CN109193991A - 混合绕组拓扑及其建造方法以及电机 - Google Patents

混合绕组拓扑及其建造方法以及电机 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种混合绕组拓扑，包含绕线槽(101)，绕线槽(101)中绕接有第一导线(103)与第二导线，所述第一导线(103)的横截面积大于第二导线的横截面积；第一导线(103)与第二导线并联布置和/或串联布置；第一导线(103)与第二导线串联布置时，一根或多根第二导线连接到同一根第一导线(103)上形成一个线组，所述绕线槽(101)中设置有一个或多个所述线组。本发明还提供了一种混合绕组拓扑的建造方法与电机。本发明对于低、中、高频的工作环境均具备较好的适应性，有效减小工作损耗与绕组温升。

Description

混合绕组拓扑及其建造方法以及电机
技术领域
本发明涉及电机设备领域，具体地，涉及一种混合绕组拓扑及其建造方法以及电机。
背景技术
近年来，新能源汽车、高速磨削机床、航空航天电动设备等的快速发展，正推动着驱动电机向大扭矩、高转速发展，同时为了节约电机的安装空间以及降低材料成本，电机的小型化需求逐渐突出。然而，驱动电机的损耗和温升问题逐渐成为限制驱动电机能量密度进一步提高的主要因素。
许多研究表明，作为电磁能量转换核心区域的定子绕组是产生热损耗的主要部位，其损耗往往占据电机总损耗的绝大部分。同时，由于紧凑的封闭结构，电机内的最高温度点一般出现在绕组内部，其过高的温升会对导体绝缘产生损伤，从而影响电机寿命，甚至直接造成损毁。另外，电机的定子部分的大小在很大程度上取决于电机定子绕组的体积。由此可见，定子绕组的结构对于电机的整体性能有非常大的影响。
使用传统的单一小截面导线(圆形导线、并绕线、励兹线)或者单一大截面矩形导线，都存在一定的弊端。在损耗方面，二者的差别表现为：在低频阶段，两者的损耗相差不大；在高频部分，大截面矩形导线的损耗远远大于小截面导线。在体积方面，由于小截面导线的铜占比较大截面矩形导线的铜占比小很多，同时使用小截面导线绕制时其蓬松度很难缩小，因此相比于小截面导线，使用大截面矩形导线可以大幅提高定子槽内的铜占比，缩小电机的尺寸。在温升方面，由于铜的导热性能和绝缘浸渍的导热性能相差很大，所以拥有更高铜占比的大截面矩形导线绕组的导热性能比小截面导线绕组的导热散热性能好很多。现在许多企业与科研单位正开发大截面矩形导线绕组的高能密度电机，利用其紧凑度高，浸渍充分，导热性能好，体积小的特点，来降低普通的仅使用小截面导线电机的体积和性能。但是，在高频时情况下，大截面矩形导线绕组的损耗会迅速攀升，同时，温度也因为损耗的缘故而明显升高。因此受限于损耗和导热性能，现如今在高速电机设计中仍然只能选择传统的小截面导线(圆形导线、变位线、励兹线等)，无法继续缩小电机尺寸和提高能量密度，从而形成了一个难以解决的技术瓶颈。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种混合绕组拓扑及其建造方法以及电机。
根据本发明提供的混合绕组拓扑，包含绕线槽，绕线槽中绕接有第一导线与第二导线，所述第一导线的横截面积大于第二导线的横截面积；第一导线与第二导线并联布置和/或串联布置；
第一导线与第二导线串联布置时，一根或多根第二导线连接到同一根第一导线上形成一个线组，所述绕线槽中设置有一个或多个所述线组。
优选地，沿绕线槽的槽底端到槽口端的延伸方向上，第一导线、第二导线依次布置。
优选地，所述第一导线截面积是第二导线截面积的整数倍。
优选地，一个线组中存在多根第二导线并联后连接到第一导线上，多个第二导线截面积的和等于第一导线的截面积。
优选地，所述第一导线横截面形状为矩形。
优选地，所述绕线槽的沿宽度方向相对设置的两个壁面平行布置；
所述第一导线与绕线槽的壁面通过以下任一种或全部方式接触：
--直接贴合；
--通过填充的浸渍材料层间接贴合。
优选地，所述第二导线包含以下任一种或多种结构：
--利兹线；
--编织线；
--圆形导线；
--矩形导线。
优选地，第一导线与第二导线的长度比例为7:3。
本发明还提供了一种混合绕组拓扑的建造方法，包含以下步骤：
步骤S1：确定第一导线与第二导线的材质与截面积尺寸，得到初步绕组模型；
