CN104426273B - U型电动机的定子线圈绕组结构 - Google Patents

U型电动机的定子线圈绕组结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种U型电动机的定子线圈绕组结构，一方面包括：具备沿圆周方向配置的多个槽，且所述各个槽沿半径方向具备多个层的定子；以U字形状形成，且各圈柱配置于所述各槽的各层，形成发生旋转磁场所需线圈绕组的多个段线圈；另一方面所述多个段线圈中部分段线圈组成第一线圈组，与第一逆变器连接；所述多个段线圈中的剩余段线圈组成第二线圈组，与第二逆变器连接。本发明实施MTPA控制时可减少发生最大转矩所需的电流，且实施FW控制时可减少弱磁电流，减少在各个控制模式下满足性能要求所需的输入电流，进而降低铜耗和提升效率。

Description

U型电动机的定子线圈绕组结构
技术领域
本发明涉及定子线圈绕组结构，具体是，由多个U字形段线圈形成线圈绕组的U型电动机的定子线圈绕组结构。
背景技术
永磁电动机是一种将电能转换成机械能以获得旋转力的装置，其应用范围广泛，包括家用电子产品乃至各种工业用机械。这种电动机的主要结构包括：被固定在外罩或外壳上并卷线圈而随着电源的输入形成旋转磁场的定子；利用定子内部的轴安装并可旋转的转子。定子发生的磁通与转子相互产生作用而发生旋转力矩。
目前，从使用燃烧式发动机的汽车到环保且考虑燃料消耗率的另一形态的汽车，即混合动力汽车或电动汽车方面的研究正如火如荼地展开。混合动力汽车是将现有燃烧式发动机和电动式电动机相互结合，用两种动力源驱动车辆，电动汽车因使用电动式电动机驱动而减少尾气对环境的污染，提升燃料消耗率，做为切合实际的第二代汽车日益受到关注。对于所述混合动力汽车（HEV）或电动汽车（EV）而言，电动机的作用愈来愈重要，甚至可以决定车辆的整体性能，且高输出、小型化电动机的开发日益成为混合动力汽车的热门话题。
HEV、EV用驱动电动机是为满足既定电压（即电池电压）所需性能，需要最大转矩电流比控制（Maximum Torque Per Ampere, MTPA）或弱磁控制（Flux Weakening,FW），设计电动机时会考虑有限电压、电流规格的前提下设计空载反电动势。
一般而言，实施MTPA控制时，空载反电动势越高，为获取最大转矩所需电流越少。电流减少会增加效率，因此从MTPA控制方面，把空载反电动势设计得大一些会更有利。但，空载反电动势高，则在高速运转领域，因电压不足，无法完全满足所需性能。就是说，空载反电动势高，会从高速运转领域的FW控制方面造成不利效果。
相反，在高速运转领域实施FW时，空载反电动势越低越有利。因为磁通或弱磁电流减少，可以减少铜耗和提升效率。但空载反电动势低，则从前述的MTPA控制方面反而会造成不利效果。就是说，根据有限的电流规格，无法满足最大转矩。
因考虑到MTPA控制和FW控制，将空载反电动势设计得高，则根据建议的电压，无法满足高速运转区域的性能，或者弱磁电流增加而使铜耗增加，空载反电动势设计得低，则到基础速度为止为获得最大转矩所需的电流增加而在有限的电流规格内无法满足最大转矩，或者铜耗增加而效率低下。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实施MTPA控制时减少发生最大转矩所需的电流，且实施FW控制时还减少弱磁电流，减少在各个控制模式下满足性能要求所需的输入电流，进而降低铜耗和提升效率的U型电动机定子线圈绕组结构。
为了达到上述目的，本发明提供一种U型电动机的定子线圈绕组结构，其中：
包括：
具备沿圆周方向配置的多个槽，且各个所述槽沿半径方向具备多个层的定子；
以U字形状形成，且各圈柱配置于各所述槽的各层，形成发生旋转磁场所需线圈绕组的多个段线圈；
多个所述段线圈中部分段线圈组成第一线圈组，与第一逆变器连接；
多个所述段线圈中的剩余段线圈组成第二线圈组，与第二逆变器连接。
所述第一、二逆变器可以向所述第一线圈组或所述第二线圈组分别独立施加电流。
