CN108418376B - 一种高功率密度的电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高功率密度的电机，包括定子组件和外转子，其定子组件包括定子铁芯、绝缘骨架、定子绕组、定子衬套、端部集电环及端部绝缘板，定子衬套具有轴向内孔供电机转轴安装连接，定子铁芯及端部绝缘板分别具有内孔并分别套接于定子衬套的上、下两段之外，端部集电环安装于端部绝缘板表面并与定子铁芯保持有轴向间隙，端部集电环在远离定子铁芯的一面设有接线柱，在定子槽漆包线及槽绝缘部件的外部、端部绝缘板与定子铁芯轴向间隙空间以及装配后的定子铁芯、绝缘骨架、定子绕组、端部集电环及漆包线的外表面具有由高导热材料灌封而成的导热体，接线柱伸出导热体表面。本发明提高了电机的散热能力及电机在一定转速下输出扭矩的能力。

Description

一种高功率密度的电机

技术领域

本发明属于电动摩托车驱动电机技术领域，具体涉及一种高功率密度的永磁同步电机结构。

背景技术

高速永磁同步电机以其良好的性能和较高的效率，被广泛应用于电动和混合动力汽车中。目前，越来越多的电动摩托车也采用高速永磁同步电机作为动力来源。由于摩托车动力系统安装空间有限，故要求永磁同步电机具有很高的功率密度。要提高电机的功率密度，主要有两个途径：提高电机的输出功率(电负荷与磁负荷)、减小电机的体积质量。

但是，提高电机的输出功率与减小电机的体积是相互矛盾的。为减小电机的体积，通常采用的是表贴式外转子的电机结构，但表贴式外转子电机的定子位于电机的内侧，其与外部空间的连接被转子及气隙隔断，电机的散热受到一定的影响，电机的温升较快，稳态温度较高，电机输出的峰值功率受到限制，功率密度提高效果不明显。为提高电机的输出功率，需要提高电机每相串联匝数及定子每槽的槽满率。在一定的槽空间内，绕尽量多、尽量粗的线是有困难的，这样就需要稍稍提高电机的体积以增大电机的槽面积，功率密度提高的程度也受到影响。另外，电机的体积越小，槽满率越高，电机的散热能力就越差，导致电机的稳态温度升高，输出的峰值功率降低。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种高功率密度电机的结构，旨在解决以上矛盾，最大限度地提高电机的功率密度，使其在电动摩托车有限的动力系统安装空间下，输出更大的马力。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种高功率密度的电机，包括定子组件和外转子，定子组件包括定子铁芯、绝缘骨架、缠绕于定子铁芯及绝缘骨架上的定子绕组、定子衬套、端部集电环及由绝缘材料制作的端部绝缘板，定子衬套具有轴向内孔供电机转轴安装连接，定子铁芯及端部绝缘板分别具有内孔并分别套接于定子衬套的上、下两段之外，端部集电环安装于端部绝缘板表面并与定子铁芯保持有轴向间隙，端部集电环在远离定子铁芯的一面设有接线柱，在定子槽漆包线及槽绝缘部件的外部、端部绝缘板与定子铁芯轴向间隙空间以及装配后的定子铁芯、绝缘骨架、定子绕组、端部集电环及漆包线的外表面具有由高导热材料灌封而成的导热体，接线柱伸出导热体表面。

所述电机定子铁芯由环状的定子轭及若干个均布于定子轭外圆周的向外辐射延伸的独立的定子齿装配而成，每个定子齿由多片形状相同的硅钢片叠压而成，定子齿包括齿臂和极靴，定子轭外圆周具有装配槽供齿臂插入。

齿臂在轴向上为两头窄中段宽的结构，所述绝缘骨架包括罩设于齿臂两头的上盖和下盖，上盖和下盖之间具有轴向间距，处于轴向间距范围的齿臂的外表面覆盖有槽绝缘纸，绝缘骨架上盖、槽绝缘纸及绝缘骨架下盖的外侧面位于同一平面，从而为齿臂提供完整连续的绝缘表面，漆包线绕设于齿臂的绝缘表面之上。