步骤S2：计算初步绕组模型的损耗分布与绕组温升，使工作条件下绕组内部最高温升不能超过绝缘极限温度，并留有设定的温度安全裕量，同时保持损耗最小，获得第一导线与第二导线的长度比；
步骤S3：将矩形的第一导线采用单股的方式进行绕制，并且保证矩形第一导线的排布紧凑和整齐，使用浸渍材料进行填充，使得在第一导线与绕线槽的壁面之间不留空隙；
步骤S4：在第一导线上绕制第二导线。
本发明还提供了一种电机，包含定子与转子，所述定子包含上述的混合绕组拓扑。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、在损耗方面，本发明的损耗比单纯使用大截面矩形导线绕组拓扑的损耗低很多，非常接近使用小截面导线的绕组的损耗。
2、在体积方面，本发明比单纯使用小截面导线绕组的体积小很多，比单纯使用大截面矩形导线的绕组的体积稍大。
3、在温升方面，在低频和中频时，本发明的温升比使用单一小截面导线绕组的温升低，比使用单一大截面导线绕组拓扑的温升稍高；在高频时，本发明的温升比大截面矩形导线绕组的温升小，比小截面导线绕组拓扑的温升稍高。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为矩形第一导线和圆形第二导线混合绕制的绕组截面图；
图2为矩形第一导线和多股并绕的利兹线混合绕制的绕组截面图；
图3为矩形第一导线和编织线混合绕制的绕组截面图；
图4为矩形第一导线和矩形第二导线混合绕制的绕组截面图；
图5为矩形第一导线和圆形第二导线混合绕制实施例中的电机同一相内的导线连接示意图。
图6为矩形第一导线和圆形第二导线混合绕制实施例中的电机同一相内的电路原理图。
图中示出：
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1至图4所示，本发明提供的混合绕组拓扑，包含绕线槽101，绕线槽101中绕接有第一导线103与第二导线，所述第一导线103的横截面积大于第二导线的横截面积；第一导线103与第二导线并联布置和/或串联布置；第一导线103与第二导线串联布置时，一根或多根第二导线连接到同一根第一导线103上形成一个线组，所述绕线槽101中设置有一个或多个所述线组。
实施例中，沿绕线槽101的槽底端到槽口端的延伸方向上，第一导线103、第二导线依次布置。也就是说，第一导线103位于所述绕线槽101的底部位置，第二导线位于绕线槽101的槽口位置。优选地，所述第一导线103与第二导线的位置还可以是相对实施例反过来的，还可以是交替布置或无序布置。优选地，所述第一导线103截面积是第二导线截面积的整数倍。进一步优选地，一个线组中存在多根第二导线并联后连接到第一导线103上，多个第二导线截面积的和等于或者是约等于第一导线103的截面积。优选地，所述第二导线包含以下任一种或任多种结构：利兹线105、编织线106、圆形导线104、矩形导线107。对于利兹线105与编织线106，已经预先将多根第二导线进行了结合与定型，可以直接与第一导线103进行对接；对于单根单根的圆形导线104或矩形导线107，则需要并联后分别与第一导线103进行连接。
实施例中，所述第一导线103横截面形状为矩形，矩形的第一导线103的排布应该紧凑和整齐。所述绕线槽101的沿宽度方向相对设置的两个壁面平行布置；所述第一导线103与绕线槽101的壁面通过以下任一种或全部方式接触：直接贴合、通过填充的浸渍材料层间接贴合。选择两侧壁面平行的绕线槽101，有助于保证矩形的第一导线103能够充分填充，减小空隙。而通过使用浸渍材料进行填充，则能够达到在绕线槽101内不留任何空隙的目的。优选地，第一导线103采用单股的方式进行绕制。
本发明还提供了一种混合绕组拓扑的建造方法，包含以下步骤：步骤S1：确定第一导线103与第二导线的材质与截面积尺寸，得到初步绕组模型；步骤S2：计算初步绕组模型的损耗分布与绕组温升，使工作条件下绕组内部最高温升不能超过绝缘极限温度，并留有设定的温度安全裕量(10℃-20℃)，同时保持损耗最小，获得第一导线103与第二导线的长度比；步骤S3：将矩形的第一导线103采用单股的方式进行绕制，并且保证矩形第一导线103的排布紧凑和整齐，使用浸渍材料进行填充，使得在第一导线103与绕线槽101的壁面之间不留空隙。优选地，还包含第二导线绕制步骤：将第二导线继续绕制在第一导线103上。相应地，对于浸渍材料填充的操作，可以分两次进行，即第一导线103绕制完毕后与第二导线绕制完毕后分别进行；也可以一次完成，即第二导线绕制完毕后再统一进行。优选地，对于第二导线也可以不进行浸渍材料的填充固定。优选地，在步骤S2中，采用磁热有限元仿真计算初步绕组模型的损耗分布与绕组温升。
