Comparison of Electrically Excited Synchronous Machines Using Copper and Aluminum Windings in Stator and Rotor

Tianzheng Xiao1; Zi Qiang Zhu*2; Ziad Azar3

1.The University of Sheffield, Sheffield, UK

2.The Hongkong Polytechnic University, Hong Kong, China

3.Siemens Energy Industrial Turbomachinery Ltd., Lincoln, UK

T. Xiao, Z. Q. Zhu and Z. Azar, "Comparison of Electrically Excited Synchronous Machines Using Copper and Aluminum Windings in Stator and Rotor," in CES Transactions on Electrical Machines and Systems, vol. 10, no. 1, pp. 16-27, March 2026, doi: 10.30941/CESTEMS.2026.00008.

摘 要

本文比較了使用銅（Cu）和鋁（AI）繞組的電勵磁同步電機（EESM）在電動汽車（EV）應(yīng)用中用鋁繞組代替銅繞組的可行性，因為鋁繞組的質(zhì)量密度和單位重量成本較低，但電阻率較高，導(dǎo)熱率較低。采用電磁-熱聯(lián)合優(yōu)化方法對四種繞組結(jié)構(gòu)的EESMs進行了優(yōu)化設(shè)計。本研究將僅使用銅繞組的優(yōu)化EESM視為基準。結(jié)果表明，定子銅/轉(zhuǎn)子鋁繞組的EESM的扭矩降低最小（12.1%），且在所有EESM中扭矩質(zhì)量密度最高。同時，雖然定子銅/轉(zhuǎn)子鋁EESM的新歐洲驅(qū)動循環(huán)效率比基準值低1.8%，但單位成本的扭矩高71%，最大轉(zhuǎn)子機械應(yīng)力降低8%。因此，對于電動汽車應(yīng)用而言，考慮到性能和成本之間的權(quán)衡，具有定子銅/轉(zhuǎn)子鋁繞組的EESM有望替代僅采用銅繞組的 EESM。

Abstract

In this paper, electrically excited synchronous machines (EESMs) using copper (Cu) and aluminum (AI) windings are compared for the feasibility of replacing Cu windings with Al windings in electric vehicle (EV) applications since Al windings have lower mass density and cost per weight, but higher resistivity and lower thermal conductivity than Cu windings. The EESMs with four winding configurations are optimized with an electromagnetic-thermal co-optimization method. The optimized EESM with only Cu windings is considered as the baseline in this study. Results show that the EESM with stator-Cu/rotor-Al windings has the least torque reduction (12.1%) compared to the baseline among the three EESMs with Al windings and the highest torque mass density among all EESMs. Meanwhile, although the new European driving cycle efficiency of the stator-Cu/rotor-Al EESM is 1.8% lower than that of the baseline, the torque per cost is 71% higher, and the maximum rotor mechanical stress is 8% lower. Therefore, the EESMs with stator-Cu/rotor-Al windings are prospective substitutions of those with only Cu windings for EV applications considering the trade-off between performance and cost.

EESM電磁熱耦合協(xié)同優(yōu)化方法程序圖

作者信息

肖天正(Graduate Student Member, IEEE)，1998年出生于江西。分別于2019年和2022年獲得華中科技大學(xué)電氣工程學(xué)士和碩士學(xué)位。自2022年以來，他一直在英國謝菲爾德大學(xué)攻讀電氣工程博士學(xué)位。他的研究方向包括永磁和電勵磁同步電機的設(shè)計和分析，以及電機損耗的研究。

諸自強(Fellow, IEEE)，分別于1982年和1984年獲得浙江大學(xué)工程學(xué)士和碩士學(xué)位，1991年獲得英國謝菲爾德大學(xué)電氣工程博士學(xué)位。從 1988 年到 2025 年，他一直在謝菲爾德大學(xué)工作，期間擔(dān)任教授（1997 年至 2025 年）、皇家工程院/西門子研究院主席（2014 年至 2023 年），以及電機與驅(qū)動研究團隊負責(zé)人（2008 年至 2025 年）。自2025年至今擔(dān)任中國香港香港理工大學(xué)講席教授。他是謝菲爾德西門子歌美颯可再生能源研究中心和美的上海電機與控制系統(tǒng)研究中心等四個工業(yè)研究中心的創(chuàng)始主任。他目前的主要研究興趣包括永磁電機及驅(qū)動器的設(shè)計和控制，應(yīng)用范圍從電氣化交通到可再生能源、家用電器、機器人和自動化。他是英國皇家工程院院士、美國電氣與電子工程師協(xié)會（IEEE）、英國工程技術(shù)協(xié)會（IET）、電機工程學(xué)會（CSEE）和中國電工技術(shù)學(xué)會（CES）會士。

Ziad Azar，2003年獲得敘利亞大馬士革大學(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位，2008年和2012年分別獲得英國謝菲爾德大學(xué)電子和電氣工程碩士學(xué)位和電氣工程博士學(xué)位。從2008年到2012年，齊亞德是謝菲爾德大學(xué)的研究助理，主要研究興趣包括永磁以及用于汽車的無磁無刷電機的建模、設(shè)計和分析。從2012年到2024年，Ziad在西門子歌美颯可再生能源公司工作，最后一個職位是技術(shù)開發(fā)經(jīng)理，專注于發(fā)電機技術(shù)及拓撲結(jié)構(gòu)的開發(fā)和驗證，以提高直驅(qū)風(fēng)機的性能、效率和可靠性。Ziad目前是西門子能源工業(yè)渦輪機械公司的投資組合戰(zhàn)略管理主管，負責(zé)產(chǎn)品發(fā)展和所有權(quán)、產(chǎn)品生命周期管理和戰(zhàn)略制定。

《中國電工技術(shù)學(xué)會電機與系統(tǒng)學(xué)報（英文）》(CES TEMS)是中國電工技術(shù)學(xué)會和中國科學(xué)院電工研究所共同主辦、IEEE PELS學(xué)會技術(shù)支持的英文學(xué)術(shù)期刊。期刊發(fā)表國內(nèi)外有關(guān)高性能電機系統(tǒng)、電機驅(qū)動、電力電子、可再生能源系統(tǒng)、電氣化交通等研發(fā)及應(yīng)用領(lǐng)域中原創(chuàng)、前沿學(xué)術(shù)論文。中國工程院院士馬偉明擔(dān)任主編，IEEE 副主席 Don Tan 博士為國際主編。目前已被ESCI、EI、Scopus、 Inspec、Google scholar、IEEE Xplore、中國科學(xué)引文數(shù)據(jù)庫(CSCD) 核心版、DOAJ、CSTPCD、知網(wǎng)、萬方、維普等數(shù)據(jù)庫收錄。

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