CN112217306A - 一种多相绕组及其定子组件和电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多相绕组及其定子组件和电机。每相绕组由一个或多个单元绕组连接而成，每个单元绕组包括：首端双层导体模块、若干中间双层导体模块和末端单层导体模块以及连接各模块的端部导体，所有双层导体模块的上、下层导体通过端部导体连接构成上、下层波浪型半绕组，上、下层波浪型半绕组通过末端单层导体串联，所有导体均外包绝缘。该多相绕组在交变磁场中具有特殊电磁效应。定子组件与永磁转子组成电机，在含高频脉冲成分的交变磁场激励下，双层导体模块内激发出特殊电磁效应，在电磁能传输过程中进入导体内部的电磁能被大大减小。本发明绕组具有漏抗小、热损耗小等优点，对提高机电能量转换效率和电机功率密度具有重要意义。

Description

一种多相绕组及其定子组件和电机

技术领域

本发明涉及机电能量变换领域，尤其是电动机领域,具体涉及一种多相绕组及其定子组件和电机。

背景技术

导体是传输电能的载体，在电力系统输配电系统中，电阻损耗导致电能传输效率降低；在电机领域，导线是能量变化(机械能-电能)的载体，导线的电阻损耗越大，发电效率越低，电机内部发热越大，相应配设的散热材料的体积也越大。

电机的损耗主要包括绕线传输电流时的电阻发热损耗、磁场变化在磁路中引起的铁芯损耗，以及其它杂散损耗。追求低损耗高效率是电机(发电机、电动机)领域发展的长期目标，为此，研究人员开展了许多研究，包括提高磁负荷和电负荷的新型结构(如横向磁通电机)、优化电机内部磁场分布、采用低损耗导电材料和导磁材料、提高电机功率因数等等。

从本质上讲，电机的体积与电机热损耗密切相关，损耗由铁芯损耗和电枢绕组的铜损耗组成，电机的功率(转矩)密度与电机的气隙磁密和电机热损耗有关，其中电机电流的载体(线圈导体)的发热和电机散热对电机的功率密度有重要影响。提高电机的功率密度，对装备小型化有重要意义，而降低电机的损耗，一方面可以提高电机功率密度，另一方面将大大提高能源利用率，因此，电机高效率低损耗技术，一直是电机领域的研究热点。而当前常规的电机或发电机的结构严重制约了其在效率提升和小型化的实现上的改进。因此，开发一种全新的低损耗的电机绕组技术，有效提高发电系统机电能量转换的效率，对提高电机的功率密度和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

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种新型的多相绕组、定子组件以及相应的电机，组成多相绕组的单元绕组采取特殊的双层导体结构，包括该多相绕组以及辅助励磁绕组的定子组件，通入高频脉冲电流以调制电机的磁场，激发双层导体内部电磁效应，充分利用电机内部电、磁、机械能量的耦合关系，提高定子组件和绕组的电磁能量，提高电机能量变换率、减少导体损耗。

本发明的上述目的，通过以下技术方案来实现：

一种设在电机定子上的多相绕组，每相绕组由一个或多个单元绕组连接而成，其中，

每个所述单元绕组，包括：首端模块、若干中间模块和末端模块以及连接各所述模块的端部导体，所述中间模块处于所述首端模块和末端模块之间；

所述首端模块和中间模块均为双层导体模块，所述双层导体模块由设置在同一个定子槽内的上层导体和下层导体构成，所述末端模块为单层导体模块，所述单层导体模块由设置在末端定子槽内的末端单层导体构成；

所有双层导体模块中的上层导体通过各所述端部导体连接构成上层波浪型半绕组，所有双层导体模块中的下层导体通过各所述端部导体连接构成下层波浪型半绕组，所述上层波浪型半绕组和下层波浪型半绕组通过所述末端单层导体串联；所有所述导体均外包绝缘。

