CN109038878B - 三相电机定子及电动汽车驱动电机 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种三相电机定子及电动汽车驱动电机，属于新能源汽车电机领域。所述三相电机定子包括定子铁芯，在该定子铁芯上开设有多个定子槽，其中，定子绕组分六层排布在所述多个定子槽中，且每极每相槽数为3，以及三相定子线圈中的每一相定子线圈分为三组，并且每一组定子线圈占据并排且相邻的两层定子槽，其中相邻两组所述定子线圈之间移位一个定子槽。由此，有效地降低了削弱了电机谐波，降低了由集肤和邻近效应产生的交流铜耗，匹配了高压系统的电压、电流设计，并达到高转矩低转矩脉动、低振动噪音、良好的散热性能、高电气可靠性的目的。

Description

三相电机定子及电动汽车驱动电机

技术领域

本发明涉及新能源汽车电机技术领域，具体地涉及一种三相电机定子及电动汽车驱动电机。

背景技术

针对三相交流电机，尤其是电动汽车的驱动电机，要求高转矩、低转矩脉动、低振动噪音、良好的散热性能、高电气可靠性，其中定子线圈的设计排布尤为关键。

目前电动汽车的电机电压一般在300V～500V，其一般采用四层绕组结构，但是当电动汽车需求更高级别的电机电压时，定子线圈现有技术中的设计排布则限制了电机性能。。

另外，扁铜线发卡(Hairpin)定子被越来越多地应用到了电动汽车电机中，从而提高电机功率密度、效率和导热性。发卡定子在高频下具有明显的集肤和邻近效应，这就造成额外的交流损耗；并且，当新型电动汽车需求更高的转速时，其会导致随着转速的提升，电机的电频率越来越高，而具备发卡式定子的电机的集肤和邻近效应的问题就越突出。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种三相电机定子及电动汽车驱动电机，用以至少降低电机谐波，减小损耗和噪音，降低电机在高频工况下的集肤和邻近效应，并匹配了高压系统的电压和电流设计。

为了实现上述目的，本发明实施例一方面提供一种三相电机定子，包括定子铁芯，在该定子铁芯上开设有多个定子槽，其中，定子绕组分至少六层排布在所述多个定子槽中，且每极每相槽数为3，以及三相定子线圈中的每一相定子线圈分为至少三组，并且每一组定子线圈占据并排且相邻的两层定子槽，其中相邻两组所述定子线圈之间移位一个定子槽。

可选的，所述定子绕组分八层排布在所述多个定子槽中，且所述三相定子线圈中的每一相定子线圈分为四组。

可选的，所述定子绕组分六层排布在所述多个定子槽中，且所述三相定子线圈中的每一相定子线圈分为三组。

可选的，在所述三相定子线圈中的任意相邻的两相定子线圈之间配置第一绝缘层，以及在所述每一组定子线圈中的两层定子线圈之间配置第二绝缘层，其中所述第一绝缘层的厚度大于所述第二绝缘层的厚度。

可选的，所述每一相定子线圈分为两条串联或并联的支路。

可选的，所述定子绕组为波绕组，以及所述每一相定子线圈分为两条并联支路，其中各个所述并联支路中在所述并排且相邻的两层定子槽中波绕三周。

可选的，所述极相绕组包括连接对应同一相序的电源接口的第一并极支路和第二并联支路，所述第一并联支路沿着槽号正向增长的方向并自所述多个定子槽的外层为起点向其内层波绕，以及所述第二并联支路沿着槽号反向减小的方向并自所述多个定子槽的内层为起点向其外层波绕，其中所述定子铁芯上的各个所述定子槽按顺时针或逆时针方向依次编号，以及所述第一并联支路的终点和所述第二并联支路的终点跨接三相电机的中性点。

可选的，所述定子绕组为三相9节距全节距绕组结构。

可选的，所述定子铁芯上开设的定子槽的数量为72个，各并联支路在所述每一组定子槽中波绕时形成大发夹线圈和小发夹线圈，其中所述大发夹线圈的跨距是9个槽、且所述小发夹线圈的跨距是8个槽，以及所述相邻两组线圈之间通过跨接线圈连接，且所述跨接线圈的跨距是10个槽。

