槽滿率對電機的影響

什么是槽滿率？

即鐵芯槽內的導體截面積與鐵芯槽口總面積的比值，電機槽滿率越高代表著“銅線在鐵芯槽內填得越滿”。

槽滿率對比示意圖

由上圖可以看出，扁線電機由于槽滿率的大幅提升，已經成為新能源驅動電機的絕對主流。從產品的角度，當然是槽滿率越高越好，但另一方面槽滿率的不斷提高，對扁線電機的制造工藝、設備精度/復雜度都帶來了巨大挑戰。

槽滿率(英文：slot fill factor，取自電機仿真軟件Maxwell)，大部分認為槽滿率是指線圈放入槽內后占用槽有效面積的比值，當然也有人認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。個人認為后者可能更像是銅滿率，但兩種計算都行，因為單純的兩種方式的計算，并不會對電機性能造成實質的影響，但在電機性能的比對中，還是需要統一計算方式的。

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

其中，W為單個槽內導線總個數；

D為導線直徑尺寸（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。

導線

一般認為槽滿率取75%-80%，不大于80%，因為高槽滿率對于線圈散熱有不利影響，當然這是對于初步設定槽滿率時可采用的方案，在最終驗證過程中槽滿率可以低于此數值，但不建議高于此數值。從上式可以看出提高槽滿率的方法有很多，如增加導線直徑尺寸，減少槽有效面積，然而這樣對線圈槽滿率的高低的調整，對于電機的性能幾乎不構成影響，可能與嵌線的難易程度有關。因此，一般說提高槽滿率，一般指在鐵芯槽中盡可能多的放置線匝，即提高W（單個槽內導線總個數）。

電機槽滿率模型

提高槽滿率究竟對電機有何影響呢？首先，提高槽滿率的方法有很多，這里僅指提高線圈匝數的方式提高槽滿率；其次，提高電機的槽滿率，可使電機功率增大，同等功率時電機長度縮短；最后，提高電機的槽滿率可減少相當一部分的銅導線、硅鋼片、鐵磁材料等，增加電機材料的利用率，相對適宜的槽滿率可以有效提高有效材料的比例，降低電機的材料成本。

槽滿率對電機導線集膚效應的影響？那么，導線集膚效應——當導體通以交流電流時，導體斷面上出現的電流分布不均勻，電流密度由導體中心向表面逐漸增加，大部分電流僅沿導體表層流動的一種物理現象，如下圖所示。

集膚效應簡圖

當然，槽滿率的提高，對于扁線定子的制造而言，也提高了一定的難度。

首先，對銅線成型的精度和一致性要求高。銅線成型時，不可能完全與理論數模線型一致，輪廓度、直線度等均存在誤差和波動。所以相比于3D數模，槽內一組銅線在插線時并沒有那么規整。這種不規整會明顯增加銅線入鐵芯槽時的摩擦阻力，需要更大的壓入力才能克服，而壓入力過大會導致插入不到位、銅線擠壓變形或損傷、絕緣紙滑動等一系列問題。槽滿率越高，鐵芯槽內的設計預留間隙就越小，對這種不規整現象的容忍度也越低。

其次，對設備所有對中、導向相關的機構和零件精度要求高。在hairpin插入鐵芯時，需要讓所有槽（48、54、72…）同時與鐵芯槽口精確對中，銅線才能順暢進入鐵芯槽口。槽滿率越高，對中的精度要求就越高。

再者，絕緣紙在入線時滑動的風險增高。槽滿率高意味著入線時銅線與絕緣紙的摩擦力增加，絕緣紙容易被摩擦力帶動產生軸向滑動。需要盡可能將絕緣紙包絡尺寸做大，同時在插線、壓線過程中對絕緣紙底部做好承托。

變截面扁銅線可將電機銅滿率提升至80%

RIO電驅動咨詢了相關專家，槽滿率和銅滿率有一些區別，槽滿率是銅線在槽內占據的面積。計算時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算的純銅占槽面積的比例。

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

通常扁線電機的定子槽是矩形槽，槽內插有絕緣紙，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，且每一層每一根導線截面的名義尺寸（長x寬）都相同，如下圖所示。

常規的扁線電機矩形槽

與常見扁線電機的矩形槽不同，Fraunhofer IWU將電機定子槽設計成梯形，對應著銅線也經過特殊設計：銅線采用變截面設計，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，越靠近電機軸線的越窄越厚，越遠離電機軸線的越寬越薄，如下圖所示。

采用梯形槽的扁線電機

變截面的繞組

上圖是一個展示樣品，可以明顯看到上方的銅線比底部的銅線更窄也更厚（ad）。通過梯形槽的應用，可以最大限度地利用電機內部空間，在總體外包絡不變的前提下實現更大的電流，進而提升電機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，不僅能夠顯著提升電機的性能，同時還可以極大地減少材料的浪費，整套工藝流程幾乎不會產生廢料。

審核編輯：劉清