在本发明的一具体实例中，在同一定子槽内，同一双层导体模块中上下层导体沿着槽深方向上下叠放，上下层导体在槽底面上的投影至少部分重叠。

在本发明的一具体实例中，每相绕组由多个单元绕组连接而成，所述多个单元绕组布置在同一个双层空间内，形成双层复合绕组。

在本发明的一具体实例中，构成所述双层复合绕组的多个单元绕组中，至少存在一个非等间距单元绕组。

在本发明的一具体实例中，构成所述双层复合绕组的多个单元绕组，包括一个等间距单元绕组和偶数个非等间距单元绕组。

本发明还公开了一种定子组件，包括上述多相绕组。

本发明还公开了一种电机，包括上述定子组件和永磁转子，单个所述单元绕组中，两两相邻的所述导体模块分别对应转子的两个相邻的磁钢，转子上各磁钢按南北极交替的顺序依次排列。

在本发明的一具体实例中，所述电机中，在永磁转子上依次装配有宽度相同的永久磁钢，且两两相邻的磁钢之间的间隙相等，且所述间隙与定子槽口宽度相当。

本发明还公开了另一种定子组件，包括上述多相绕组和辅助励磁绕组。

本发明还公开了另一种电机，包括上述的另一种定子组件、永磁转子和磁场调制控制模块，所述调制控制模块用于调控给所述辅助励磁绕组施加励磁脉冲电流。

本发明中，组成单元绕组的双层导体模块，同一定子槽内的上下层导体至少部分重叠，形成特殊的内部电场和电容效应。通过合理设计转子磁钢间(隙)距离与定子槽口宽度，或者设置辅助绕组并控制脉冲电流激励，在双层导体模块上感应出高频电势脉冲，激发导体上行波电流，在双层导体模块的上下层导体上激发出电荷“集聚-消散”的振荡形态，进一步保障和加剧双层导体之间的内部电容效应，使得双层导体内侧上下层导体的表面切向电场大大减小，小于一般单根导体或并行的传输线的表面切向电场。由导体表面进入导体内部的电磁能被大大减少，从而大大减少槽内导体内部热损耗，提高了能量传递效率。

另外，组成单元绕组的所有导体均外包绝缘，绕组导体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；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，对应的电容可以对绕组导体的电感起补偿作用，提高发电机的功率因数；而且，组成各相绕组的每个单元绕组中，端部导体在定子两侧的距离短，因此，绕组导体电阻小、漏抗小。每个双层导体模块所在的定子槽中，流经上下层导体的电流方向一致，同一个单元绕组中每层各导体之间为串联关系，各层导体为串联关系，因此，单元绕组电压方便进行调整。

因此，本发明的绕组、定子组件以及电机，充分利用电机内部电、磁、机械能量的耦合关系，提高电机能量变换率，减少损耗，将电能通过磁场能高效转化为机械能，或将机械能高效低损耗地转换为电能。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

(1)本发明绕组电压调整方便，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)本发明绕组端部尺寸小，节省材料，减小绕组漏抗和电阻。

(3)本发明绕组导体与定子槽接触面积大，散热面积大，散热效果好；适合硬绕组制作，本发明绕组很少出现制作过程同方向连续弯曲。

(4)本发明绕组包含双层导体模块，具有特殊的电容效应，一方面有利于补偿电机绕组电感，提高电机功率因数，另一方面，大大减小进入导体内部电磁能和导体内部热损耗，机电能量转换效率高。