组成所述第一线圈组的部分段线圈占多个所述段线圈中的一半。
实施最大转矩电流比控制时向所述第一线圈组和所述第二线圈组全部施加电流。
在基准值以上的高速运转区段实施弱磁控制时，向所述第一线圈组或所述第二线圈组选择性地施加电流。
所述第一线圈组由在多个所述槽中占第偶数次槽的段线圈组成；
所述第二线圈组上在多个所述槽中占第奇数次槽的段线圈组成。
所述第一线圈组由在各所述槽内占半径方向外侧层的段线圈组成；
所述第二线圈组由在各所述槽内占半径方向内侧层的段线圈组成。
所述第一线圈组由在各所述槽内占半径方向内侧层的段线圈组成；
所述第二线圈组由在各所述槽内占半径方向外侧层的段线圈组成。
一种U型电动机的定子线圈绕组结构，其中：
包括：
具备沿圆周方向配置的多个槽，且所述槽沿半径方向具备多个层的定子；
以U字形状形成，且各圈柱配置于各所述槽的各层而形成发生旋转磁场所需线圈绕组的多个段线圈；
多个所述段线圈中部分段线圈组成第一线圈组，剩余段线圈则组成第二线圈组；
对于所述第一、二线圈组可以分别独立施加电流。
包括：
连接于所述第一线圈组而向所述第一线圈组施加电流的第一逆变器；以及
连接于所述第二线圈组而向所述第二线圈组施加电流的第二逆变器。
所述第一、二逆变器是向所述第一线圈组或所述第二线圈组选择性地施加电流，或者向所述第一线圈组或所述第二线圈组可全部施加电流地形成。
实施最大转矩电流比控制时向所述第一线圈组和所述第二线圈组全部施加电流；
在基准值以上的高速运转区段实施弱磁控制时向所述第一线圈组或所述第二线圈组选择性地施加电流。
所述第一线圈组由在多个所述槽中占第偶数次槽的段线圈组成；
所述第二线圈组由在多个所述槽中占第奇数次槽的段线圈组成。
一种U型电动机的定子线圈绕组结构，其中：
包括：
具备沿圆周方向配置的多个槽，且各个所述槽沿半径方向具备多个层的定子；
以U字状形成，且各圈柱配置于各所述槽的各层而形成发生旋转磁场所需线圈绕组的多个段线圈；
向多个所述段线圈施加电流的多个逆变器；
多个所述段线圈组成多个线圈组；
各所述逆变器连接于各段线圈组而向各所述线圈组独立施加电流。
多个所述逆变器向所述线圈组全部施加电流，或者可向多个所述线圈组中部分线圈组选择性地施加电流地形成。
采用上述方案后，本发明通过线圈绕组结构具备第一、二线圈组以及与此分别连接的第一、二逆变器，可以按需从第一、二线圈组中选择使用，或者将第一、二线圈组全部使用以驱动电动机。根据本发明的定子线圈绕组结构，可以把空载反电动势充分设计得高，以减少实施MTPA控制时发生最大转矩所需的电流，在高速运转区段实施FW控制时只需使用整个线圈绕组中的一半，从而减少弱磁电流。
附图说明
图1是显示本发明的U型电动机定子的概略图；
图2是显示图1中图示的U型电动机定子上卷绕线圈的模样概略图；
图3是显示本发明一个实施例的U型电动机定子线圈绕组结构的概略图；
图4的（a）和（b）分别是显示应用图3中图示的定子线圈绕组结构时出现的效果即电流减少和效率上升的测试结果图；
图5是显示图3中图示的定子线圈绕组结构变形例的概略图。
图中：
100:定子;110:齿;
120:槽;121:层(layer);
200:段线圈;W1:第一线圈组;
W2:第二线圈组;310:第一逆变器;
320:第二逆变器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。而且说明本发明时，若对有关的公知功能或者结构的具体说明使本发明宗旨变得模糊则省略该说明。
图1是显示本发明的U型电动机定子的概略图。
根据图1，U型电动机具备大概以圆形环状形成的定子100。定子100的内侧周围面具备分别向半径方向内侧延长形成的多个齿（teeth）110。多个齿110可以沿着定子100的内侧周围面向圆周方向配置，各齿110之间可以沿圆周方向按既定间隔分离配置。
如上所述，沿圆周方向相分离的各齿110之间形成槽（slot）120。定子100上有多个齿110向圆周方向配置，各齿110之间的槽120也可以沿圆周方向形成多个。
