CN110289717B - 一种永磁电机定子多相绕组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁电机定子多相绕组。本多相绕组中，每相绕组由一个线圈或多个线圈连接而成，每个线圈包括有首端双层导体元件和末端单层导体元件以及设在二者之间的若干中间双层导体元件，所有双层导体元件的上层(或下层)导体依次通过端部导体连接，并与末端元件连接后，再逆次连接所有双层导体元件的下层(或上层)导体，每个元件对应一个定子槽，位于同一定子槽的双层导体元件的上下层导体之间有绝缘介质，同一线圈中相邻的元件所跨的定子槽数量相同。本发明的绕组具有漏抗小、导电电阻小、发热损耗小等优点，对提高电机功率因数、效率和功率密度具有重要意义。线圈拓扑可根据定子槽数延伸拓展，本发明尤其适合多极多相的永磁电机。

Description

一种永磁电机定子多相绕组

技术领域

本发明涉及电动机或发电机领域，具体涉及一种永磁电机定子多相绕组。

背景技术

当今，在先进的工业领域及能源领域，希望使用的电动机或发电机体积更小、重量更轻、效率更高，也就是要求电机有较高的功率密度(指单位体积上电机轴上所输出的额定功率)或转矩密度(指单位体积上电机轴上输出的额定转矩)。永磁电机比异步电机在效率、功率密度上的优势，成为工业和交通能源领域的发展趋势。

传统的永磁电机的磁通在径向分布，提供定子磁通路径的齿部和放置电枢绕组导体的槽位于同一平面，对于一定的定子内径尺寸(以内转子结构为例)，定子槽的宽度与齿部宽度互相制约。如果需要流过较大的电流，就需要较大的线圈截面空间，齿的宽度就受到影响，通过齿部的磁通量就会减小，反之亦然。如果齿宽和槽宽同时增大，则会增大电机的直径，使电机的转矩密度降低。近十年来提出的横向磁通电机，理论可以获得较高的转矩密度，但是其结构复杂，目前横向磁通电机功率因数普遍较低，造成驱动系统容量增大、成本增加。

另一方面，电机的体积与电机热损耗密切相关。电机损耗由铁芯损耗、电枢绕组的铜损耗等组成，其中电流流过导体产生的的损耗发热和电机散热条件对电机的功率密度有重要影响，在冷却方式和绝缘确定的情况下，电机绕组导体的电流密度受到电机散热部分的尺寸限制。一般电机的体积越小，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。降低电机的损耗，可以提高电机功率密度，提高资源利用率。

因此，开发一种有助于减小损耗、提高电机功率因数、效率等主要性能的绕组(线圈)技术，对实现机电装备小型化具有重要的现实意义，并将对工业领域及能源领域的发展产生巨大推动作用。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的不足，提供一种永磁电机定子多相绕组，该定子绕组线圈采取特殊的拓扑结构，减少电机损耗、提高电机能量变换率。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种永磁电机定子多相绕组，每相由一个线圈或多个线圈连接而成，其中，

每个所述线圈均包括有首端元件和末端元件，所述首端元件为双层导体元件，所述末端元件为单层导体元件，在所述首端元件和末端元件之间还联接有若干个双层导体元件；所述双层导体元件包括由上下两层各自外包绝缘介质的导体组成，并根据需要可以在上下两层外包绝缘的导体之间布置层间绝缘介质，所述单层导体元件由单层导体和包覆其的外包绝缘介质材料组成。

自首端元件起，所有双层导体元件中的上层导体依次连接，并连接到所述末端元件的一端(进线)，所述末端元件的另一端(出线)连接至双层导体元件中的下层导体，所有双层导体元件中的下层导体依次连接，至首端元件止，这样，所述首端元件中的上、下层导体分别对应所述线圈的输入、输出端；或者，自首端元件起，所有双层导体元件中的下层导体依次连接，并连接到所述末端元件的进线端，所述末端元件另一端出线连接至双层导体元件中的上层导体，所有双层导体元件中的上层导体依次连接，至首端元件止，这样，所述首端元件中的下、上层导体分别对应所述线圈的输入、输出端。