(5)本发明绕组结构紧凑，便于制作。

附图说明

图1为一个典型的单元绕组的结构示意图。

图2a给出一个典型的双层复合绕组的布置情况。

图2b为构成图2a所示的双层复合绕组中各单元绕组的布置示意图。

图3给出了另一个典型的双层复合绕组的布置情况。

图4a为双层导体模块中上下层导体之间形成的电场模型。

图4b为永磁转子在气隙中产生的磁场(磁密波)示意图。

图4c为永磁转子在导体上感应的两类电势波形示意图。

图4d为永磁转子磁场在导体上产生的合成电势波形示意图。

图4e为某一时刻双层导体模块中导体表面的电荷分布示意图

图5a为单根导体通电流在其周围产生的磁场分布示意图。

图5b为两根导体通电流在其周围产生的磁场分布示意图。

图6为单根导体表面及周围电场、磁场与坡印廷矢量示意图。

图7为双层导体模块中导体表面电荷及周围磁场分布示意图，图中，▲和▼表示电荷及电流方向，·和╳表示磁场方向，S表示坡印廷矢量。

图8为一种具有辅助励磁绕组和励磁控制的电机系统示意图。

图9为由永磁体磁场和辅助励磁电流产生的脉冲磁场共同在导体上产生感应电势示意图。

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

本发明的一具体实施例中，一种设在定子上的多相绕组，每相由一个或多个单元绕组通过串联或并联连接而成。

每个单元绕组，如图1所示，包括：首端模块11、若干中间模块12和末端模块13以及连接各模块的端部导体，中间模块12处于首端模块11和末端模块13之间，其中，首端模块11和中间模块12均为双层导体模块，双层导体模块由设置在同一个定子槽内的上层导体和下层导体构成，末端模块13为单层导体模块，单层导体模块由设置在末端定子槽内的单层导体(又称为末端单层导体)构成；所有双层导体模块中的上层导体通过各端部导体连接构成上层波浪型半绕组14，上层波浪型半绕组14沿绕制方向像波浪似的前进，所有双层导体模块中的下层导体通过各端部导体连接构成下层波浪型半绕组15，下层波浪型半绕组15沿绕制方向像波浪似的前进，上层波浪型半绕组14和下层波浪型半绕组15通过末端单层导体串联(末端单层导体所在的末端又称为连接端16)；所有导体(包括所有上层导体、下层导体、末端单层导体和端部导体)均外包绝缘。

上述单元绕组的连接方式具体说明如下：

自首端模块11起，所有双层导体模块(即，首端模块11和所有中间模块12)中的上层导体通过各端部导体依次连接，并进线连接到单层导体模块(也即是末端模块13)，同时，单层导体模块的出线连接至相邻的双层导体模块中的下层导体，并通过各端部导体逆次连接所有双层导体模块中的下层导体，最后连接至首端模块11的下层导体，即，每个单元绕组的起始导体与出线导体分别为首端模块11的上层导体和下层导体，首端模块11中的上、下层导体分别对应单元绕组的输入口、输出口；或者，也可以设置首端模块11中的下层导体对应单元绕组的输入口，上层导体对应单元绕组的输出口，即：自首端模块11起，所有双层导体模块(即，首端模块11和所有中间模块12)中的下层导体通过各端部导体依次连接，并进线连接到单层导体模块(也即是末端模块13)，同时，单层导体模块的出线连接至相邻的双层导体模块中的上层导体，并通过各端部导体逆次连接所有双层导体模块中的上层导体，最后连接至首端模块11的上层导体。

使用时，从首端模块11的一层导体(上层或下层导体)通入电流(此为单元绕组的输入口)，依次通过所有中间模块12的上层(或下层)导体，到达末端模块13(单层导体)，再逆次通过所有中间模块12的下层(或上层)导体，最后电流从首端模块11的另一层导体(下层或上层导体)流出(此为单元绕组的输出口)。

可以发现，一个单元绕组中，位于同一定子槽的每个双层导体模块的上下层导体上流过的电流方向是一致的，每层各槽内导体之间为串联关系，上下层导体与单层导体为串联关系，单元绕组电势与绕组拥有的双层导体模块数目有关，很方便根据需要对电压进行调整；而且，每个单元绕组的起始导体(输入口)与出线末端导体(输出口)均位于首端模块11所对应的同一槽内，这样一来，单元绕组的端部导体在定子两侧的距离短，绕组漏抗小；此外，由于定子槽在定子铁心圆周内表面沿定子铁芯轴向设置，当槽内导体外包覆有绝缘材料时，槽内导体的两侧通过绝缘材料与定子槽的两侧直接接触，导体散热效果非常好。

