Development Trends of Copper-Based Materials for Winding Wires in the Motor and Transformer Industry [SMM Copper Conference]

4月22日，在由上海有色网信息科技股份有限公司（SMM）、上海有色网金属交易中心和山东爱思信息科技有限公司主办，江西铜业股份有限公司、鹰潭陆港控股有限公司主赞，山东恒邦冶炼股份有限公司特邀协办，新煌集团、中条山有色金属集团有限公司协办的CCIE-2025SMM（第二十届）铜业大会暨铜产业博览会——电工输配电产业论坛，国际铜业协会北京代表处首席代表、低碳驱动项目负责人/正高级工程师梁栋对“电机变压器行业绕组线铜基材料发展趋势”这一主题进行了论述。

电动机变压器中铜应用介绍

电线电缆产品分类和应用领域

绕组线应用领域

铜合金绕组线的研究趋势

高性能导线：低氧含量导体、高柔韧性、高强度高导电率。

铜在电动机和变压器中的应用

其列举了铜在电动机和变压器中的应用案例进行了阐述。

电动机变压器的发展趋势

全球的低碳化发展趋势

• 欧盟：2030年温室其它排放比1990年减少55%，2050年达到碳中和

• 日本：2050实现碳中和

• 英国：2045年实现净零排放，2050年实现碳中和

• 加拿大：2050年实现碳中和

• 中国：2030年碳达峰，2060年碳中和

• 截至2023年9月，全球已有超过150个国家承诺碳中和，覆盖了全球80%以上的二氧化碳排放量、GDP和人口。

碳达峰、碳中和的过程就是全社会电气化与再电气化的过程

再电气化的要求需求侧进一步提高能源利用效率

碳达峰、碳中和的过程就是全社会电气化与再电气化的过程；电气化是指将传统能源（如煤炭、石油）驱动的设备或系统转变为电力驱动；再电气化则是在此基础上进一步优化，比如使用可再生能源发电，或者提高电力系统的效率。

不同驱动系统的效率

1840年的蒸汽机热效率估算大概是3%，后面出现的凝汽式蒸汽机为8%，蒸汽机最高的热效率也不过才20%。⇒家用轿车的汽油机热效率普遍在40%以下，柴油机的热效率可以达到40-46%。

电动机驱动系统具有最高的效率，一般在90%以上，最高可以超过95%。

内燃机的热效率

▪内燃机的热效率上限就是卡诺循环，就是说高温热源和低温热源温度差越大，热效率越高；

▪ 热机要达到95%的卡诺循环效率，高温热源的温度需要23000℃；

▪ 卡诺循环是理想情况下的过程，现实过程中温度越高越不容易实现绝热，实际效率远低于卡诺循环；

▪ 现有能量效率超过95%的驱动方式，只有电动机系统。

电动机变压器的高效化的发展方向

➢ 《关于统筹节能降碳和回收利用加快重点领域产品设备更新改造的指导意见》：明确提出到2025年，在运能效达到节能水平（能效2级）及以上的高效节能电机占比较2021年提高超过5个百分点，当年新增高效节能电机占比较2021年提高15个百分点，高效节能变压器占比提高10个百分点以上。

➢ 《工业能效提升行动计划》：围绕电机、变压器、锅炉等通用用能设备，持续开展能效提升专项行动，加大高效用能设备应用力度。

➢ 《2024—2025年节能降碳行动方案》：到2025年，在运高效节能电机、高效节能变压器占比分别提高5个百分点以上、10个百分点以上。

➢ 《电机更新改造和回收利用实施指南（2023年版）》：鼓励电机生产企业加大科技创新，提升能效水平，推动重点行业有关企业排查设备能效水平和运维情况，对能效低于准入水平（能效3级）的电机实施更新改造。