组成一个所述线圈的每个元件对应一个定子槽，各两两相邻元件所跨的定子槽数相同，所述各相邻的元件分别对应永磁电机转子的不同磁极。

优选的技术方案中，所述多相为大于等于3相。

优选的技术方案中，每相由多个线圈通过串联或并联连接而成。

优选的技术方案中，所述双层导体元件中，每层导体(即，上层导体或下层导体)均由单根外包有绝缘材料的导体构成。

优选的技术方案中，所述双层导体元件中，每层导体(即，上层导体或下层导体)均是由并联的两根外包有绝缘材料的导体构成。

优选的技术方案中，所述单层导体元件中，所述单层导体由单根外包有绝缘介质材料的导体构成，或者，所述单层导体由并联的两根外包有绝缘材料的导体构成。

优选的技术方案中，所述外包有绝缘材料的导体可以为一般电机常用的电磁线(即，漆包线)，由铜、或铝、或合金等具有高导电率的材料和外包绝缘膜组成，可以是截面为矩形的外包绝缘的导体，也可是特别设计的截面形状的外包绝缘的导体。

优选的技术方案中，所述双层导体元件根据需要可以在上下两层外包绝缘的导体之间布置层间绝缘介质。

优选的技术方案中，各所述元件的形状可以适应不同的槽形。定子的槽形可以是槽中心线穿过电机中心点的直槽(截面为矩形)，也可以是槽中心线偏离电机中心点的非直槽(截面为平行四边形)。

本发明中，组成各相绕组的每个线圈中，每个元件对应一个定子槽，从作为首端元件的双层导体元件的其中一层(上层或下层)导体通入电流，先依次通过中间的所有双层导体元件的上层(或下层)导体，到达作为末端元件的单层导体元件，再逆次通过中间的所有双层导体元件的下层(或上层)导体，最后电流从作为首端元件的双层导体元件的另一层(下层或上层)导体流出。可见，每个线圈的起始导体与出线末端导体为首端元件的两层导体元件，位于首端元件所对应的同一槽内，这样，绕组线圈对称布置，很方便在槽内放置多个线圈，有利于提高槽的利用率。

由于线圈端部导体在定子两侧的距离短，绕组漏抗小；而且，每个双层导体元件所在的定子槽中，流经上下层导体的电流方向一致，每层各导体之间为串联关系，各层导体为串联关系，因此，线圈电压与线圈的元件边数目有关，在设计中方便电压调整；此外，组成多相绕组的每个线圈中，每两两相邻的元件所跨的定子槽数相同，因此，线圈内相邻元件距离(对于定子槽的间隔)与电机的相数相关，这样，该线圈的拓扑结构可以根据定子槽数进行延伸拓展，形成所需要的极数，尤其适合多极多相的永磁电机线圈。

并且，每个线圈中的元件，无论是双层导体元件还是单层导体元件，均在导体外包覆有外包绝缘材料，绕组导体一侧或两侧通过绝缘直接与槽的两侧接触，大大提高绕组导体的散热能力。

本发明提出的线圈结构，同一槽内导体之间相互绝缘，上下层导体之间形成寄生电容，由于上下层导体之间距离近，上下层之间电场大，对应的电容可以对绕组导体的电感其补偿作用，提高发电机的功率因数。

因此，本发明的电机定子绕组以及定子组件，线圈端部端，电阻损耗小、漏抗小；单层导体由单根或两根并联，散热效果好；线圈上下层之间电容可以对漏抗进行补偿，有利于提高电机功率因数；线圈还可以充分利用电场能量，提高电机能量变换率。

与现有技术相比，本发明具有以下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：

(1)电压调整方便，本发明绕组比整数匝绕组在设计上容易调整电压与磁通之间关系；本发明绕组(线圈)可方便与多极电机匹配，尤其适合用作多极多相电机的定子组件；

(2)端部导线长度小，本发明绕组(线圈)端部尺寸小，节省材料，减小铜耗、减少电机漏抗；绕组采用上下层，每层为一根或两根，即导体两侧直接与定子槽接触，散热面积大，散热效果好；