上述各个单元绕组中，在同一定子槽内，同一双层导体模块中上下层导体沿着槽深方向(即，定子铁芯径向)上下叠放，上下层导体在槽底面上的投影完全重叠或大部分重叠(即，至少部分重叠)。而且，在双层导体模块中，同一定子槽内的上下层导体之间相互绝缘，上下层导体之间形成寄生电容。由于上下层导体之间有来自与之连接的模块传递的电势，在电场和磁场的作用下，上层导体与下层导体之间的区域存在大量的自由电荷，形成特殊电容和电场。

上述的每个单元绕组可以由单根导体(一般为材质较软的导线)绕制而成，也可以由各槽内导体(一般为硬导体材料)在端部焊接而成，这样，在一个定子槽内，无论是上层导体、下层导体还是单层导体都是单根导体。

上述单个单元绕组中，各两两相邻的模块所跨的定子槽数(也称为模块间距)可以相同(相等)，也可以不相同(不相等)。

对于单个单元绕组来说，各模块间距相等，称之为等间距单元绕组；各模块间距不等，称之为非等间距单元绕组。

对于多个单元绕组来说，具有相同的模块间距分布的各单元绕组的结构相同，对不同的单元绕组设置不同的起始位置，可以将多个单元绕组布置在同一个双层空间内，形成双层复合绕组，这种情形，不同单元绕组的槽内导体在同一个双层空间，但端部导体会在空间发生交叠。具有不相同的模块间距分布的各单元绕组的结构不同，通过设计不同单元绕组中相邻模块间距和单元绕组的起始位置，可以将多个结构不同的单元绕组布置在同一个双层空间内，形成双层复合绕组，这种情形，分属不同单元绕组的端部导体同一个双层空间内，在结构更加紧凑。

作为示例，图2a和图2b分别给出了一个典型的双层复合绕组以及构成复合绕组的多个单元绕组的布置情况。图2a和图2b中，双层复合绕组由3个单元绕组24、25、26串联连接构成，其中，第1个单元绕组25和第3个单元绕组26均为非等间距单元绕组，第2个单元绕组24为等间距单元绕组，3个单元绕组的模块间距和起始位置的设计，可以使得各模块分别置于不同的定子槽内，从而可以将这3个结构不同的单元绕组布置在同一个双层空间(由上层波浪型半绕组21和下层波浪型半绕组22构成)内，形成双层复合绕组23，结构紧凑，节省绕组导体材料，减小绕组在端部的漏抗、和绕组的电阻及其带来的损耗。

作为示例，图3给出另一个典型的双层复合绕组的结构示意图。图3中，双层复合绕组由三个单元绕组连接(串联或并联)构成，三个单元绕组中各模块间距均相等。其中，61为同一个定子齿，62为同一个定子槽。63为第一单元绕组首端模块上层导体，64为第一单元绕组首端模块下层导体，65为第一单元绕组末端模块导体(单层)，65所指为同一导体。66为第二单元绕组首端模块上层导体，67为第二单元绕组首端模块下层导体，68为第二单元绕组末端模块导体(单层)，68所指为同一导体。69为第三单元绕组首端模块上层导体，70为第三单元绕组首端模块下层导体，71为第三单元绕组末端模块导体(单层)，71所指为同一导体。

图3中为三个相同的等间距单元绕组构成双层复合绕组的示意图。将上下层导体展开在同一平面，即，三个单元绕组布置在同一个双层空间，形成双层复合绕组。但是，由于各个单元绕组的端部导体之间存在交叠，对制作工艺会有一些要求。

相较而言，图2a和图2b中所示的双层复合绕组在制作上更具优势。即，至少存在一个非等间距单元绕组时，使得布置在同一个双层空间的多个单元绕组的端部导体之间不交叠，在制作工艺上更方便。

处于相同或不同双层空间的多个单元绕组通过串联或并联组成电机的多相绕组。

将图2a、图2b或图3所示的双层复合绕组作为定子绕组，装配在定子铁心上，构成定子组件。各导体模块(按上下层)放置在槽内，每个单元绕组中各两两相邻的导体模块分别对应转子的两个相邻的磁钢。进一步，上述定子组件和永磁转子可以组成电机系统。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(即，各磁钢按南北极交替的顺序依次排列)，在磁钢间隙区域，在气隙中磁场表现为交变磁场(如由N方向磁场变为S方向磁场)。

