CES TEMS 论文分享｜香港理工大学诸自强等：采用铜线和铝线作为定子和转子绕组的电励磁同步电机的比较研究

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

本文比较了使用铜（Cu）和铝（AI）绕组的电励磁同步电机（EESM）在电动汽车（EV）应用中用铝绕组代替铜绕组的可行性，因为铝绕组的质量密度和单位重量成本较低，但电阻率较高，导热率较低。采用电磁-热联合优化方法对四种绕组结构的EESMs进行了优化设计。本研究将仅使用铜绕组的优化EESM视为基准。结果表明，定子铜/转子铝绕组的EESM的扭矩降低最小（12.1%），且在所有EESM中扭矩质量密度最高。同时，虽然定子铜/转子铝EESM的新欧洲驱动循环效率比基准值低1.8%，但单位成本的扭矩高71%，最大转子机械应力降低8%。因此，对于电动汽车应用而言，考虑到性能和成本之间的权衡，具有定子铜/转子铝绕组的EESM有望替代仅采用铜绕组的 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电磁热耦合协同优化方法程序图

作者信息

肖天正(Graduate Student Member, IEEE)，1998年出生于江西。分别于2019年和2022年获得华中科技大学电气工程学士和硕士学位。自2022年以来，他一直在英国谢菲尔德大学攻读电气工程博士学位。他的研究方向包括永磁和电励磁同步电机的设计和分析，以及电机损耗的研究。

诸自强(Fellow, IEEE)，分别于1982年和1984年获得浙江大学工程学士和硕士学位，1991年获得英国谢菲尔德大学电气工程博士学位。从 1988 年到 2025 年，他一直在谢菲尔德大学工作，期间担任教授（1997 年至 2025 年）、皇家工程院/西门子研究院主席（2014 年至 2023 年），以及电机与驱动研究团队负责人（2008 年至 2025 年）。自2025年至今担任中国香港香港理工大学讲席教授。他是谢菲尔德西门子歌美飒可再生能源研究中心和美的上海电机与控制系统研究中心等四个工业研究中心的创始主任。他目前的主要研究兴趣包括永磁电机及驱动器的设计和控制，应用范围从电气化交通到可再生能源、家用电器、机器人和自动化。他是英国皇家工程院院士、美国电气与电子工程师协会（IEEE）、英国工程技术协会（IET）、电机工程学会（CSEE）和中国电工技术学会（CES）会士。

Ziad Azar，2003年获得叙利亚大马士革大学电气工程学士学位，2008年和2012年分别获得英国谢菲尔德大学电子和电气工程硕士学位和电气工程博士学位。从2008年到2012年，齐亚德是谢菲尔德大学的研究助理，主要研究兴趣包括永磁以及用于汽车的无磁无刷电机的建模、设计和分析。从2012年到2024年，Ziad在西门子歌美飒可再生能源公司工作，最后一个职位是技术开发经理，专注于发电机技术及拓扑结构的开发和验证，以提高直驱风机的性能、效率和可靠性。Ziad目前是西门子能源工业涡轮机械公司的投资组合战略管理主管，负责产品发展和所有权、产品生命周期管理和战略制定。

《中国电工技术学会电机与系统学报（英文）》(CES TEMS)是中国电工技术学会和中国科学院电工研究所共同主办、IEEE PELS学会技术支持的英文学术期刊。期刊发表国内外有关高性能电机系统、电机驱动、电力电子、可再生能源系统、电气化交通等研发及应用领域中原创、前沿学术论文。中国工程院院士马伟明担任主编，IEEE 副主席 Don Tan 博士为国际主编。目前已被ESCI、EI、Scopus、 Inspec、Google scholar、IEEE Xplore、中国科学引文数据库(CSCD) 核心版、DOAJ、CSTPCD、知网、万方、维普等数据库收录。

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