(3)本发明的绕组线圈具有较大的电容效应，一方面有利于补偿电机绕组电感，提高电机功率因数。

(4)本发明绕组(线圈)具有漏抗小、导电损耗小、功率因数高的特点和电场参与能量转换的优势，对提高电机功率(转矩)密度和效率具有重要意义。

附图说明

图1为构成本发明绕组的单个线圈拓扑结构的示意图。

图2为双层导体元件的结构示意图，其中图2a和图2b分别为双层导体元件的两种不同结构示意图。

图3为构成本发明绕组的单个线圈中各元件的连接示意图。

图4为构成本发明绕组的单个线圈中各元件与转子磁极相对位置示意图。

图5为线圈通过串联或并联方式构成相绕组的示意图(其中图5a为线圈串联组成绕组，图5b为线圈并联组成绕组)。

图6为以三相电机为例的绕组连接方式示意图。

图7为线圈的元件的上下层导体在槽中布置图。

具体实施方式

以下，结合附图和实施例对本发明的实施方式进行详细说明，以更清楚地理解本发明的技术内容。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例一：

参见图1～图7，本永磁电机定子多相绕组，每相由一个线圈或多个线圈连接而成，

每个所述线圈均包括有首端元件和末端元件，所述首端元件为双层导体元件，所述末端元件为单层导体元件，在所述首端元件和末端元件之间还联接有若干个双层导体元件；所述双层导体元件包括由上下两层各自外包绝缘介质的导体组成，并根据需要可以在上下两层外包绝缘的导体之间布置层间绝缘介质，所述单层导体元件由单层导体和包覆其的外包绝缘介质材料组成；

自首端元件起，所有双层导体元件中的上层导体依次连接，并连接到所述末端元件的一端，进线；所述末端元件的另一端，出线，连接至双层导体元件中的下层导体；所有双层导体元件中的下层导体依次连接，至首端元件止，这样，所述首端元件中的上、下层导体分别对应所述线圈的输入、输出端；或者，自首端元件起，所有双层导体元件中的下层导体依次连接，并连接到所述末端元件的进线端，所述末端元件另一端出线连接至双层导体元件中的上层导体，所有双层导体元件中的上层导体依次连接，至首端元件止，这样，所述首端元件中的下、上层导体分别对应所述线圈的输入、输出端；

组成一个所述线圈的每个元件对应一个定子槽，各两两相邻元件所跨的定子槽数相同，所述各相邻的元件分别对应永磁电机转子的不同磁极。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

所述多相为大于等于3相。

每相由多个线圈通过串联或并联连接而成。

所述双层导体元件中，每层导体均由单根外包有绝缘介质材料的导体构成。

所述双层导体元件中，每层导体，即上层导体或下层导体，均是由单根或两根并联的外包有绝缘材料的导体构成。

所述单层导体元件末端元件中，所述单层导体由单根外包有绝缘材料的导体构成。

所述单层导体元件中，所述单层导体可由并联的两根外包有绝缘材料的导体构成。

所述双层导体元件，根据需要可在上下两层外包绝缘的导体之间布置层间绝缘介质材料。

实施例三：

本实施例中，一种永磁电机定子多相绕组，每相由一个线圈或多个线圈连接而成，其中，每个线圈如图1所示，包括有首端元件1和末端元件3，在首端元件1和末端元件3之间还联接有若干个中间元件2，首端元件1和中间元件2均为双层导体元件，末端元件3为单层导体元件。

其中，双层导体元件包括导体内芯和包覆所述内芯的外包绝缘材料，内芯由上下两层导体以及布置在上下两层导体之间的层间绝缘介质材料组成。作为示例，图2a和图2b给出了双层导体元件的两种不同结构示意图。

