Что такое укладка «Hairpin» (шпилечная обмотка) и что она даёт электродвигателю?

U-образные медные шины повышают коэффициент заполнения паза статора с 50% при классической обмотке до более чем 70%, обеспечивая двигателю как мощность, так и эффективность.
U-образные медные шины повышают коэффициент заполнения паза статора с 50% при классической обмотке до более чем 70%, обеспечивая двигателю как мощность, так и эффективность.

Поделиться этой страницей

Схема обмотки hairpin - это использование вместо круглых медных проводов в статоре электродвигателя прямоугольных медных шин, согнутых в форме буквы U. Такая геометрия позволяет разместить в пазу больше меди, повышая коэффициент заполнения с 45-50% у классической обмотки до уровня свыше 70%; это обеспечивает более сильное магнитное поле, меньшие электрические потери и лучшее тепловое управление. На этой странице мы рассматриваем конструкцию обмотки hairpin, процесс её производства, выигрыши в КПД и плотности мощности, её ограничения, а также то, какие производители перешли на эту технологию.

Основные моменты

  • Обмотка hairpin в пазу статора обеспечивает коэффициент заполнения медью 70% и выше ; в классической обмотке круглым проводом этот показатель обычно составляет 35-50%.
  • Эта технология впервые была применена на серийном автомобиле 2008 Chevrolet Tahoe Hybrid .
  • Преимущества hairpin подтверждены руководством по проектированию двигателя мощностью 160 кВт с постоянными магнитами, вращающегося со скоростью 18 000 об/мин .
  • Более крупное сечение проводника может создавать дополнительные потери переменного тока на высокой частоте из-за скин-эффекта; hairpin не является превосходным вариантом в любых условиях.

Что такое обмотка hairpin и чем она отличается от классической проволочной обмотки?

Момент электродвигателя определяется магнитным полем, создаваемым током, проходящим через пазы статора. А геометрия проводников, несущих этот ток, напрямую влияет на то, насколько эффективен двигатель. В классической обмотке в пазы укладываются круглые медные провода с эмалевой изоляцией; поскольку провода круглые, избавиться от пустот внутри паза невозможно. В обмотке hairpin («шпилька») ту же задачу выполняют шины прямоугольного сечения, согнутые на концах и сваренные друг с другом.

Прямоугольное сечение - это не математическая изысканность, а физический выигрыш: прямоугольные шины заполняют прямоугольное пространство паза гораздо плотнее. Чем больше заполненная площадь, тем сильнее магнитное поле при том же токе и тем больше меди при том же объёме. Остальная часть статора - пакет листов, корпус, архитектура охлаждения - практически не меняется; всё новшество сосредоточено целиком в системе обмотки.

Три варианта обмотки: U-pin, I-pin и непрерывный hairpin

Самый распространённый представитель семейства hairpin - конструкция U-pin: медный провод сгибается в форме U, и два открытых конца вводятся с двух сторон статора, сгибаются и свариваются. В варианте I-pin используются прямые, несогнутые штифты; требуется электрический контакт с обеих сторон, но при этом коэффициент заполнения примерно на 4% выше, чем у U-pin, и может достигать 74%. Непрерывная (continuous/wave) обмотка образуется сгибанием одного провода змейкой на несколько метров и укладывается изнутри в качестве обмоточного мата; её главное отличие в том, что она не требует операции сварки, в отличие от U-pin.

Есть и оригинальная архитектура со стороны изоляции. Между пазом и пакетом листов укладывается изоляционная бумага; сами проводники покрываются лаками высокотемпературных классов, таких как полиамид-имид (PAI), PEEK или PAI+FEP. Сварные концы после операции повторно изолируются порошковым покрытием или полиуретановой смолой.

Коэффициент заполнения медью: ключ к эффективности

Коэффициент заполнения измеряет долю площади в сечении паза статора, приходящуюся на медь. Значения в источниках немного варьируются в зависимости от определения того, что считается "медью"; для круглого провода типичный диапазон составляет 40-50%, для hairpin - 60-73%, в некоторых современных конструкциях - свыше 75%. Величина разницы не вызывает сомнений: hairpin помещает в тот же объем двигателя примерно на 20% больше проводника.