绝缘骨架由若干对上骨架及下骨架组成，每对上骨架及下骨架分别罩设于同一个齿的顶部和底部，上骨架由上环部、由上环部沿直径方向向外辐射的上盖及位于上盖远径端的线圈上挡板构成，若干个上骨架的上环部围合成环状罩于定子轭的顶部，下骨架包括下环部、由下环部沿直径方向向外辐射的下盖及位于下盖远径端的线圈下挡板构成，若干个下骨架的下环部围合成环状罩于定子轭的底部。

所述定子衬套外表面为变径结构，定子铁芯套接于小径段，端部绝缘板套接于大径段。

所述端部集电环由公共点集电环与相汇流集电环构成，端部绝缘板正面设有在平面上互不干涉的第一环形槽和第二环形槽，在端部绝缘板背面设有第一环形槽，公共点集电环具有闭合的环体及由环体向外伸出的若干绕组接头，公共点集电环的环体安装于端部绝缘板正面的第二环形槽内，公共点集电环的绕组接头伸出于端部绝缘板的外部；相汇流集电环有若干块，每一块相汇流集电环具有一弧形环体，每一弧形环体由左环体、右环体及衔接于两者之间的转接部构成，左环体或右环体的其中之一嵌装于端部绝缘板背面的第一环形槽，左环体或右环体的另外之一嵌装于端部绝缘板正面第一环形槽内，端部绝缘板开设有通槽供相汇流集电环的转接部穿过，弧形环体的两侧分别伸出绕组接头和接线柱。

所述外转子为表贴式外转子，包括转轴、若干块弧形磁钢及转子背铁，转子背铁由套筒部及位于套筒部其中一端的端盖部构成，套筒部及端盖部一体成形，弧形磁钢按N、S极相间的规律沿圆周方向均匀排布于套筒部内壁，端盖部开设有多个圆形通孔，圆形通孔的数量为弧形磁钢数量的一半，圆形通孔的圆心与弧形磁钢中的中心位于同一直径上。

转轴穿过电机定子衬套中安装的轴承。

采用上述技术方案后，本发明具有以下效果：

1.对于外径一定的电机，与内转子相比，外转子可以得到较大的气隙直径。由于电机的电磁转矩与气隙直径的二次方成正比关系，使外转子电机的长度和重量可以减小，具有较高的转矩密度(功率密度)。另外，电机定子采用导热材料灌封，电机的散热能力会大大改善，将正好补偿小体积外转子电机散热不良造成的影响。

2.在电机体积和定子槽面积一定的情况下，本发明采用的齿轭分离、独立齿结构的定子齿可以绕更多的、更粗的漆包线，即可以提高电机定子绕组的匝数及槽满率。电机定子绕组的匝数越多，电机的电负荷越大，相同转速下输出的电机功率越大；电机定子的槽满率越高，定子绕组的电流密度越小，定子绕组的发热量越小，定子的温升量越小，相同转速下输出的峰值扭矩会越大。

3.电机端部采用铜集电环过线，替代传统电机的端部飞线结构，可有效减小电机上非有效导体的电阻。同时，导电环与线圈的连接采用压接和焊接方式，导电环铜柱和铜板采用电阻对焊方式，可有效地减小接触电阻。电机导体的电阻越小，铜耗越小，定子的温升量越小，电机输出的峰值扭矩会越大。另外，电机端部采用导电环结构，可以将电机和控制器设计成一体式结构，控制器电路板通过螺钉可以直接安装在电机端部，有效地缩小了电动摩托车动力系统的体积，降低了成本。

4.电机定子采用导热材料灌封，同时提高了电机的绝缘防护能力。

总体来说，本发明的电机定子采用导热材料灌封，可以提高电机的散热能力，能尽量提高电机在一定转速下输出扭矩的能力。电机定子主要由齿轭分离式铁芯、双层集中绕组、端部定子导电环、定子衬套和定子绝缘组成。采用齿轭分离式铁芯、改进铁芯绝缘结构和双层集中绕组结构，可以提高绕线的便利性，增大绕线空间，从而在一定的电机体积和定子槽面积下绕匝数更多、直径更大的漆包线，有效提高电机的电负荷和输出功率。定子端部采用导线环引线，既可以减小电机的相电阻，降低电机的损耗，也可以提高电机的紧凑度，从而减小电机的端部长度和体积。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明，其中：