本发明还提供了一种电机，包含定子与转子，所述定子包含上述的混合绕组拓扑。在绕线槽101的槽口部位还布置有槽楔102，从里到外的方向上，槽楔102的宽度减小，起到防止绕线使导线窜出的作用。
优选实施方式：
圆形导线104位于绕线槽101的上半部分，矩形的第一导线103位于绕线槽101的下半部分。圆形截面导线104与第一导线103的长度比例是3:7，这是通过理论计算、maxwell结合Ansys仿真进行优化设计得到的。该电机采用集中绕组的绕线方式，所以同一绕线槽101内的导线属于同一相输入，上下导线束可以串联后励磁。在本优选实施例中，矩形的第一导线103的尺寸为1mm×6mm，圆形导线104的直径为1mm，圆形导线104采用多股并绕的方式进行绕制，此处根据两种导线截面积的关系，圆形导线104并绕根数取为8，另外矩形的第一导线103采用单股绕制，而且外表面需要与绕线槽101的周围边界平行。在将绕组接入电路时，需要将8根圆形导线104并联，然后将并联的圆形导线104与同一绕线槽101的矩形的第一导线103串联。
图5是本优选实施例中的单一绕线槽101中的导线连接示意图。驱动电机的同一绕线槽101中有8根并绕的圆形导线104(对应图6中第二导线等效电阻109与第二导线等效电感110)和一个单根绕制的矩形的第一导线103(对应图6中第一导线等效电阻111与第一导线等效电感112)。现将8根并绕的圆形导线104先并联起来，然后再与矩形的第一导线103串联。这样在使用同一交流电源108对混合绕组拓扑进行供电时，可以保证圆形导线104和矩形的第一导线103中拥有大致相等的载流强度和平均载流密度，这样可以最大化利用导体载流密度限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种混合绕组拓扑，其特征在于，包含绕线槽(101)，绕线槽(101)中绕接有第一导线(103)与第二导线，所述第一导线(103)的横截面积大于第二导线的横截面积；第一导线(103)与第二导线并联布置和/或串联布置；
第一导线(103)与第二导线串联布置时，一根或多根第二导线连接到同一根第一导线(103)上形成一个线组，所述绕线槽(101)中设置有一个或多个所述线组。
2.根据权利要求1所述的混合绕组拓扑，其特征在于，沿绕线槽(101)的槽底端到槽口端的延伸方向上，第一导线(103)、第二导线依次布置。
3.根据权利要求1所述的混合绕组拓扑，其特征在于，所述第一导线(103)截面积是第二导线截面积的整数倍。
4.根据权利要求3所述的混合绕组拓扑，其特征在于，一个线组中存在多根第二导线并联后连接到第一导线(103)上，多个第二导线截面积的和等于第一导线(103)的截面积。
5.根据权利要求1所述的混合绕组拓扑，其特征在于，所述第一导线(103)横截面形状为矩形。
6.根据权利要求1所述的混合绕组拓扑，其特征在于，所述绕线槽(101)的沿宽度方向相对设置的两个壁面平行布置；
所述第一导线(103)与绕线槽(101)的壁面通过以下任一种或全部方式接触：
--直接贴合；
--通过填充的浸渍材料层间接贴合。
7.根据权利要求1所述的混合绕组拓扑，其特征在于，所述第二导线包含以下任一种或多种结构：
--利兹线(105)；
--编织线(106)；
--圆形导线(104)；
--矩形导线(107)。
8.根据权利要求1所述的混合绕组拓扑，其特征在于，第一导线(103)与第二导线的长度比例为7:3。
9.一种混合绕组拓扑的建造方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤S1：确定第一导线(103)与第二导线的材质与截面积尺寸，得到初步绕组模型；
步骤S2：计算初步绕组模型的损耗分布与绕组温升，使工作条件下绕组内部最高温升不能超过绝缘极限温度，并留有设定的温度安全裕量，同时保持损耗最小，获得第一导线(103)与第二导线的长度比；