在上述电机系统中，在永磁转子上依次装配宽度相同的永久磁钢，且两两相邻的磁钢之间的间隙相等，定子槽数为永磁转子所含磁钢数的整数倍M。当转子磁钢之间的间隙与定子槽口宽度相当时，磁场的交变程度也会变大，在单元绕组和双层导体模块上感应的电势会含有高频脉冲成分，且可以根据磁钢间距和定子槽口尺寸设置该脉冲含有的频率。

本发明还公开了一种电机，包括上述定子组件和永磁转子，每个所述单元绕组中，两两相邻的所述导体模块分别对应转子的两个相邻的磁钢，转子上各磁钢按南北极交替的顺序依次排列。

为了便于更好地理解，以下将对上述绕组、定子组件以及电机的原理进行说明。

图4a给出了在本发明中双层导体模块上下层导体之间形成的电场模型。图4a中，ab为上层导体，cd为下层导体，J₁、J₂分别为上、下层导体内单位长度上的电流，ε₁和ε₂分别为上、下层导体内单位长度上的电势，z代表轴向方向上的某一位置的坐标，△代表在轴向方向z的一个位置区间。图4a中，流过上、下层导体的电流方向相同，上、下层导体构成串联，上层电流输入口(a端)和下层电流输出口(d端)瞬时值相同，b、c两端的电流相等。

永久磁体在转子上以N、S交替分布，图4b给出了永磁转子在气隙中产生的磁场(磁密波)示意图，该示意图是在假设定子表面为光滑(无槽)、磁钢产生的磁势分布为正弦的情况下的磁密分布。由图4b可见，在定转子轴向方向，气隙磁通分布基本相同；在转子径向方向，磁密分布近似为正弦波。

事实上，永久磁钢的尺寸(尤其是磁钢间隙)、定子槽口尺寸，对磁密分布有重要影响。如转子磁钢间距与定子槽口宽度相当的情形，转子磁钢运动过程中，在磁极交变时，槽口处(导体)的磁场的交变程度也会变大，电机中永磁体磁场在双层导体模块的导体上感应的电势会含有高频脉冲成分，如图4c所示，其与通常电机中永磁体磁场产生的近似正弦波的感应电势明显不同。图4c中，虚线为不考虑定子槽口(假设定子表面光滑无槽)时导体上的感应电势近似为正弦波，实线为当槽口宽度与磁极之间间隙相当时，导体上附加的脉冲电势，该脉冲电势含有较高的频率成分。图4d为永磁转子磁场(槽口宽度与磁极之间间隙相当)在导体上产生的合成电势波形。

由于上下层导体之间的电容效应，磁场在导体上感应的高频脉冲电势也作用在双层导体的两端，对应轴向磁场的端部位置，使得双层导体电容上的电荷分布严重不均匀，在双层导体内电荷呈“快速积聚-消散”现象，电流在双层导体模块的导体内沿轴线z方向为行波(具体的分析过程请见后附)。某一时刻双层导体模块导体表面的电荷分布示意图如图4e所示。图4e中，双层导体模块导体表面存在电荷交变的振荡形态。

当双层导体模块通过电流时，在导体周围存在电流产生的磁场，图5a给出了单根导线(导体)通电流在其周围产生的磁场分布示意图，图5b给出了双导线(导体)通电流在其周围产生的磁场分布示意图。可见，双层导体模块内部是个电场和磁场共同作用的区域，受到磁场的影响，双层导体模块的上下层导体之间的电容，不但与导体形状尺寸、导体外包绝缘材料以及导体间隙等有关，也与导体之间的磁场分布相关。