全球高效电动机的发展趋势

其详细介绍了全球多国高效电动机的发展趋势。

提高电动机能效的途径

增加有效材料，降低绕组损耗和铁耗；采用较好的磁性材料和工艺措施以降低铁耗；缩小风扇降低通风损耗；通过设计和工艺措施降低杂散损耗；应用计算机优化设计，降低损耗提高效率；采用永磁转子、铜转子降低转子损耗；结合信息技术、电力电子技术提高系统能效。

新型电动机——双转子电动机

双转子电机的定子位于中间，其中一个转子位于定子内部，一个转子在定子外部

▪ 内外两个转子同步旋转

▪ 电磁线安装在中间定子上以产生磁场

▪ 双转子电机的主要优点是其显著的效率和原、

材料消耗的显著降低（主要是电工钢）。

空心杯电动机

▪ 空心杯电机得名于其转子部分的设计。空心杯电机的转子在结构上突破了传统电机的结构形式，采用的是无铁芯转子，是一个空心的杯状结构，内部环绕着绕组和磁铁。

▪ 这种转子结构彻底消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损耗司时其重量和转动惯量大大降低，从而减少了转子自身的机械能损耗。

▪ 德国的DFFaumhaber 在1958 年研制出斜绕组线圈绕制技术,并经过不断开发和完善，在1965年获得空心杯电机转子线圈斜绕组专利技术正式标志着空心杯电机的诞生。

▪ 空心杯电机主要可以用于灵巧手环节。

新型电动机系统对于铜材料的要求

►空心杯电动机

▪ 导电性要求：空心杯电动机的绕组通常使用高导电性的铜线，以减少电阻和能量损耗，提高电机的效率和性能

▪ 强度要求：虽然空心杯电动机的绕组主要强调导电性，但铜线也需要一定的机械强度，以承受电机运行中的电磁力和离心力。此外，换向器和电刷等部件可能使用铜合金材料，如银铜、铬锆铜等，这些合金在保持较高导电性的同时，具有更好的强度和耐磨性，以适应频繁的电刷接触和电流传输。

►双转子电动机

▪ 导电性要求：双转子电动机的转子绕组通常采用高导电性的铜材料，以降低绕组电阻，减少能量损耗，提高电机的效率和功率密度。铜的导电性能优异，能够有效传导电流，确保电机的正常运行。

▪ 强度要求：双转子电动机的转子结构相对复杂，需要承受较高的机械应力和电磁力。因此，铜材料需要具备足够的强度和韧性，以保证转子在高速旋转和负载变化时的稳定性和可靠性。一些高性能的双转子电动机可能会使用铜合金，这些合金在保持一定导电性的同时，提供了更高的强度和硬度。

铜基材料的发展趋势

电动机高效化——铜扁线

在电动汽车驱动电机领域，扁线电机已经是目前主流的电机绕组形式

与圆线相比，扁线有利于电机槽满率的提升，一般圆线电机的槽满率为50%左右，而扁线电机的槽满率能达到70%以上。

采用扁线可以在定子槽空间不变的条件下，填充更多的铜线，通过更大的电流，产生更强的磁场，进而提升功率密度。

其还对某驱动电机圆线扁线性能对比进行了举例说明。

电动机高效化——铜转子

提高效率；降低温升、运行可靠；减少体积、减轻重量；降低电动机成本。

其对75KW-2 铜转子和铝转子电动机进行了比较。

铜转子还有：焊点多，工艺复杂，强度不稳定；质量控制难度大，一致性差；端环导条需单独加工，成本高；生产效率低，难以规模化生产等问题。

其还对稀土压铸铜合金、高强高导铜合金（高强高导铜合金一般是指σb ≥ 600MPa,导电率≥80 %IACS）等进行了介绍。

高效化铜解决方案——提高导电性

“超级铜”利用石墨烯的导电性和力学性能与铜材料片堆叠制成，实现了石墨烯和铜的优势互补；目前超级铜的导电率可以提高到106-108%IACS。

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