ХарактеристикаОбмотка круглым проводомОбмотка Hairpin
Коэффициент заполнения медьюОколо 40-50%60-73%, в современных конструкциях свыше 75%
Сечение проводникаКруглое, многожильноеПрямоугольная шина
Лобовая часть обмотки (end-winding)Неупорядоченная, объемнаяУпорядоченная, компактная
Бандажировка статора (lacing)ТребуетсяНе требуется
ПроизводствоПреимущественно ручной трудПригодно для полной автоматизации

Влияние этой картины на производительность двигателя читается в трех уровнях. Во-первых, больше меди означает более сильное магнитное поле и более высокий крутящий момент. Во-вторых, оптимизированный путь обмотки сокращает длину проводника; снижаются сопротивление постоянному току и потери в меди, та же мощность производится с меньшими затратами энергии, а запас хода автомобиля увеличивается. В-третьих, более плотно упакованный статор может быть выполнен компактнее - в этом физическая причина роста удельной мощности.

Тепловые характеристики: почему тепло управляется лучше?

В электродвигателе тепло возникает из потерь в проводниках. Обмотка hairpin дает здесь двойной выигрыш: меньшие потери в меди производят меньше тепла, а упорядоченная и компактная структура лобовых частей распределяет выделяемое тепло так, чтобы оно отводилось наружу. Воздушные зазоры между хаотично расположенными проводниками круглого провода действуют как теплоизоляция, тогда как упорядоченная геометрия hairpin устраняет эти зазоры.

Результат - более высокая пропускная способность по току на проводник и более легкое управление температурой. Особенно в сочетании с масляным спрей-охлаждением обмотка hairpin выделяется как решение, одновременно повышающее КПД и удельную мощность двигателей электромобилей. Более низкая и однородная рабочая температура продлевает срок службы изоляционной системы, напрямую улучшая надежность двигателя.

Насколько выгоден hairpin на высоких оборотах?

Здесь всё не так однозначно. Большое сечение проводника hairpin может обернуться недостатком на высоких частотах: эффект вытеснения тока, известный как скин-эффект, приводит к тому, что ток течет только по поверхностному слою проводника, увеличивая эффективное сопротивление. Поскольку с ростом оборотов растет и частота, преимущество hairpin в потерях постоянного тока на высоких оборотах может частично раствориться в потерях переменного тока. Поэтому увеличение коэффициента заполнения не всегда дает преимущество для любой конструкции; выигрыши зависят от частоты, тока и конструкции изоляции.

Тем не менее практические примеры успеха убедительны: преимущества hairpin, 160 кВт мощности и 18 000 об/мин в двигателе с постоянными магнитами такой мощности подтверждена всеобъемлющим руководством по проектированию. Ключевые параметры плоской (hairpin) и круглой проволочной обмотки в высокооборотных PMSM-двигателях до сих пор остаются предметом активных исследований. Есть и интересный противоположный результат: в сравнении ездовых циклов вариант IPMSM с непрерывной обмоткой, не требующий таких затрат, оказался на WLTP-цикле на 0,63% эффективнее. Разница невелика, но вывод ясен: hairpin автоматически не выигрывает во всех условиях и на всех циклах.

Сбалансированное резюме таково: hairpin - это технология, которая не заменит классическую обмотку, а дополнит её. Если учитывать затраты на производство и жизненный цикл, чистая разница в большинстве применений скромнее, чем указывают цифры коэффициента заполнения.

Как производится статор с hairpin-обмоткой: производственная цепочка из четырёх шагов

Lazer kaynağıyla birleşen bakır uçlar, hairpin statörde verimliliği kaynağın homojenliğine emanet ediyor; bir ofset hata, tüm motorun kaderini değiştiriyor.