图6给出了单根导体通电流的某时刻导体表面及周围电场、磁场与坡印廷矢量示意图。坡印廷矢量S定义为：S＝E×H，其中，E为电场强度，H为磁感应强度。在电磁场中，当电场和磁场确定以后，坡印廷矢量S可以用来表达场中各点的功率密度(或能流密度)，并解释电磁能量的损耗和传输现象。在导线传输电能的场合，当采用坡印廷矢量S来描述能量时，进入导体的能量并不是用来传输能量，而是导体消耗的能量。

单根导体电流产生的磁力线是以轴与截面交点为圆心的同心圆，显然坡印廷矢量S愈深入导体，数值愈小，表示能量逐渐消失。由于导体有电阻，所以本身还要消耗能量。在图6中导体外坡印廷矢量S略微倾斜，部分能量流入导体补偿损耗；只有在理想(完整)导体或超导体周围，此时导体不消耗能量，坡印廷矢量S才完全与导体表面平行。

图7给出了双层导体模块中导体表面电荷及周围磁场分布示意图。图7中双导线即指双层导体模块。图7中，双层导体模块内导体上电流内沿轴线z方向为行波，导体表面的电荷沿导体轴线方向(z)分布不均匀，在某一位置(z)，上下层导体的电荷数量相同符号相反，电荷数量近似正弦函数变化。导体表面的电场主要为法向方向，切向方向很小。由于导体上电流为行波，故导体周围产生的磁场在导体轴向方向的分布也为交变磁场；另外，由于属于同组(即同一个双层导体模块)的上下层电流在同一位置的相位差180度，故双层导体(上下层导体)之间的磁场相互叠加。可见，与单根导体相比，进入双层导体模块内部的坡印廷矢量S很小，因此其发热损耗比一般的输电线要小得多。

以下为电流行波解的分析过程：

参考图4a给出的双层导体模块上下层导体之间的电场模型。图4a中，ab为上层导体，cd为下层导体。z为上下层导体的轴向方向(也可指轴向方向上的某一位置的坐标)，△代表在轴向方向的一个位置区间。J₁、J₂分别为上、下层导体内单位长度上的电流，ε₁和ε₂分别为上、下层导体内单位长度上的电势。图4a中，流过上、下层导体的电流方向相同，上、下层导体构成串联，上层电流输入口(a端)和下层电流输出口(d端)瞬时值相同，b、c两端的电流相等。

为方便分析，将磁场对电容的影响等效处理为电容值的修正，双层导体模块上下层导体上的电流行为遵从“波动方程”。

设双层导体内单位长度的电荷为Q，单位长度上的电容为C₀，单位长度上由于外部交变磁场在导体上感应电势为ε，导体单位长度上的电流、电阻和电抗分别为J、R、L。

电流方向按发电机定义与电势方向一致，定义上下层导体之间(相同轴向坐标z处)的电压差为“横向电压”，用U表示，则上下两层导体单位长度上的横向电压差可表达为：

其中，α为系数，不失一般性，此处J、ε为上层导体在单位长度上的电流、感应电势。

在图4a中所示的空间位置z处，有电流方程：

在图4a中所示的空间位置z处，上下两层导体的横向电压差为

U(z)＝Q/C₀ (2)

双层导体内单位长度的电荷Q与导线表面上的流过的电流J的关系有：

令C＝αC₀，C为修正电容值，上式(3)可进一步写成式(4)形式

式(4)两边对时间t求偏导数，结合电流方程(1)，得

得到波传导方程

由于

R≠0，如果在双层导体轴向上的电势有很大变化(如导体端部磁场变化很大，近似为脉冲变化)，考虑到a、d两端(和b、c两端)的电流相等，则波动方程(5)的电流有如下行波解形式。

J(z,t)＝Je^j(kz+ωt+φ) (6)

其中，k为传播系数；ω为电流角频率，φ为代表电流相位角。

根据图4a所示的串联模型，重新定义z方向坐标，在z轴上，下层导体的z方向坐标区间为[0,l]，上层导体的z方向坐标区间为[l,2l]，鉴于双层导体模块特殊的连接结构，a、d两端的电流相等，b、c两端的电流相等。电流J在[0,2l]区间是以l为中心点的周期函数，傅里叶级数展开