图1a是本发明电机定子总成(导热材料灌封)的正面轴测图；

图1b是本发明电机定子总成(导热材料灌封)的背面轴测图；

图2是本发明电机定子组件(未灌封)的轴测图；

图3a是本发明电机定子去除绕组后的主视图；

图3b是本发明电机定子去除绕组后的剖视图；

图4是本发明的定子铁芯示意图；

图5是本发明漆包线绕于定子铁芯与绝缘骨架外的剖视图；

图6是配对的绝缘骨架示意图；

图7是定子衬套结构示意图；

图8a是本发明的端部绝缘板的正面示意图；

图8b是本发明的端部绝缘板的反面示意图；

图9是本发明的公共点集电环的示意图；

图10是本发明的单个相汇流集电环的示意图；

图11是本发明电机端部集电环与端部绝缘板组合件的正面示意图；

图12是本表贴式外转子的结构示意图；

附图标记：

1定子组件；11.定子铁芯；11.1定子轭；11.2定子齿；12.定子衬套；12.1小径段；12.2大径段；12.3法兰；13.端部绝缘板；13.1缺口；13.2开口；13.3槽外壁；13.4槽内壁；13.5内环形槽；13.6外环形槽；13.7通槽；14端部集电环；141.公共点集电环；141.1公共点集电环环体；141.2公共点集电环绕组接头；142.相汇流集电环；142.1左环体；142.2相汇流集电环接线柱；142.2’A相相汇流集电环接线柱；142.2”B相相汇流集电环接线柱；142.2”’C相相汇流集电环接线柱；142.3相汇流集电环绕组接头；142.3’A相相汇流集电环绕组接头；142.3”B相相汇流集电环绕组接头；142.3”’C相相汇流集电环绕组接头；142.4右环体；142.5转接部；15.定子绕组；16电机控制器电路板；17导热体；18绝缘骨架；18.1上骨架；18.2下骨架；18.3绝缘槽纸；19定子槽；2.转子；21磁钢；22背铁；221套筒部；222端盖部；223通孔；23转轴。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明公开了一种具有高功率密度的永磁同步电机结构，包括定子组件1和转子2。定子组件1包括定子铁芯11、绝缘骨架18、缠绕于定子铁芯及绝缘骨架上的定子绕组15、定子衬套12、端部集电环14及由绝缘材料制作的端部绝缘板13。定子铁芯11上缠绕着漆包线，构成了定子线圈，相邻两齿上的线圈构成一组定子绕组15，每组绕组两端分别引出两个抽头。

如图7所示的定子衬套12具有轴向内孔供电机转轴安装连接。定子衬套外表面为变径结构，定子铁芯及端部绝缘板分别具有内孔与之过盈配合连接，定子铁芯套接于小径段，端部绝缘板套接于大径段。定子铁芯与端部绝缘板分别安装于定子衬套轴向的不同部位，互不干涉。定子衬套12外壁设有定位槽，与之对应，定子铁芯11内孔壁设有定位齿；定位槽与定位齿相互配合，提高了连接的可靠性。

端部集电环14安装于端部绝缘板13表面并与定子铁芯保持有轴向间隙，端部集电环在远离定子铁芯的一面设有接线柱，在定子槽漆包线及槽绝缘部件的外部、端部绝缘板与定子铁芯轴向间隙空间以及装配后的定子铁芯、绝缘骨架、定子绕组、端部集电环及漆包线的外表面具有由高导热材料灌封而成的导热体，接线柱伸出导热体表面。如图1a及图1b所示，为灌封后的定子的示意图。

端部集电环14主要包括有如图9所示的公共点集电环141和若干个如图10所示的相汇流集电环142。公共点集电环141具有闭合的环体141.1及由环体向外伸出的六个绕组接头141.2。