图2a中，双层导体元件包括导体内芯和包覆该导体内芯的外包绝缘材料214，导体内芯由单根外包有绝缘材料的上层导体211、单根外包有绝缘材料的下层导体212、布置在上层导体211和下层导体212之间的层间绝缘介质材料213组成。

图2b中，双层导体元件包括导体内芯和包覆该导体内芯的外包绝缘材料224，导体内芯由并联的两根外包有绝缘材料的上层导体221、并联的两根外包有绝缘材料的下层导体222、布置在上层导体221和下层导体222之间的层间绝缘介质材料223组成。

单层导体元件由单层导体和包覆其的外包绝缘材料组成。单层导体可以是由单根外包有绝缘材料的导体构成，或者，单层导体也可以是由并联的两根外包有绝缘材料的导体构成。

因此，各双层或单层导体元件中，均只有单根或两根导体在槽中沿圆周方向排列分布，即绕组导体一侧或两侧通过绝缘直接与槽的两侧接触，大大提高绕组导体的散热能力。

而且，无论是双层导体元件还是单层导体元件，均在导体外包覆有外包绝缘材料，保证同一槽内导体之间相互绝缘，上下层导体之间形成寄生电容和电场。由于上下层导体之间距离近，上下层之间电场大，对应的电容可以对绕组导体的电感其补偿作用，提高发电机的功率因数。

单个线圈中首端元件1、中间元件2和末端元件3的连接方式如图1和图3所示，具体结合图1和图3说明如下：

自首端元件1起，所有双层导体元件(即，首端元件1和所有中间元件2)中的上层导体依次连接，并进线连接到单层导体元件(也即是末端元件3)，同时，单层导体元件出线连接至相邻的双层导体元件中的下层导体，并逆次连接所有双层导体元件中的下层导体，最后连接首端元件1的下层导体，即，每个线圈的起始导体与出线末端导体为首端元件1的两层导体元件，首端元件1中的上、下层导体分别对应线圈的输入、输出端；

当然，也可以设置首端元件1中的下层导体对应线圈输入端，上层导体对应线圈输出端，即：自首端元件1起，所有双层导体元件(即，首端元件1和所有中间元件2)中的下层导体依次连接，并进线连接到单层导体元件(也即是末端元件3)，同时，单层导体元件出线连接至相邻的双层导体元件中的上层导体，并逆次连接所有双层导体元件中的上层导体，最后连接首端元件1的上层导体。

作为实施例子，图3给出三相电机单个线圈(如A相线圈)的布置示意图，图3中，31为定子齿，32为定子槽，33为首端元件的上层边，34为中间元件的上层边，35为末端元件(单层导体)，36为中间元件的下层变；37为首端元件的下层边，图中，(A+)表示A相线圈的首端元件上层边出线端，(A-)表示A相线圈的首端元件下层边出线端。

使用时，从首端元件1的上层(或下层)导体通入电流(此为线圈的输入端I)，依次通过所有中间元件2的上层(或下层)导体，到达末端元件3(单层导体)，再逆次通过所有中间元件2的下层(或上层)导体，最后电流从首端元件1的下层(或上层)导体流出(此为线圈的输出端O)。可以发现：一个线圈中，位于同一定子槽的每个元件的上下层导体上流过的电流方向是一致的，每层各导体之间为串联关系，各层导体为串联关系，线圈电压与线圈的元件边数目有关，很方便根据需要对电压进行调整；而且，每个线圈的起始导体与出线末端导体均位于首端元件1所对应的同一槽内，线圈端部导体在定子两侧的距离短，绕组漏抗小。

此外，组成单个线圈的每个元件对应一个定子槽，各两两相邻的元件所跨的定子槽数相同(各元件的间距相等)，因此，线圈内相邻元件距离(对于定子槽的间隔)与电机的相数相关并被确定，这样，该线圈的拓扑结构可以根据定子槽数进行延伸拓展，形成所需要的极数，尤其适合多级多相的永磁电机线圈。这里的多相，尤其是指大于等于3相。