各槽120可以沿半径方向延长既定程度形成，为线圈的绕组（winding）提供空间。各槽120沿半径方向具备多个层（layer）121。本实施例中，各槽120具备两个层121。但，各槽120内层121的数量根据设计规格可以实施增减变动。
U型电动机可以具备在定子100上绕组的线圈。如公知的技术，线圈被输入电流后为转子（rotor）的旋转驱动而发生旋转磁场。U型电动机可以由所述线圈绕组分割成多个的段线圈（segment coil）200组成。
具体是，U型电动机的线圈绕组可以把分割成多个的U字形段线圈200分别插入各槽120而连结形成。各段线圈200大概形成直线状，具备槽120内收容的一对圈柱（leg）和连接各圈柱的转向部分（turn portion）。段线圈200的各个圈柱插入各槽120内各层121连结而占有各层121，露出槽120外侧的各圈柱的端部与其它段线圈200的圈柱被焊接接合而形成整体的线圈绕组。
所述方式的线圈绕组可以使各扁平线圈（flat coil）的绕组作业变得容易。也可以使用扁平线圈提升线圈填充系数。U字形段线圈200在业内也称为‘发夹（hair-pin）’。通过发夹组成线圈绕组的电动机也称为‘发夹型电动机’。
虽然无图示，但U型电动机配置于所述定子100半径方向的内侧，具备以旋转轴（图1中上下方向的旋转轴）为中心旋转驱动的转子（rotor）。但，所述转子与本发明的技术宗旨有一定距离，故不再详述。
图2是显示图1中图示的U型电动机的定子上卷绕线圈的模样的概略图。
图2是图1中图示的定子100的各槽120各层121都配置段线圈200的模样的平面图示。
根据图2，U型电动机的各槽120的各层121都被收容段线圈200的圈柱。例如，在本实施例，一个槽120向半径方向具备两个层121，因此一个槽120向半径方向可以配置两个段线圈200。图2中大概以长方形形态图示各槽120内各层121上配置的各段线圈200的圈柱。
各段线圈200根据设计规格，露出槽120外部的圈柱侧端部被用电连接（例如，焊接接合）而形成整体的线圈绕组。
图3是显示本发明一个实施例的U型电动机定子线圈绕组结构的概略图。
根据图3，本实施例的U型电动机的线圈绕组结构包括连接于第一逆变器310的第一线圈组W1、连接于第二逆变器320的第二线圈组W2。第一线圈组W1可以由各槽内占有各层的多个段线圈中的部分段线圈组成，第二线圈组W2可以由除所述部分段线圈200之外的剩余段线圈组成。
具体是，第一线圈组W1由沿圆周方向配置的多个槽中占第偶数次槽120a的段线圈200组成，第二段线圈W2由沿圆周方向配置的多个槽中占第奇数次槽120b的段线圈200组成。就是说，第偶数次槽120a内配置的各段线圈200与第一逆变器310连接，第奇数次槽120b内配置的各段线圈200与第二逆变器320连接。此时，所述第偶数次或第奇数次是为了把多个槽按配置顺序区分而指的名称，并不是对特定编号的槽等进行限制。
在上述情况下，沿圆周方向配置的多个槽中配置于一半槽120a的段线圈200组成第一线圈组W1，与第一逆变器310连接，其余一半槽120b内配置的段线圈200组成第二线圈组W2，与第二逆变器320连接。此时，第一逆变器310、第二逆变器320可以以相互独立施加电流的方式形成。就是说，通过第一逆变器310，选择只向第一线圈组W1施加电流，或者通过第二逆变器，选择只向第二线圈组W2施加电流。也可以通过第一逆变器310、第二逆变器320，对第一线圈组W1、第二线圈组W2全部施加电流。
如上所述选择性地施加电流，则从电动机的驱动上只用第一线圈组W1或第二线圈组W2，或者将第一线圈组W1、第二线圈组W2全部使用驱动电动机的两种驱动模式均可适用。例如，在基准值以上的高速运转区段，选择只对第一线圈组W1或第二线圈组W2施加电流，将整个线圈绕组中的一半用于驱动，或者对第一线圈组W1、第二线圈组W2全部施加电流，实施最大转矩电流比控制(Maximum Torque Per Ampere, MTPA)。