相汇流集电环142有三块，每一块相汇流集电环142具有一弧形环体，相邻的两块相汇流集电环的环形弧体在端部重叠，三块相汇流集电环则构成一个完整的环形。如图10所示，每一块相汇流集电环142的弧形环体由左环体142.1、右环体142.4及衔接两者之间的转接部142.5构成，左环体142.1和右环体142.4位于不同的平面上。左环体和右环体分别在其末端向同侧伸出相汇流集电环绕组接头142.3，在左环体上向另一侧突出相汇流集电环接线柱142.2。

本例中的相汇流集电环采用的三块拼装的方式，在实际应用中并不限于此，只要满足相汇流集电环的弧形环体相互重叠后能构成一个完整的环，且环体端部焊接或铆接有接线柱的要求，均适用于本发明的构想。

端部绝缘板13用高绝缘等级的材料制作，具有很好的绝缘防护作用，其正面及背面都开有槽。如图8a所示，端部绝缘板13的正面具有内环形槽13.5和外环形槽13.6。图8b所示，端部绝缘板13的背面具有外环形槽13.6。公共点集电环141的环体安装于内环形槽13.5内，相汇流集电环的左环体安装于端部绝缘板13背面的外环形槽13.6内，而其右环体位于端部绝缘板13正面的外环形槽13.6内，位于左环体与右环体通过两者之间的转接部142.5穿过通槽13.7，使相汇流集电环的环体一半位于端部绝缘板的背面，而另一半位于端部绝缘板的正面。

外环形槽13.6由槽内壁13.4及槽外壁13.3限定而成，槽外壁13.3具有与绕组接头数量相符的缺口13.1，槽内壁13.4也留有较阔的缺口，用来供公共点集电环的绕组接头向外伸出于端部绝缘板之外，从而与电机绕组的抽头相连，绕组接头与抽头的连接采用压接和焊接方式，这种结构，不仅连接可靠，而且接触电阻很小，可以有效减小电机的发热量，使电机能够输出更大的峰值功率。端部绝缘板板体上还均布有三个开口13.2，相汇流集电环接线柱142.2从端部绝缘板的背面穿过所述开口13.2立于端部绝缘板的正面。

如图11所示为相汇流集电环、公共点集电环及端部绝缘板组装后的示意图，从图中可以看到，相邻的两块相汇流集电环在两端均有重合，每一块相汇流集电环的接线柱142.2均位于公共点集电环每对公共点集电环绕组接头141.2之间。公共点集电环环体141.1安装于端部绝缘板正面的内环形槽内，六个绕组接头从缺口13.1伸出于端部绝缘板的外部；三块相汇流集电环的弧形环体均设于端部绝缘板的外环形槽内。相汇流集电环142与公共点集电环141径向错开分布；三块相汇流集电环142沿轴向分层分布；这种轴向、径向分层结构，可最大限度地提高电机的紧凑程度，减小电机的体积。

本发明中的公共点集电环环体设置于端部绝缘板的内环形槽，而相汇流集电环设置于端部绝缘板的外环形槽，在实际应用中，也可以考虑将两者内外互换。

采用定子衬套12作为定子铁芯11和端部集电环14的过渡部件，可以有效的减小两者之间尺寸的相互约束，此时电机的定子轭可以设计得尽量小，电机的端部导电环可以设计得尽量粗，尽量宽。这样，电机的体积能够最大限度的缩小，电机的承受大电流的能力及峰值功率得到最大限度的提高。

相汇流集电环142由导电铜板和铜接线柱组成，两者通过电阻点焊或铆接的方式连接在一起。铜板和铜柱电阻较小，采用点焊或铆接方式连接在一起，接触面积较大，电机端部非有效部分的发热量小，电机承受大电流的能力得到有效提升。另外，导电铜接线柱立在导电铜板上，沿圆周方向均匀分布，导电铜接线柱上设有螺纹孔，圆形的电机控制器电路板16，正好可以安装在立着的接线柱上，做成电机控制器一体式结构，可以有效地降低系统的成本。

如图4所示，本发明的定子铁芯11由环形定子轭11.1、从环形定子轭向外辐射的定子齿11.2构成，定子齿由定子铁芯齿臂及位于齿臂远径端的定子铁芯极靴构成，定子轭外周具有装配槽供齿臂插入。每个定子齿由多块形状相同的硅钢片叠压而成。