可选的，所述发夹线圈的端部连接通过包括以下中的一种或多种方式来实现：将连续的长导线弯折成型，或将断开的导线进行焊接。

可选的，所述定子绕组分六层排布在所述多个定子槽中，且所述三相定子线圈中的每一相定子线圈分为三组，其中所述第一并联支路从第2层1号槽引入并经波绕在第6层第60号槽引出以连接所述三相电机的中性点，以及所述第二并联支路从第6层69号槽引入并经波绕在第2层第10号槽引出以连接所述三相电机的中性点。

本发明实施例另一方面提供一种三相电机定子，包括定子铁芯，在该定子铁芯上开设有多个定子槽，其中，定子绕组分八层排布在所述多个定子槽中，且每极每相槽数为3，以及三相定子线圈中的每一相定子线圈分为由内向外的四组定子线圈，并且每一组定子线圈占据并排且相邻的两层定子槽，其中内外两组定子线圈占据相同的定子槽位，以及中间两组定子线圈占据相同的定子槽位，其中，所述中间两组定子线圈与所述内外两组定子线圈之间移位一个定子槽。

本发明实施例另一方面提供一种电动汽车驱动电机，其设置有上述的三相电机定子绕组。

通过上述技术方案，采用至少六层的定子绕组结构，有效地降低了由集肤和邻近效应产生的交流铜耗；并且，通过定子导体的排布设计，提高电机的匝数，匹配了高压系统的电压、电流设计，并达到高转矩、低转矩脉动、低噪音、良好的散热性能、高槽满率、高电气可靠性的目的。

本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明施例的限制。在附图中：

图1A是本发明一实施例的三相电机定子结构示意图；

图1B是本发明一实施例的三相电机定子结构示意图；

图1C是本发明一实施例的三相电机定子结构示意图；

图2是本发明一实施例的三相电机定子的截面示意图；

图3是本发明一实施例的定子绕组的连接电路的示意图；

图4A是发明一实施例的定子绕组的U相序并联支路U1绕组的连接设计示意图；

图4B是发明一实施例的定子绕组的U相序并联支路U2绕组的连接设计示意图；

图5A是电机定子的4层导体与6层导体在不同频率下交流电阻/直流电阻倍率的比较示意图；

图5B是对比例中的6层槽内同相(组间未移位定子槽)的定子的结构示意图；

图6A是对比例的6层槽内同相定子与本发明实施例的6层槽内移相定子的转矩脉动的有限元仿真图；

图6B是对比例的6层定子与本发明实施例的6层槽内移相定子的转矩谐波次数的有限元仿真图；

图6C是对比例的6层槽内同相定子与本发明实施例的6层槽内移相定子的电压脉动的有限元仿真图；

图6D是对比例的6层槽内同相定子与本发明实施例的6层槽内移相定子的电压谐波次数的有限元仿真图；

图6E是对比例的6层槽内同相定子与本发明实施例的6层槽内移相的电机铁损及交流铜损的对比有限元仿真图；

图6F是对比例的6层槽内同相电机的电磁径向力在空间-时间上的谐波分布的有限元仿真图；

图6G是本发明实施例的6层槽内移相电机的电磁径向力在空间-时间上的谐波分布的有限元仿真图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

在本发明实施例中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右、内、外”通常是指附图中或实施例中所示的相对方位。

如图1A所示，本发明一实施例的三相电机定子，定子包括定子铁芯，在定子铁芯上开设有72个矩形定子槽，定子槽按顺时针(也可以是逆时针)方向依次编号为1-72号槽，并且可以是将线圈(图示的截面形状为方形)插入到定子槽中，该绕组实现为3相2路并联的9节距的全节距绕组结构，每极每相槽数q为3，每个方形线圈插入到定子上两个不同的定子槽的不同层按照预定规律连接以形成所述定子绕组，每个定子槽内放置6个导体，按照定子径向方向从外到内依次为第1层、第2层、第3层、第4层、第5层和第6层，定子绕组极数为2p极，每组定子绕组含有2p个极相组，每个极相组q个线圈，因此每组含有2pq个线圈，三组共6p个极相组，即6pq个线圈。典型的极槽配合为(72s8p,54s6p,90s10p，36s4p)，定子一端跨距为YZ/2p＝9，定子另一端跨距同为Y＝Z/2p＝9；相比于4层槽定子，本发明实施例的发夹式定子降低了集肤和邻近效应。另外，三相定子线圈中的每一相定子线圈分为三组，并且每一组定子线圈占用并排且相邻的两层定子槽，其中相邻两组线圈之间顺序依次移位一个定子槽，例如U相序绕组分为三组，且每一组绕组分别占用了L1-L2、L3-L4和L5-L6，并且在相位上相邻的两组线圈之间顺序依次移位一个定子槽，其中U相序占用了L5-L6层的69、70和71槽，和L3-L4层的70、71和72槽，和L1-L2层的71、72和1槽，故一个相序的绕组一共会占用连续的5个定子槽。