步骤S3：将矩形的第一导线(103)采用单股的方式进行绕制，并且保证矩形第一导线(103)的排布紧凑和整齐，使用浸渍材料进行填充，使得在第一导线(103)与绕线槽(101)的壁面之间不留空隙；
步骤S4：在第一导线(103)上绕制第二导线。
10.一种电机，其特征在于，包含定子与转子，所述定子包含权利要求1至8中任一项所述的混合绕组拓扑。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111463927A (zh) * 2019-01-22 2020-07-28 上海汽车集团股份有限公司 定子组件及电机
CN113489201A (zh) * 2021-06-30 2021-10-08 南京师范大学 一种宽高效区混合线型集中绕组永磁电机系统及控制方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20010011851A1 (en) * 1998-11-20 2001-08-09 Group Art Unit 2834 Stator of AC generator for use in vehicle and method of manufacturing the same
JP2011147312A (ja) * 2010-01-18 2011-07-28 Toyota Motor Corp ステータおよびモータ
CN102904361A (zh) * 2011-07-26 2013-01-30 通用汽车环球科技运作有限责任公司 用于电机的励磁线圈
CN103959609A (zh) * 2011-10-27 2014-07-30 丰田自动车株式会社 分段线圈、分段线圈的制造方法、分段线圈用线材及定子
JP2017184394A (ja) * 2016-03-29 2017-10-05 アイシン・エィ・ダブリュ株式会社 回転電機用ステータ
CN108123564A (zh) * 2016-11-30 2018-06-05 保时捷股份公司 旋转电动机器及用于生产旋转电动机器的特定适配方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20010011851A1 (en) * 1998-11-20 2001-08-09 Group Art Unit 2834 Stator of AC generator for use in vehicle and method of manufacturing the same
JP2011147312A (ja) * 2010-01-18 2011-07-28 Toyota Motor Corp ステータおよびモータ
CN102904361A (zh) * 2011-07-26 2013-01-30 通用汽车环球科技运作有限责任公司 用于电机的励磁线圈
CN103959609A (zh) * 2011-10-27 2014-07-30 丰田自动车株式会社 分段线圈、分段线圈的制造方法、分段线圈用线材及定子
JP2017184394A (ja) * 2016-03-29 2017-10-05 アイシン・エィ・ダブリュ株式会社 回転電機用ステータ
CN108123564A (zh) * 2016-11-30 2018-06-05 保时捷股份公司 旋转电动机器及用于生产旋转电动机器的特定适配方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111463927A (zh) * 2019-01-22 2020-07-28 上海汽车集团股份有限公司 定子组件及电机
CN113489201A (zh) * 2021-06-30 2021-10-08 南京师范大学 一种宽高效区混合线型集中绕组永磁电机系统及控制方法
CN113489201B (zh) * 2021-06-30 2022-07-29 南京师范大学 一种宽高效区混合线型集中绕组永磁电机系统及控制方法

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