且有

根据上述分析可知，电流在双层导体模块的导体内沿轴线z方向为行波，电荷在z方向发生振荡。在同一空间位置z，当上下层导体电流的相位差180度，导体之间电场基本上垂直与导体表面，这种情况下，双层导体模块的上下层导体上的电荷“集聚-消散”的振荡形态。进入导体内部的电磁能大大减小，故导体损耗减小。

实施例二

本实施例与实施例一的不同之处仅在于，在定子组件中还设置辅助励磁绕组。相应地，在采用该定子组件的电机上还设置有磁场调制控制模块。具体说明如下：

一种定子组件，包括上述多相绕组和辅助励磁绕组，其中，每相绕组对应一个辅助励磁绕组，将辅助励磁绕组(或导体)布置在该相绕组的某一单元绕组所在的各定子槽内且单层布置，辅助励磁绕组的连接方式与该单元绕组的波浪型半绕组相同。

在该定子组件中，通过外部励磁控制器向辅助励磁绕组注入以主磁场交变过零时刻为参考的交变脉冲电流，即在每次主磁场发生交变时刻的附近，在辅助励磁绕组中注入交变脉冲电流，使得辅助励磁绕组产生交变脉冲磁场，从而在同槽内的双层导体模块上产生感应交变电势脉冲。通过控制辅助励磁绕组电流脉冲波形，在双层导体模块上产生含有高频脉冲电势。

上述包括辅助励磁绕组的定子组件和永磁转子也可以组成电机系统，在该电机系统中，还可以包括：磁场调制控制模块。

如图8所示，一种电机系统，包括：电机89以及和电机89连接的磁场调制控制模块81，电机89包括电机定子组件86和电机转子88(永磁转子)，电机定子组件86包括定子铁心、电机定子多相绕组85和电机定子辅助励磁绕组87；磁场调制控制模块81包括辅助励磁控制器82、励磁电源83和转子位置传感器84。其中，励磁控制器82根据永磁转子位置传感器84提供的信息，给辅助励磁绕组87施加励磁脉冲电流，使得辅助励磁绕组87产生交变脉冲磁场，该交变磁脉冲在双层导体模块上感应出高频交变脉冲电势。由励磁电源83为励磁控制器82提供励磁电流控制的直流电源。永磁转子位置传感器84，用于检测转子88的旋转过程中安装在其上的各永久磁钢(具有N极和S极两种极性)的位置信息，并提供给励磁控制器82。永磁转子位置传感器84，可以采用磁编码器或者旋转变压器。

在上述电机中，由辅助励磁绕组通脉冲电流产生的脉冲磁场，其作用在双层导体模块上产生含有高频脉冲成分的电势，如图9所示。图9中，实线代表辅助励磁绕组电流脉冲产生的脉冲磁场在导体上感应的电势，虚线为电机中永磁体磁场在导体上感应的电势，与实施一中图4d相同，也含有高频脉冲成分。可见，辅助励磁绕组电流脉冲的施加，加剧了高频脉冲成分。此外，还可以通过控制辅助励磁绕组电流脉冲波形获得所需的频率和对应幅值。

当在双层导体模块一侧(能量传输入口侧)施加以主磁场交变频率重复的脉冲电势，因脉冲电势的峰值高于主磁场感应的电势，双层导体模块能量传输入口侧的电场受到冲击，大量电荷聚集，随高频电势冲击，并在导体电势的作用下，集聚的电荷向双层导体模块另一侧(能量传输出口侧)扩散传递。

当定子组件和永磁转子发生相对运动(电动机或发电机状态)，由永磁转子对应的主磁场在双层导体模块上下层导体之间产生交变主电场，由辅助励磁绕组励磁对应的脉冲磁场在双层导体模块的上下层导体间产生脉冲电势。在两个电场的共同作用下，双层导体模块的上下层导体上激发出电荷“集聚-消散”的振荡形态。电荷在导体轴向分布不均匀，上下层导体上的电流、感应电势为行波。

