轴向磁通永磁电机因具有功率密度高、体积小等优势，被广泛应用于对电机性能和安装空间有较高要求的领域，但轴向磁通永磁电机的扁铜线交流铜耗会严重影响电机性能。沈阳工业大学研究团队提出一种扁铜线交流铜耗的混合解析计算方法，并提出采用扁线立绕的导体排列方式来抑制交流铜耗。最终，制造一台60kW的样机，通过样机实验验证了研究内容的准确性。
研究背景
与传统径向磁通永磁电机相比，轴向磁通永磁电机具有更高的功率密度、更小的体积和更轻的质量等优势，适用于对电机性能和安装空间有较高要求的领域，例如航空航天、可再生能源、电动汽车等。
高功率密度轴向磁通永磁电机的电磁负荷和热负荷都趋于极限，并且受到趋肤效应、邻近效应和外部磁场的影响，导致绕组交流铜耗较大、温升较高，将严重影响电机的性能和绝缘材料的寿命。而且在高功率密度电机领域中，扁铜线因槽满率高、散热性能优异而被采用，但扁铜线具有更高的交流铜耗。因此，需要对扁铜线交流铜耗进行精确计算并抑制。
论文所解决的问题及意义
采用三维瞬态场计算交流铜耗，虽然可以获得精确的结果，但存在计算时间长和对计算机性能要求高的问题。该团队提出的混合解析计算方法，平衡了计算精度与计算时间。而且，扁铜线的交流铜耗较大，将严重影响电机性能。该团队提出扁线立绕的导体排列方式来抑制交流铜耗。为快速准确地计算扁铜线交流铜耗提供了参考，同时也为优化高功率密度电机设计提供了基础。
论文方法及创新点
（1）混合解析计算
本文提出一种可以考虑趋肤效应、邻近效应和外部磁场对扁铜线交流铜耗影响的混合解析计算方法。该方法将三维有限元与解析法相结合，以有限元计算的磁通密度为基础，再利用解析公式计算出扁铜线交流铜耗。
图1 磁通密度采样
（2）导体排列方式及仿真分析
本文对比了不同导体排列方式的交流铜耗，提出扁线立绕的导体排列方式来抑制交流铜耗。
图2 扁线立绕详细模型
图3 扁线立绕导体交流铜耗
（3）实验验证
本文制造了一台样机，绕组的线型为扁铜线，并采用扁线立绕的导体排列方式。扁铜线结构与样机如图4所示，样机实验平台如图5所示。转速为2500r/min时的相电流与效率的关系如图6所示，实验结果、三维有限元仿真结果和混合解析计算结果均基本吻合，证明了混合解析计算的准确性与扁线立绕的有效性。
图4 绕组结构与样机
图5 电机测试实验平台
图6 效率对比
结论
本文将三维有限元与解析法相结合，提出一种可以考虑趋肤效应、邻近效应和外部磁场对扁铜线交流铜耗影响的混合解析计算方法。利用该方法计算交流铜耗具有计算精度高和计算时间短的优势，而且还适用于快速分析不同扁铜线排列方式对交流铜耗的影响。同时，提出扁线立绕的导体排列方式，可以有效抑制交流铜耗。在额定工况下，扁线立绕的交流铜耗减小了36.9%，并且随着频率增加，差异越来越明显。
团队介绍
沈阳工业大学研究团队长期致力于电动航空高功率密度轴向磁通电机设计、现代电机控制技术、多相电机控制方法、电动汽车电驱动控制系统、机器人关节伺服电机及其控制技术等研究方向，该团队在国内外重要刊物发表论文20余篇，授权发明专利10余项。
张志锋，教授，博士生导师，研究方向为电动航空高功率密度轴向磁通电机、电动汽车电驱动系统、域控制器、双三相永磁同步电机控制方法、机器人关节伺服电机及其控制技术等。
武岳，博士，研究方向为轴向磁通永磁电机设计、控制及多物理分析。
孙全增，博士研究生，研究方向为多相永磁同步电机控制。
本工作成果发表在2023年第24期《电工技术学报》，论文标题为“轴向磁通永磁电机扁铜线交流铜耗的混合解析计算及抑制”。本课题得到国家自然科学基金面上项目和辽宁省教育厅科学研究经费（面上项目）的支持。