槽滿率對(duì)電機(jī)的影響

什么是槽滿率？

即鐵芯槽內(nèi)的導(dǎo)體截面積與鐵芯槽口總面積的比值，電機(jī)槽滿率越高代表著“銅線在鐵芯槽內(nèi)填得越滿”。

槽滿率對(duì)比示意圖

由上圖可以看出，扁線電機(jī)由于槽滿率的大幅提升，已經(jīng)成為新能源驅(qū)動(dòng)電機(jī)的絕對(duì)主流。從產(chǎn)品的角度，當(dāng)然是槽滿率越高越好，但另一方面槽滿率的不斷提高，對(duì)扁線電機(jī)的制造工藝、設(shè)備精度/復(fù)雜度都帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。

槽滿率(英文：slot fill factor，取自電機(jī)仿真軟件Maxwell)，大部分認(rèn)為槽滿率是指線圈放入槽內(nèi)后占用槽有效面積的比值，當(dāng)然也有人認(rèn)為槽滿率是定子槽中的銅線所占的橫截面積與裸槽中的總空間之比，兩者的區(qū)別在于是否要將銅線包裹的絕緣層、絕緣紙等材料考慮在內(nèi)。個(gè)人認(rèn)為后者可能更像是銅滿率，但兩種計(jì)算都行，因?yàn)閱渭兊膬煞N方式的計(jì)算，并不會(huì)對(duì)電機(jī)性能造成實(shí)質(zhì)的影響，但在電機(jī)性能的比對(duì)中，還是需要統(tǒng)一計(jì)算方式的。

那么槽滿率的計(jì)算公式是什么呢？我們以考慮絕緣材料計(jì)算槽滿率為例，則計(jì)算公式為：

其中，W為單個(gè)槽內(nèi)導(dǎo)線總個(gè)數(shù)；

D為導(dǎo)線直徑尺寸（包括漆包線層），如下圖所示；

A有效面積為裸槽總面積減去槽絕緣（如絕緣紙等）的面積。

導(dǎo)線

一般認(rèn)為槽滿率取75%-80%，不大于80%，因?yàn)楦卟蹪M率對(duì)于線圈散熱有不利影響，當(dāng)然這是對(duì)于初步設(shè)定槽滿率時(shí)可采用的方案，在最終驗(yàn)證過(guò)程中槽滿率可以低于此數(shù)值，但不建議高于此數(shù)值。從上式可以看出提高槽滿率的方法有很多，如增加導(dǎo)線直徑尺寸，減少槽有效面積，然而這樣對(duì)線圈槽滿率的高低的調(diào)整，對(duì)于電機(jī)的性能幾乎不構(gòu)成影響，可能與嵌線的難易程度有關(guān)。因此，一般說(shuō)提高槽滿率，一般指在鐵芯槽中盡可能多的放置線匝，即提高W（單個(gè)槽內(nèi)導(dǎo)線總個(gè)數(shù)）。

提高槽滿率究竟對(duì)電機(jī)有何影響呢？首先，提高槽滿率的方法有很多，這里僅指提高線圈匝數(shù)的方式提高槽滿率；其次，提高電機(jī)的槽滿率，可使電機(jī)功率增大，同等功率時(shí)電機(jī)長(zhǎng)度縮短；最后，提高電機(jī)的槽滿率可減少相當(dāng)一部分的銅導(dǎo)線、硅鋼片、鐵磁材料等，增加電機(jī)材料的利用率，相對(duì)適宜的槽滿率可以有效提高有效材料的比例，降低電機(jī)的材料成本。

槽滿率對(duì)電機(jī)導(dǎo)線集膚效應(yīng)的影響？那么，導(dǎo)線集膚效應(yīng)——當(dāng)導(dǎo)體通以交流電流時(shí)，導(dǎo)體斷面上出現(xiàn)的電流分布不均勻，電流密度由導(dǎo)體中心向表面逐漸增加，大部分電流僅沿導(dǎo)體表層流動(dòng)的一種物理現(xiàn)象，如下圖所示。