而且，相邻的所述各元件分别对应转子的不同磁极，如图4所示。对于永磁电机，永磁转子上依次装配磁钢，形成N、S、N、S的分布，在磁钢间隙区域，在气隙中磁场表现为一个交变磁场(由N方向磁场变为S方向磁场)。图中41表示首端元件(双层导体)，42表示首端元件出线端(上层导体)，43表示首端元件进线端(下层导体)，44表示端部导体，45表示末端元件(单层导体)，46表示转子永磁体。

将多个上述线圈串联或并联构成相绕组，以三个线圈组成相绕组为例，如图5a和图5b所示。图5a中，将多个上述线圈串联构成一相绕组，由A相绕组、B相绕组、C相绕组构成三相电机定子绕组。图5b中，将多个线圈并联构成一相绕组，由A相绕组、B相绕组、C相绕组构成三相电机的定子绕组。图中，511-513A相绕组中串联或并联的各线圈，514-516B相绕组中串联或并联的各线圈，517-519C相绕组中串联或并联的各线圈。

将上述多相绕组作为定子绕组装配在定子上，构成相应的定子组件。

作为示例，图6给出了以三相电机为例的绕组(单个线圈)布置方式示意图。图6中，将绕组展开为平面，同一线圈的两两相邻的元件间隔3个槽，按图1方式布置连接线圈内各导体，形成双层结构的线圈。601为同一个定子齿，602为同一个定子槽。

图6中，611为A相绕组(线圈)首端元件上层边；612为A相绕组(线圈)首端元件下层边，613为A相绕组(线圈)末端元件边(单层),613所指为同一导体。

621为B相绕组(线圈)首端元件上层边，622为B相绕组(线圈)首端元件下层边，623为B相绕组(线圈)末端元件边(单层)，623所指为同一导体。

631为C相绕组(线圈)首端元件上层边，632为C相绕组(线圈)首端元件下层边，633为C相绕组(线圈)末端元件边(单层)，633所指为同一导体。

可见，各线圈首末端之间的电压与本线圈个导体电压有关，是各导体串联和的电压。

设整个线圈有Zk个元件，即对应Zk个槽，在电机旋转时，每根(槽中的上层或下层导体)导体产生的电势为Eb，一个线圈总的电势为Ek，Ek＝(2×Zk-1)Eb

假设，电机某相绕组由Np个线圈串联Nb个线圈并联而成，该相绕组总电势Eph为：Eph＝Np×Ek。

图7为线圈的元件的上下层导体在槽中布置图。作为一个例子，采用单根导体绕制成线圈。图7中，71为上层边导体(含外包绝缘)，72为下层边导体(含外包绝缘)，73为层间绝缘材料；74为元件外包绝缘。图7a为定子直槽、导体为矩形时的槽内导体布置情况；图7b为定子平行四边形槽、导体为矩形时的槽内导体布置情况，图7c为定子直槽、导体为圆形时的槽内导体布置情况，图7的为定子平行四边形槽、导体为圆形时的槽内导体布置情况。

本领域技术人员可以理解，上述的双层导体元件中，导体内芯也可以采取其它结构，例如，导体内芯由单根外包有绝缘材料的上层导体、并联的两根外包有绝缘材料的下层导体、布置在上层导体和下层导体之间的层间绝缘介质材料组成；或者，导体内芯由并联的两根外包有绝缘材料的上层导体、单根外包有绝缘材料的下层导体、布置在上层导体和下层导体之间的层间绝缘介质材料组成。虽然制作上有不便之处，但仍然可以视为实施方式之一。

本领域技术人员可以理解，上述的外包有绝缘材料的导体可以为一般电机常用的电磁线(即，漆包线)，由铜、或铝、或合金等具有高导电率的材料和外包绝缘膜组成；也可以是截面为矩形的导体(外包绝缘材料)，还可以为特别设计的截面形状的外包绝缘的导体。当然，外包绝缘材料和层间绝缘应该满足足够的绝缘耐压和耐电晕性能。