如图1B所示，本发明一实施例的三相电机定子，定子绕组分八层排布在多个定子槽(其也可以是如图1A中的具备72个定子槽)中，且三相定子线圈中的每一相定子线圈分为四组，每极每相槽数q为3，并且每一组定子线圈占据并排且相邻的两层定子槽，其中相邻两组定子线圈之间移位一个定子槽。具体的，L1-L2、L3-L4、L5-L6和L7-L8分别为四组定子线圈，相邻两组定子线圈之间移位一个定子槽。

如图1C所示，本发明一实施例的三相电机定子，定子绕组分八层排布在多个定子槽(其也可以是如图1A中的具备72个定子槽)中，且三相定子线圈中的每一相定子线圈分为由内向外的四组定子线圈(L1-L2、L3-L4、L5-L6和L7-L8)，每极每相槽数q为3，并且每一组定子线圈占据并排且相邻的两层定子槽，其中内外两组定子线圈L1-L2与L7-L8占据相同的定子槽位，以及中间两组定子线圈L3-L4与L5-L6占据相同的定子槽位，其中中间两组定子线圈(L3-L4和L5-L6)与内外两组定子线圈(L1-L2和L7-L8)之间移位一个定子槽。

在图1B和图1C实施例中提供了八层定子绕组结构，可理解的是，基于本发明实施例原理所扩展出的具有更多层(例如10层)的定子绕组结构同样应当视为在本发明的保护范围内。关于图1B和1C的更多的细节，在不冲突的情况下，可以参照图1A实施例的描述，在此便不赘述。本发明实施例所提供的定子能够优化转矩脉动谐波、电压谐波、铁耗、交流铜耗、振动噪音等方面的问题，能够保障更低的转矩脉动从而改善转矩质量。另外，目前电动汽车的电机电压一般在300V～500V，而本发明实施例的定子特别适用于电压500～1000V的电动汽车的高压平台。

目前，电动汽车的高压平台同时也要求电机提升电气可靠性，加强绝缘，但绝缘的加强带来成本的提升和热导的下降，如果在保证电气可靠性的同时，尽可能提升铜导体的槽满率，也是很重要的一个方面。

有鉴于此，如图2所示的本发明实施例的定子的截面中，定子包括定子铁芯10和定子绕组结构20，其中定子绕组结构20包括导体绕组(一般为铜线圈)201和绝缘层202，定子线圈可以是将扁平导体通过嵌入定子铁芯槽内所构成的，并且在定子线圈之间、定子线圈与定子铁芯之间都填充绝缘所实现的。在本发明实施例中，由于槽内L1-L2同相、L3-L4同相、L5-L6同相，在同相位导体之间电势差较小，可以采用薄绝缘层2021；而L2与L3，L4与L5之间由于是不同的相，电势差较大，采用厚绝缘层2022。由此，可以在保证电气安全的前提下，尽可能地提高铜线的槽满率。

如图3所示，其示出了本发明实施例中定子绕组的连接电路，该定子绕组为8极，每相共有线圈6pq＝72，并且每一相定子绕组分为两个并联的支路，每条支路具有36个线圈，U1-1,U1-2,U1-3分别代表顺时针波绕一周形成的绕组，分别具有12个线圈；U2-1，U2-2,U3-3分别代表逆时针波绕一周形成的绕组，分别具有12个线圈。该绕组通过连接L1-L2-L3-L4-L5-L6六层导体。虽然图3仅描述了同一相(例如U相序)定子线圈下两条支路并联完成定子线圈绕制的情况，但可以理解的是，将其简单替换为同一相定子线圈下两条支路串联以完成定子线圈绕制的情况也应当被视为在本发明的保护范围内。