集膚效應(yīng)簡(jiǎn)圖

當(dāng)然，槽滿率的提高，對(duì)于扁線定子的制造而言，也提高了一定的難度。

首先，對(duì)銅線成型的精度和一致性要求高。銅線成型時(shí)，不可能完全與理論數(shù)模線型一致，輪廓度、直線度等均存在誤差和波動(dòng)。所以相比于3D數(shù)模，槽內(nèi)一組銅線在插線時(shí)并沒(méi)有那么規(guī)整。這種不規(guī)整會(huì)明顯增加銅線入鐵芯槽時(shí)的摩擦阻力，需要更大的壓入力才能克服，而壓入力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致插入不到位、銅線擠壓變形或損傷、絕緣紙滑動(dòng)等一系列問(wèn)題。槽滿率越高，鐵芯槽內(nèi)的設(shè)計(jì)預(yù)留間隙就越小，對(duì)這種不規(guī)整現(xiàn)象的容忍度也越低。

其次，對(duì)設(shè)備所有對(duì)中、導(dǎo)向相關(guān)的機(jī)構(gòu)和零件精度要求高。在hairpin插入鐵芯時(shí)，需要讓所有槽（48、54、72…）同時(shí)與鐵芯槽口精確對(duì)中，銅線才能順暢進(jìn)入鐵芯槽口。槽滿率越高，對(duì)中的精度要求就越高。

再者，絕緣紙?jiān)谌刖€時(shí)滑動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)增高。槽滿率高意味著入線時(shí)銅線與絕緣紙的摩擦力增加，絕緣紙容易被摩擦力帶動(dòng)產(chǎn)生軸向滑動(dòng)。需要盡可能將絕緣紙包絡(luò)尺寸做大，同時(shí)在插線、壓線過(guò)程中對(duì)絕緣紙底部做好承托。

變截面扁銅線可將電機(jī)銅滿率提升至80%

RIO電驅(qū)動(dòng)咨詢了相關(guān)專家，槽滿率和銅滿率有一些區(qū)別，槽滿率是銅線在槽內(nèi)占據(jù)的面積。計(jì)算時(shí)銅線上的絕緣是不去除的。銅滿率是去掉銅線上的絕緣后計(jì)算的純銅占槽面積的比例。

Fraunhofer IWU（德國(guó)弗勞恩霍夫機(jī)床與成型技術(shù)研究所）通過(guò)使用新的金屬成型生產(chǎn)工藝加工扁銅線，可以將電機(jī)定子銅滿率（非槽滿率）從50%大幅提升至80%。

通常扁線電機(jī)的定子槽是矩形槽，槽內(nèi)插有絕緣紙，涂有絕緣層的（PEEK，PI等）銅線插入矩形槽后灌封固定，為了貼合矩形槽，銅線的截面是同樣也是矩形，且每一層每一根導(dǎo)線截面的名義尺寸（長(zhǎng)x寬）都相同，如下圖所示。

常規(guī)的扁線電機(jī)矩形槽

與常見(jiàn)扁線電機(jī)的矩形槽不同，F(xiàn)raunhofer IWU將電機(jī)定子槽設(shè)計(jì)成梯形，對(duì)應(yīng)著銅線也經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)：銅線采用變截面設(shè)計(jì)，為保持相同的載流能力，每一層銅線截面積都相等，但是梯形截面的上下底和高都不相等，越靠近電機(jī)軸線的越窄越厚，越遠(yuǎn)離電機(jī)軸線的越寬越薄。

采用梯形槽的扁線電機(jī)

變截面的繞組

上圖是一個(gè)展示樣品，可以明顯看到上方的銅線比底部的銅線更窄也更厚（ad）。通過(guò)梯形槽的應(yīng)用，可以最大限度地利用電機(jī)內(nèi)部空間，在總體外包絡(luò)不變的前提下實(shí)現(xiàn)更大的電流，進(jìn)而提升電機(jī)的功率密度與扭矩密度。

Fraunhofer IWU研究所推出的變截面扁線成型技術(shù)，不僅能夠顯著提升電機(jī)的性能，同時(shí)還可以極大地減少材料的浪費(fèi)，整套工藝流程幾乎不會(huì)產(chǎn)生廢料。

審核編輯：劉清