并且，每个线圈中的元件，无论是双层导体元件还是单层导体元件，均在导体外包覆有外包绝缘材料，保证同一槽内导体之间相互绝缘，也是金属导体之间寄生电容介质，上下层导体之间形成寄生电容。这样，上层导体与下层导体之间的区域产生较大的电场能量和电容，对应的电容可以对绕组导体的电感其补偿作用，提高发电机的功率因数。另外，当电机具有低频磁场激励，又有高频分量磁场激励时，电场参与能量变换，有利于谐波电磁能量的利用，对进一步提高发电机的发电功率，具有很大的意义。

本领域技术人员可以理解，各所述元件的形状可以适应不同的槽形。例如，如图7a-图7d所示，槽体为开口槽，槽形可以是槽中心线穿过电机中心点的直槽(截面为矩形，见图7a和图7c)，也可以是槽中心线偏离电机中心点的非直槽(截面为平行四边形，见图7b和图7d)。元件导体的截面形状可以为方形或圆形(典型的应用)。

可见，上述电机定子绕组，本发明绕组(线圈)可方便与多极电机匹配，尤其适合用作多极多相电机的定子组件，本发明绕组(线圈)端部尺寸小，节省材料，减小铜耗、减少电机漏抗；绕组导体一侧或两侧直接与定子槽接触，散热面积大，散热效果好；线圈具有较大的电容效应，有利于补偿电机绕组电感，提高电机功率因数，还可以充分利用线圈谐波电场能量，对进一步提高电机能量变换率，具有很大的潜力。因此本发明绕组(线圈)具有漏抗小、导电损耗小、功率因数高等优势，对提高电机功率(转矩)密度和效率具有重要意义。

由此可见，本发明的目的已经完整并有效的予以实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中予以展示和说明，在不背离所述原理下，实施方式可作任意修改。本发明包括了基于权利要求精神及权利要求范围的所有变形实施方式。

Claims (5)

1.一种永磁电机定子多相绕组，其特征在于：每相由一个线圈或多个线圈连接而成，每个所述线圈均包括有首端元件和末端元件，所述首端元件为双层导体元件，所述末端元件为单层导体元件，在所述首端元件和末端元件之间还联接有若干个双层导体元件；所述双层导体元件包括由上下两层各自外包绝缘介质的导体组成，在上下两层外包绝缘的导体之间布置层间绝缘介质，所述单层导体元件由单层导体和包覆其的外包绝缘介质材料组成；

自首端元件起，所有双层导体元件中的上层导体依次连接，并连接到所述末端元件的一端，进线；所述末端元件的另一端，出线，连接至双层导体元件中的下层导体；所有双层导体元件中的下层导体依次连接，至首端元件止，这样，所述首端元件中的上、下层导体分别对应所述线圈的输入、输出端；或者，自首端元件起，所有双层导体元件中的下层导体依次连接，并连接到所述末端元件的进线端，所述末端元件另一端出线连接至双层导体元件中的上层导体，所有双层导体元件中的上层导体依次连接，至首端元件止，这样，所述首端元件中的下、上层导体分别对应所述线圈的输入、输出端；

组成一个所述线圈的每个元件对应一个定子槽，各两两相邻元件所跨的定子槽数相同，各相邻的元件分别对应永磁电机转子的不同磁极；

所述多相为大于等于3相；

每相由多个线圈通过串联或并联连接而成。

2.如权利要求1所述的永磁电机定子多相绕组，其特征在于：所述双层导体元件中，每层导体均由单根外包有绝缘介质材料的导体构成。

3.如权利要求1所述的永磁电机定子多相绕组，其特征在于：所述双层导体元件中，每层导体，即上层导体或下层导体，均是由单根或两根并联的外包有绝缘材料的导体构成。

4.如权利要求1所述的永磁电机定子多相绕组，其特征在于：所述单层导体元件末端元件中，所述单层导体由单根外包有绝缘材料的导体构成。

5.如权利要求1所述的永磁电机定子多相绕组，其特征在于：所述单层导体元件中，所述单层导体由并联的两根外包有绝缘材料的导体构成。