本实施例中，通过辅助绕组通脉冲电流激励在双层导体模块上产生含有高频脉冲成分的电势，与实施例一中通过转子磁钢间距与定子槽口宽度的合理设计来获得含有高频脉冲成分的电势，原理相同，均可使得双层导体模块的上下层导体上激发出电荷“集聚-消散”的振荡形态，上下层导体上的电流、感应电势为行波，损耗降低。而且，采用辅助绕组通脉冲电流激励在双层导体模块上产生含有高频脉冲成分的电势，还可以通过控制辅助励磁绕组电流脉冲波形获得所需的频率和对应幅值。因此，单独利用辅助励磁绕组在双层导体模块上产生含有高频脉冲成分的电势(无需将转子磁钢间距与定子槽口宽度设置为相当)，或者将辅助励磁绕组与电机物理结构(将转子磁钢间距与定子槽口宽度设置为相当)相结合在双层导体模块上产生含有高频脉冲成分的电势，均较之实施例一中通过单独设置电机物理结构在双层导体模块上产生含有高频脉冲成分的电势，所产生的效果更佳。

综上，上述电机定子绕组及其组件，充分利用电机内部电、磁、机械能量的耦合关系，提高定子和绕组组件的电磁能量，提高电机能量变换率、减少损耗。

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(如，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，外包绝缘材料应该满足相应的绝缘耐压和耐电晕性能。

上述电机定子绕组，本发明绕组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，本发明绕组端部尺寸小，节省材料，减小铜耗、减少电机漏抗；绕组导体两侧直接与定子槽接触，散热面积大，散热效果好；绕组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，还可以充分利用绕组谐波电场能量，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。

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 (10)

1.一种设在电机定子上的多相绕组，每相由一个或多个单元绕组连接而成，其特征在于：

每个所述单元绕组，包括：首端模块、若干中间模块和末端模块以及连接各所述模块的端部导体，所述中间模块处于所述首端模块和末端模块之间；

所述首端模块和中间模块均为双层导体模块，所述双层导体模块由设置在同一个定子槽内的上层导体和下层导体构成，所述末端模块为单层导体模块，所述单层导体模块由设置在末端定子槽内的末端单层导体构成；

所有双层导体模块中的上层导体通过各所述端部导体连接构成上层波浪型半绕组，所有双层导体模块中的下层导体通过各所述端部导体连接构成下层波浪型半绕组，所述上层波浪型半绕组和下层波浪型半绕组通过所述末端单层导体串联；所有所述导体均外包绝缘。

2.如权利要求1所述的多相绕组，其特征在于：在同一定子槽内，同一双层导体模块中上下层导体沿着槽深方向上下叠放，上下层导体在槽底面上的投影至少部分重叠。

3.如权利要求1或2所述的多相绕组，其特征在于：每相绕组由多个单元绕组连接而成，所述多个单元绕组布置在同一个双层空间内，形成双层复合绕组。

4.如权利要求3所述的多相绕组，其特征在于：构成所述双层复合绕组的多个单元绕组中，至少存在一个非等间距单元绕组。

5.如权利要求3所述的多相绕组，其特征在于：构成所述双层复合绕组的多个单元绕组，包括一个等间距单元绕组和偶数个非等间距单元绕组。

6.一种定子组件，包括如权利要求1-5中任一项所述的多相绕组。

7.如权利要求6所述的定子组件，还包括：辅助励磁绕组。

8.一种电机，包括如权利要求6所述的定子组件和永磁转子，单个所述单元绕组中，两两相邻的所述导体模块分别对应转子的两个相邻的磁钢，转子上各磁钢按南北极交替的顺序依次排列。

9.如权利要求8所述的电机，在永磁转子上依次装配有宽度相同的永久磁钢，且两两相邻的磁钢之间的间隙相等，且所述间隙与定子槽口宽度相当。

10.一种电机，包括如权利要求7所述的定子组件、永磁转子和磁场调制控制模块，所述磁场调制控制模块用于调控给所述辅助励磁绕组施加励磁脉冲电流。

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