如图5所示，所述齿臂在轴向上为两头窄中段宽的不等宽结构。绝缘骨架由若干对如图6所示的上骨架18.1及下骨架18.2组成，每对上骨架及下骨架分别罩设于同一个齿的顶部和底部，上骨架由罩设于定子铁芯环形轭部顶部的上环部、罩于齿臂顶部的上盖及位于上盖远径端的线圈上挡板构成，下骨架包括罩设于定子铁芯环形轭部底部下环部、罩于齿臂底部的下盖及位于下盖远径端的线圈下挡板构成。上下骨架形状一样，都是截面大致为U型的盖子。上环部与线圈上挡板、下环部与线圈下挡板对绕在齿臂上的漆包线起固定作用，将线圈夹持于中间，提高了线圈的紧密程度。上盖和下盖分别罩设于齿臂的顶部和底部，槽绝缘纸18.3覆盖在位于绝缘骨架上盖和下盖之间的齿臂的外表面，绝缘骨架上盖、槽绝缘纸及绝缘骨架下盖的外侧面位于同一平面，为齿臂提供了完整连续的绝缘表面。定子绕组15绕设于齿臂的绝缘表面之上。

绝缘骨架上盖和下盖的内槽宽度与定子铁芯齿臂两头的外宽度分别相等，恰好套在齿臂的顶部和底部。绝缘骨架上盖和下盖的外宽度等于齿臂中段齿宽与两侧槽绝缘纸厚度的总和。

采用这种结构，可以使电机定子在齿磁路不饱和，同时绝缘骨架保证一定的强度(厚度)的情况下，尽量增大电机的槽空间，从而使电机定子线圈的匝数更多，电机的输出功率更大。

外转子21包括有弧形磁钢21、转子背铁22和转轴23。

转子背铁22由套筒部221及位于套筒部其中一端的端盖部222构成，套筒部及端盖部由具有良好导磁特性的材料一体成形。弧形磁钢21按N、S极相间的规律(NSNSNSNSNS)沿圆周方向均匀排布于套筒部内壁，弧形磁钢通过结构胶粘接于套筒内壁。转子背铁端盖部222具有导磁效果，相当于套筒部221加厚，可以减小主磁路的磁阻，使表贴式外转子电机的永磁磁通和直交轴电感得到有效的提升；表贴式外转子电机的电感增强，将有利于其弱磁工作区间的扩大，从而提高表贴式外转子电机的弱磁扩速能力。

端盖部开设有多个圆形通孔223，圆形通孔的数量为弧形磁钢数量的一半，圆形通孔的圆心与弧形磁钢中的中心位于同一直径上，也就是说每个圆形通孔对应于一组NS磁极对，圆形通孔与位于其外侧的磁极对应组中同一极性的弧形磁钢的位置相对。圆形通孔的直径与弧形磁钢的弧长相等。转子背铁的端盖部开有圆形通孔，一方面，能有效地减小电机转子的重量，从而减小电机转子的转动惯量，在提高表贴式外转子电机弱磁扩速能力的同时，不致影响其起动特性与控制性能；另一方面，该通孔还起到隔磁桥的作用，减小电机的极间漏磁(即N极磁通不经过线圈直接回流到S极的量)。另外，该通孔也可以作为通风口，当电机转子转起来的时候，可促进空气的对流，提高电机的散热能力。

转轴采用键连接的方式压装在转子背铁，稳定可靠，能有效地传递扭矩。

综上所述，采用上述结构可以最大程度地提高电机的功率密度。首先，采用外转子表贴式结构，可使电机的体积和质量做得尽量小；通过导热材料的灌封以及转子端部安装的散热叶片，改善了电机的散热条件，能有效地解决外转子电机散热不良而导致的输出扭矩受限的问题。其次，定子端部采用导电环汇流，既可提高电机的紧凑程度，也可降低电机的铜耗，电机温升得到控制。两者保证了电机体积减小的同时，电机的输出扭矩(输出功率)不下降。另外，采用分立式定子结构，可以在一定尺寸的定子上绕直径更大、匝数更多的线圈，能有效提高电机的槽满率和电负荷，使一定体积电机的输出功率大大增加。