就是说，在基准值以上的高速运转区段，通过第一逆变器310或者第二逆变器320，选择只对第一线圈组W1或第二线圈组W2施加电流。此时，可以只用整个线圈组（第一线圈组W1和第二线圈组W2）或整个段线圈200的一半来驱动电动机，由此在高速运转区段实施弱磁控制（Flux Weakening, FW）时减少弱磁电流。弱磁电流减少，最终会减少铜耗（copperloss），增加电动机的效率。
在MTPA控制区段，可以通过第一逆变器310、第二逆变器320对第一线圈组W1、第二线圈组W2全部施加电流。根据本实施例，可以考虑MTPA控制，将整体线圈组（第一线圈组W1和第二线圈组W2）的空载反电动势（back electromotive force）充分地设计地大一些。空载反电动势设计得大，则在高速运转区段，只使用整个线圈组（第一线圈组W1和第二线圈组W2）中的一半，从而减少磁通和实现弱磁控制。随之空载反电动势设计得高的状态下实施MTPA控制，则减少获得最大转矩所需电流，进而减少铜耗和提升电动机的效率。
图4的（a）和（b）分别是显示应用图3中图示的定子线圈绕组结构时出现的电流减少和效率提升效果的测试结果图。
图4是对通过一个逆变器施加电流的现有模型和如图3通过第一逆变器310、第二逆变器320选择性地施加电流的本实施例（二级绕组应用模型）进行比较的结果，图4的（a）显示的是高速运转区段的电流减少效果，图4的（b）显示因电流减少而出现的效率提升效果。
根据图4的（a），本实施例是在高速运转区段（3000rpm以上）选择使用一个线圈组（第一线圈组W1或第二线圈组W2，因此得知在实施弱磁控制时电流会减少，根据图4的（b），随着电流的减少，可以比现有模型更加提升效率。
另一方面，本实施例中，如图3所示，对第偶数次槽120a和第奇数次槽120b进行区分，组成第一线圈组W1、第二线圈组W2，但所述结构可以按需进行多种变更。就是说，本实施例的第一线圈组W1、第二线圈组W2对于从整体线圈绕组或段线圈中选择部分线圈绕组或段线圈的结构均可应用，不限于槽内配置形态。
图5是显示图3中图示的定子线圈绕组结构变形例的概略图。
根据图5，作为一例，第一线圈组W1、第二线圈组W2可以分别由配置于半径方向外侧层121a的段线圈200，以及配置于半径方向内侧层121b的段线圈200组成。就是说，各槽120内配置于半径方向外侧层121a的段线圈200组成第一线圈组W1，与第一逆变器310连接，各槽120内配置于半径方向内侧层121b的段线圈200组成第二线圈组W2，与第二逆变器320连接。
而且在上述情况下，第一逆变器310、第二逆变器320会分别向第一线圈组W1或第二线圈组W2施加电流，按需使用整个线圈绕组的一半或者使用整个线圈绕组来驱动电动机。与根据图3叙述的内容相似。
如上所述，本发明实施例的定子线圈结构具备第一线圈组W1、第二线圈组W2以及与此连接的第一逆变器310、第二逆变器320，可以按需从第一线圈组W1、第二线圈组W2中选择使用，或者将第一线圈组W1、第二线圈组W2全部使用，以驱动电动机。随之，可以把空载反电动势充分设计得高，减少实施MTPA控制时发生最大转矩所需的电流，在高速运转区段实施FW控制时只需使用整个线圈绕组中的一半也可以减少弱磁电流。因此，本发明实施例的定子线圈绕组结构是在实施MTPA控制或FW控制时，也可以随着电流的减少降低铜耗和提升效率。
进一步，本发明实施例的定子线圈绕组结构是整个段线圈200分成两个组（即第一线圈组W1、第二线圈组W2），由此减少各段线圈200用电连接所需的焊接接合点或电瓶线的数量。一般对U型电动机而言，对各段线圈200的接合所用焊接或电瓶线的连接比较难，因此如上所述，如果焊接处或电瓶线的数量减少，则更加便于进行制作或绕组作业。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所述的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例所述技术方案的范围。本发明的保护范围应根据下述的权利要求范围进行解释，而且在其同等范围内的所有技术方案应都属于本发明的权利要求范围。

