緣材料的壽命。而且在高功率密度電機領域中，扁銅線因槽滿率高、散熱性能優異而被采用，但扁銅線具有更高的交流銅耗。是以，需要對扁銅線交流銅耗進行精确計算并抑制。
論文所解決的問題及意義
采用三維瞬态場計算交流銅耗，雖然可以獲得精确的結果，但存在計算時間長和對計算機性能要求高的問題。該團隊提出的混合解析計算方法，平衡了計算精度與計算時間。而且，扁銅線的交流銅耗較大，将嚴重影響電機性能。該團隊提出扁線立繞的導體排列方式來抑制交流銅耗。為快速準确地計算扁銅線交流銅耗提供了參考，同時也為優化高功率密度電機設計提供了基礎。
論文方法及創新點
（1）混合解析計算
本文提出一種可以考慮趨膚效應、鄰近效應和外部磁場對扁銅線交流銅耗影響的混合解析計算方法。該方法将三維有限元與解析法相結合，以有限元計算的磁通密度為基礎，再利用解析公式計算出扁銅線交流銅耗。
圖1 磁通密度采樣
（2）導體排列方式及仿真分析
本文對比了不同導體排列方式的交流銅耗，提出扁線立繞的導體排列方式來抑制交流銅耗。
圖2 扁線立繞詳細模型
圖3 扁線立繞導體交流銅耗
（3）實驗驗證
本文制造了一台樣機，繞組的線型為扁銅線，并采用扁線立繞的導體排列方式。扁銅線結構與樣機如圖4所示，樣機實驗平台如圖5所示。轉速為2500r/min時的相電流與效率的關系如圖6所示，實驗結果、三維有限元仿真結果和混合解析計算結果均基本吻合，證明了混合解析計算的準确性與扁線立繞的有效性。
圖4 繞組結構與樣機
圖5 電機測試實驗平台
圖6 效率對比
結論
本文将三維有限元與解析法相結合，提出一種可以考慮趨膚效應、鄰近效應和外部磁場對扁銅線交流銅耗影響的混合解析計算方法。利用該方法計算交流銅耗具有計算精度高和計算時間短的優勢，而且還适用于快速分析不同扁銅線排列方式對交流銅耗的影響。同時，提出扁線立繞的導體排列方式，可以有效抑制交流銅耗。在額定工況下，扁線立繞的交流銅耗減小了36.9%，并且随着頻率增加，差異越來越明顯。
團隊介紹
沈陽工業大學研究團隊長期緻力于電動航空高功率密度軸向磁通電機設計、現代電機控制技術、多相電機控制方法、電動汽車電驅動控制系統、機器人關節伺服電機及其控制技術等研究方向，該團隊在國内外重要刊物發表論文20餘篇，授權發明專利10餘項。
張志鋒，教授，博士生導師，研究方向為電動航空高功率密度軸向磁通電機、電動汽車電驅動系統、域控制器、雙三相永磁同步電機控制方法、機器人關節伺服電機及其控制技術等。
武嶽，博士，研究方向為軸向磁通永磁電機設計、控制及多實體分析。
孫全增，博士研究所學生，研究方向為多相永磁同步電機控制。
本工作成果發表在2023年第24期《電工技術學報》，論文标題為“軸向磁通永磁電機扁銅線交流銅耗的混合解析計算及抑制”。本課題得到國家自然科學基金面上項目和遼甯省教育廳科學研究經費（面上項目）的支援。