如图4A和4B所示，以U相序的并联支路的线圈连接为例，其描述了U相序的两个并联的极相绕组U1和U2的布线方式，可以理解的是V相序和W相序的绕组的布线方式与U相相同，但是在相位上相差电角度120°。其中，定子绕组为波绕组且各条并联支路在每一组定子槽中波绕三周后，跨接至下一组定子槽中波绕三周，之后跨接至第三组定子槽中波绕三周，即U1和U2分别波绕九周，连接对应12个极相组线圈。U1极相绕组以定子槽的外层L2为起点并沿着槽号正向增长方向进行连接，当L1-L2层波绕三周结束时，由L2层向L3层进行跨接以实现自定子槽的外层向内层的波绕；U2极相绕组以定子槽的内层L6为起点并沿着槽号反向减小的方向进行连接，当L6-L5层波绕三周结束时，由L5层向L4层进行跨接以实现自定子槽的内层向外层的波绕，其中U1并联支路和U2并联支路所经过的定子槽相同以实现并联。具体的，U1极相绕组从第2层1号槽引入并经波绕在第6层第60号槽引出以连接三相电机的中性点，U2极相绕组从第6层69号槽引入并经波绕在第2层第10号槽引出以连接所述三相电机的中性点。优选的，可以是按照上述的线圈绕制的原理，将该图示的6层定子绕组扩展应用在8层定子绕组中。

在一些优选实施方式中，如图4A和4B所示的U相序的跨线设计，定子绕组为三相9节距全节距绕组结构，例如在U1进线通过L1-L2的定子槽1-10-19-28等、U2进线通过L6-L5的定子槽69-60-51等，由此能够实现线圈在定子槽中的紧密排布。示例性地，定子铁芯上开设的定子槽的数量为72个，在U1或U2进线至形成全节距绕组结构的过程中，为了实现一根进线实现三相9节距全节距绕组结构，极相绕组在绕线的过程中无法保证实现所有的节距都是9个槽，故可以是放开在一组两层线圈的绕制结束时与绕制开始时的槽位节距的限制，例如在64槽至72槽的连接，以及63槽至71槽的连接；因此，在线圈绕制的过程中形成跨距是9个槽的大发夹线圈(主要的)和跨距是8个槽的小发夹线圈，并且相邻两组线圈之间通过跨接线圈(L2-L3 climbing wire)连接，其中该跨接线圈的跨距是10个槽，由此可实现上一组的两层线圈和下一组相邻的两组线圈之间正好移位1个定位槽。关于本发明实施例中的发夹线圈的制作方式，其可以是将连续的长导线弯折成型，或将断开的导线进行焊接所实现的。

如图4A所示，由1号槽L1层进线，L1-L2层三组线圈波绕组连接，沿槽号正向增长方向进行连接，当L1-L2层波绕三圈结束时，由L2层向L3层进行跨接，62号槽L2层导体通过跨接线跨接至72号槽L3层导体，L2-L3层继续按槽号正向增长的方向进行连接，当L3-L4层波绕三周结束时，由L4向L5层进行跨接，61号槽L4层导体通过跨桥线跨接至71号槽L5层导体，L5-L6层继续按槽号正向增长的方向进行连接，当L5-L6层波绕三周结束后，由60号槽L6层导体引出U相并联支路U1的中性点。

如图4B所示，由69号槽L6层进线，L6-L5层三组线圈波绕组连接，沿槽号反向减小方向进行连接，当L6-L5层波绕三周结束时，由L5层向L4层进行跨接，8号槽L5层导体通过跨桥线跨接至70号槽L4层导体，L4-L3层继续按槽号反向减小的方向进行连接，当L4-L3层波绕三周结束时，由L3向L2层进行跨接，9号槽L3层导体通过跨桥线跨接至71号槽L2层导体，L2-L1层继续按槽号反向减小的方向进行连接，当L3-L2层波绕三周结束后，由10号槽L1层导体引出U相并联支路U2的中性点。

为了验证本发明实施例在集肤、邻近效应和谐波上所缺的的改良效果，申请人将本发明实施例中的如图1A所示的6层槽内移相的定子作为实验例，并将相关技术中的多款定子作为对比例，并将二者之间的多项性能指标进行了对比。

如图5A所示，将扁铜线电机的4层导体交流电阻/直流电阻倍率与6层导体交流电阻/直流电阻倍率比较，不难得出6层导体可以很大程度减小高频下集肤和邻近效应造成的交流电阻的增大。