Производственная история hairpin - вторая половина причины столь высокой привлекательности технологии. Процесс полностью пригоден для автоматизации от начала до конца, и типовая линия состоит из станций формовки проволоки, вставки, расширения, гибки, резки и сварки. Короткое время цикла и растущие объёмы производства снижают удельную стоимость.

  1. Формовка: Плоская медная проволока разматывается и выравнивается, изоляция частично снимается лазером или механически для сварки, проволока отрезается по длине и гнётся. Бесшовная изоляция на поворотах - важнейшее ограничение гибки.
  2. Вставка: Штыри вставляются в пакет статора аксиально. В одном статоре с hairpin-обмоткой обычно используется 3-16 различных геометрий hairpin .
  3. Гибка и сварка: Концы, согнутые по схеме лобовых частей, соединяются электрическим контактом лазерной сваркой; цель - однородная геометрия сварного шва и минимальный тепловой вклад. Лазерная зачистка более стабильна и точна, чем механическая абразивная обработка вращающейся щёткой - по мере износа щётки снимают и медь.
  4. Изоляция и пропитка: Сварные концы повторно изолируются порошковым покрытием или полиуретановой смолой; покрытие защищает от окисления и влаги, весь статор пропитывается.

В тяговых применениях главная сложность - надёжность процесса. Относительная разница высот или боковое смещение hairpin-концов могут привести к дефектам сварки; неисправный сварной шов может не только вызвать дополнительные электрические потери, но и полностью вывести двигатель из строя. Именно поэтому активно сравниваются три различные технологии соединения: сопротивлением, лазером и микроплазменная TIG. Кроме того, ограничения технологической цепочки непрерывной hairpin-технологии изучаются как отдельная инженерная задача.

Какие производители перешли на hairpin-обмотку?

Путь технологии к серийному производству начинается на удивление давно: первое применение Chevrolet Tahoe гибрида 2008 модельного года - в двух двигателях трансмиссии 2ML70. Chevrolet Volt также был оснащён hairpin-двигателем, разработанным компанией Remy. Настоящее же массовое распространение пришло в эпоху электромобилей.

Группа Volkswagen сегодня использует hairpin-статоры в таких моделях, как ID.3, ID.4, Audi e-tron GT и Porsche Taycan. Первой моделью BMW с hairpin-обмоткой стал iX3 . GM в 2021'де представила новую серию двигателей с hairpin-обмоткой - от гибридного ASM мощностью 64 кВт до PSM Hummer EV мощностью 255 кВт. Tesla же в 2023 году объявила, что будет использовать hairpin в своём двигателе нового поколения. JLR также входит в число производителей, сообщивших о применении этой технологии в производстве. В области НИОКР проекты HaPiPro2, поддерживаемого BMW, и RWTH Aachen, AnStaHa от KIT, а также IPANEMA, KIPrEMo и KIKoSA от FAU Erlangen-Nürnberg отражают сотрудничество промышленности и академии в этой сфере. На стороне поставщиков такие игроки, как BorgWarner, Denso и Hitachi, называются определяющими рынок.

Является ли Hairpin Правильным Выбором для Любого Двигателя?

В инженерной практике ответ зависит от рабочего профиля применения. В тяговых двигателях, требующих высокого крутящего момента и плотности мощности на низких и средних оборотах, преимущества hairpin в снижении потерь постоянного тока и термических характеристиках легко превращаются в прибыль; пригодное для автоматизации производство обеспечивает экономию на масштабе. Напротив, в приложениях, работающих на постоянно высоких частотах или там, где объём производства не оправдывает инвестиции в автоматизацию, классическая обмотка по-прежнему остаётся разумным выбором и сохранит своё присутствие в ближайшие годы. Задача проектировщика - выбрать не максимальное число в таблице коэффициента заполнения, а обмотку, дающую наименьшие суммарные потери и стоимость в его собственном цикле - hairpin часто оказывается победителем в этом расчёте, но не всегда.

Источники