Claims (12)

1.一种U型电动机的定子线圈绕组结构，其特征在于：
包括：
具备沿圆周方向配置的多个槽，且各个所述槽沿半径方向具备多个层的定子；
以U字形状形成，且各圈柱配置于各所述槽的各层，形成发生旋转磁场所需线圈绕组的多个段线圈；
多个所述段线圈中的部分段线圈组成第一线圈组，与第一逆变器连接；
多个所述段线圈中的剩余段线圈组成第二线圈组，与第二逆变器连接，
其中，实施最大转矩电流比控制时向所述第一线圈组和所述第二线圈组全部施加电流；且在基准值以上的高速运转区段实施弱磁控制时，向所述第一线圈组或所述第二线圈组选择性地施加电流。
2.根据权利要求1所述的U型电动机的定子线圈绕组结构，其特征在于：所述第一逆变器和所述第二逆变器能够向所述第一线圈组或所述第二线圈组分别独立施加电流。
3.根据权利要求1所述的U型电动机的定子线圈绕组结构，其特征在于：
组成所述第一线圈组的部分段线圈占多个所述段线圈中的一半。
4.根据权利要求1所述的U型电动机的定子线圈绕组结构，其特征在于：
所述第一线圈组由在多个所述槽中占第偶数次槽的段线圈组成；
所述第二线圈组由在多个所述槽中占第奇数次槽的段线圈组成。
5.根据权利要求1所述的U型电动机的定子线圈绕组结构，其特征在于：
所述第一线圈组由在各所述槽内占半径方向外侧层的段线圈组成；
所述第二线圈组由在各所述槽内占半径方向内侧层的段线圈组成。
6.根据权利要求1所述的U型电动机的定子线圈绕组结构，其特征在于：
所述第一线圈组由在各所述槽内占半径方向内侧层的段线圈组成；
所述第二线圈组由在各所述槽内占半径方向外侧层的段线圈组成。
7.一种U型电动机的定子线圈绕组结构，其特征在于：
包括：
具备沿圆周方向配置的多个槽，且所述槽沿半径方向具备多个层的定子；
以U字形状形成，且各圈柱配置于各所述槽的各层而形成发生旋转磁场所需线圈绕组的多个段线圈；
多个所述段线圈中的部分段线圈组成第一线圈组，剩余段线圈则组成第二线圈组；
对于所述第一线圈组和所述第二线圈组能够分别独立施加电流，
其中，实施最大转矩电流比控制时向所述第一线圈组和所述第二线圈组全部施加电流；在基准值以上的高速运转区段实施弱磁控制时向所述第一线圈组或所述第二线圈组选择性地施加电流。
8.根据权利要求7所述的U型电动机的定子线圈绕组结构，其特征在于：包括：
连接于所述第一线圈组而向所述第一线圈组施加电流的第一逆变器；以及
连接于所述第二线圈组而向所述第二线圈组施加电流的第二逆变器。
9.根据权利要求8所述的U型电动机的定子线圈绕组结构，其特征在于：
所述第一逆变器和所述第二逆变器形成为使得能分别向所述第一线圈组或所述第二线圈组选择性地施加电流或者能向所述第一线圈组和所述第二线圈组全部施加电流。
10.根据权利要求7所述的U型电动机的定子线圈绕组结构，其特征在于：
所述第一线圈组由在多个所述槽中占第偶数次槽的段线圈组成；
所述第二线圈组由在多个所述槽中占第奇数次槽的段线圈组成。
11.一种U型电动机的定子线圈绕组结构，其特征在于：
包括：
具备沿圆周方向配置的多个槽，且各个所述槽沿半径方向具备多个层的定子；
以U字状形成，且各圈柱配置于各所述槽的各层而形成发生旋转磁场所需线圈绕组的多个段线圈；
向多个所述段线圈施加电流的多个逆变器；
多个所述段线圈组成多个线圈组；
各所述逆变器连接于各段线圈组而向各所述线圈组独立施加电流，
其中，实施最大转矩电流比控制时向各所述线圈组全部施加电流；
在基准值以上的高速运转区段实施弱磁控制时向各所述线圈组选择性地施加电流。
12.根据权利要求11所述的U型电动机的定子线圈绕组结构，其特征在于：
多个所述逆变器形成为能向所述线圈组全部施加电流，或者能向多个所述线圈组中的部分线圈组选择性地施加电流。
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