Claims (6)

1.一种高功率密度的电机，包括定子组件和外转子，其特征在于：定子组件包括定子铁芯、绝缘骨架、缠绕于定子铁芯及绝缘骨架上的定子绕组、定子衬套、端部集电环及由绝缘材料制作的端部绝缘板，定子衬套具有轴向内孔供电机转轴安装连接，定子铁芯及端部绝缘板分别具有内孔并分别套接于定子衬套的上、下两段之外，端部集电环安装于端部绝缘板表面并与定子铁芯保持有轴向间隙，端部集电环在远离定子铁芯的一面设有接线柱，在定子槽漆包线及槽绝缘部件的外部、端部绝缘板与定子铁芯轴向间隙空间以及装配后的定子铁芯、绝缘骨架、定子绕组、端部集电环及漆包线的外表面具有由高导热材料灌封而成的导热体，接线柱伸出导热体表面，

电机定子铁芯由环状的定子轭及若干个均布于定子轭外圆周的向外辐射延伸的独立的定子齿装配而成，每个定子齿由多片形状相同的硅钢片叠压而成，定子齿包括齿臂和极靴，定子轭外圆周具有装配槽供齿臂插入，

所述定子衬套外表面为变径结构，定子铁芯套接于小径段，端部绝缘板套接于大径段。

2.根据权利要求1所述高功率密度的电机，其特征在于：齿臂在轴向上为两头窄中段宽的结构，所述绝缘骨架包括罩设于齿臂两头的上盖和下盖，上盖和下盖之间具有轴向间距，处于轴向间距范围的齿臂的外表面覆盖有槽绝缘纸，绝缘骨架上盖、槽绝缘纸及绝缘骨架下盖的外侧面位于同一平面，从而为齿臂提供完整连续的绝缘表面，漆包线绕设于齿臂的绝缘表面之上。

3.根据权利要求2所述高功率密度的电机，其特征在于：绝缘骨架由若干对上骨架及下骨架组成，每对上骨架及下骨架分别罩设于同一个齿的顶部和底部，上骨架由上环部、由上环部沿直径方向向外辐射的上盖及位于上盖远径端的线圈上挡板构成，若干个上骨架的上环部围合成环状罩于定子轭的顶部，下骨架包括下环部、由下环部沿直径方向向外辐射的下盖及位于下盖远径端的线圈下挡板构成，若干个下骨架的下环部围合成环状罩于定子轭的底部。

4.根据权利要求1所述高功率密度的电机，其特征在于：所述端部集电环由公共点集电环与相汇流集电环构成，端部绝缘板正面设有在平面上互不干涉的第一环形槽和第二环形槽，在端部绝缘板背面设有第一环形槽，公共点集电环具有闭合的环体及由环体向外伸出的若干绕组接头，公共点集电环的环体安装于端部绝缘板正面的第二环形槽内，公共点集电环的绕组接头伸出于端部绝缘板的外部；相汇流集电环有若干块，每一块相汇流集电环具有一弧形环体，每一弧形环体由左环体、右环体及衔接于两者之间的转接部构成，左环体或右环体的其中之一嵌装于端部绝缘板背面的第一环形槽，左环体或右环体的另外之一嵌装于端部绝缘板正面第一环形槽内，端部绝缘板开设有通槽供相汇流集电环的转接部穿过，弧形环体的两侧分别伸出绕组接头和接线柱。

5.根据权利要求1所述高功率密度的电机，其特征在于：所述外转子为表贴式外转子，包括转轴、若干块弧形磁钢及转子背铁，转子背铁由套筒部及位于套筒部其中一端的端盖部构成，套筒部及端盖部一体成形，弧形磁钢按N、S极相间的规律沿圆周方向均匀排布于套筒部内壁，端盖部开设有多个圆形通孔，圆形通孔的数量为弧形磁钢数量的一半，圆形通孔的圆心与弧形磁钢中的中心位于同一直径上。

6.根据权利要求5所述高功率密度的电机，其特征在于：转轴穿过电机定子衬套中安装的轴承。