如图5B所示，其是所构建的一对比例，其中设置有6层导体，且每极每相槽数q＝3，每个槽L1～L6内导体为一相导体，简称6层槽内同相。将6层槽内同相与本发明实施例中的6层槽内移相进行对比，得到如图6A-F的实测效果图，其从转矩脉动谐波、电压谐波、铁耗、交流铜耗、振动噪音等方面，比较对比例6层同相定子与本发明实施例的6层移相定子之间的性能差异。

表1

如图6A-B和表1所示，转矩6次和12次谐波被明显削弱，实现了更低的转矩脉动，改善了转矩质量并提升了NVH性能(Noise、Vibration、Harshness,噪声、振动与舒适性)。。

表2

表3

	铁耗(W)	铜耗(W)
			6层槽内同相	2987	2176
6层槽内移相	2681	2054
			损耗减小百分比	10％	5％

如图6C-E和表2-3所示，电压谐波5、7次谐波和11、13次谐波被明显削弱，一般电压谐波反映了磁场谐波，因此，磁场5、7次谐波和11、13次谐波被削弱，降低了磁场谐波含量，有利于减小因为磁场谐波产生的铁耗、交流铜耗，以及有利于振动噪声的减小，进一步抑制集肤和邻近效应。

电磁径向力是电磁噪音的主要来源，如图6F-G将对比例的6槽同相电磁径向力与本发明实施例的6槽移相电磁径向力的效果进行对比，通过对比可知：本发明实施例可以明显削弱各阶电磁径向力谐波，在典型工况下，6层槽内同相所对应的1m处最大声压级为85.7dB，而6层槽内移相所对应的1m处最大声压级为80.8dB，使得电磁噪音声压级下降了近5dB，具有明显改善效果。

本发明另一实施例还提供了电动汽车驱动电机，其设置有上述本发明实施例的三相电机定子绕组，其尤其可以是高压、高速发夹式(Hairpin)电机，能够有效降低高速电机的扁铜导体的集肤和邻近效应，降低电机谐波。关于本发明实施例的电动汽车驱动电机更多的细节可以参照上文关于三相电机定子的实施例的描述，以及该电动汽车驱动电机能够具有与该三相电机定子相同或相应的技术效果，故在此便不再赘述。

以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。

Claims (4)

1.一种三相电机定子，包括定子铁芯，在该定子铁芯上开设有多个定子槽，其中，定子绕组分六层排布在所述多个定子槽中，且每极每相槽数为3，以及

三相定子线圈中的每一相定子线圈分为三组，并且每一组定子线圈占据并排且相邻的两层定子槽，其中相邻两组所述定子线圈之间移位一个定子槽；

在所述三相定子线圈中的任意相邻的两相定子线圈之间配置第一绝缘层，以及在所述每一组定子线圈中的两层定子线圈之间配置第二绝缘层，其中所述第一绝缘层的厚度大于所述第二绝缘层的厚度；

所述每一相定子线圈包括连接对应同一相序的电源接口的第一并联支路和第二并联支路，其中各个所述并联支路中在所述并排且相邻的两层定子槽中波绕三周，所述第一并联支路沿着槽号正向增长的方向并自所述多个定子槽的外层为起点向其内层波绕，以及所述第二并联支路沿着槽号反向减小的方向并自所述多个定子槽的内层为起点向其外层波绕，其中所述定子铁芯上的各个所述定子槽按顺时针或逆时针方向依次编号，以及所述第一并联支路的终点和所述第二并联支路的终点跨接三相电机的中性点；

其中，所述定子铁芯上开设的定子槽的数量为72个，各并联支路在所述每一组定子槽中波绕时形成大发夹线圈和小发夹线圈，其中所述大发夹线圈的跨距是9个槽、且所述小发夹线圈的跨距是8个槽，以及所述相邻两组线圈之间通过跨接线圈连接，且所述跨接线圈的跨距是10个槽；

所述第一并联支路从第2层1号槽引入并经波绕在第6层第60号槽引出以连接所述三相电机的中性点，以及所述第二并联支路从第6层69号槽引入并经波绕在第2层第10号槽引出以连接所述三相电机的中性点。

2.根据权利要求1所述的三相电机定子，其中，所述定子绕组为三相9节距全节距绕组结构。

3.根据权利要求1所述的三相电机定子，其中，所述发夹线圈的端部连接通过包括以下中的一种或多种方式来实现：将连续的长导线弯折成型，或将断开的导线进行焊接。

4.一种电动汽车驱动电机，其设置有权利要求1-3中任一项所述的三相电机定子。

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