CN113036954A - 一种双绕组定子及永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明具体涉及一种双绕组定子及永磁电机，包括定子铁心与定子绕组，所述定子绕组包含主驱绕组与辅驱绕组；所述定子铁心从端部看第一圆周上均布有轴向贯通的矩形槽，所述矩形槽间构成定子铁心的主齿部，及同心的第二圆周上均布有轴向贯通的半闭式梨形槽，所述梨形槽间构成定子铁心的辅齿部；所述主驱绕组的绕设方式为分布式单层整距，包含多条扁线，所述扁线穿过矩形槽并绕设于主齿部，所述辅驱绕组包含多条圆线，所述圆线嵌入至梨形槽并绕设于辅齿部。本方案主驱绕组采用扁线可以提高电机槽满率，改善电机温升，提高电机功率密度；同时，实现主驱绕组、辅驱绕组的电气隔离与物理隔离，降低主辅驱绕组在同一槽内时绝缘系统的风险与成本。

Description

一种双绕组定子及永磁电机

技术领域

本发明涉及新能源车用永磁电机技术领域，具体涉及一种双绕组定子及具有其的永磁电机。

背景技术

新能源汽车要求电机转速高，转矩大以满足良好的启动或爬坡能力以及较高的车速。永磁同步电机由于良好的调速能力和高转矩密度、高功率密度，在新能源汽车中得到广泛应用。随着新能源汽车的普及发展，整车驱动系统的安全性与可靠性越来越受到重视。作为驱动系统的核心部件之一的电机，其自身的容错性能自然越来越受到人们的关注。电机是电驱系统中能量转换与传递的直接执行者，不仅要求电机具有高力能指标，还要求电机系统少发生故障，即使出现故障，也要求故障部分可以被隔离，通过调整正常工作的部分使电机系统在特定的一段时间内以合理的方式继续运行。

目前一般是通过提高电机相数和采用单层绕组来提高电机的容错性能。本专利分析的双绕组本质上也是提高电机相数的方法。提高电机相数一般为五相或六相绕组，通过搭配外部的电控电路和算法实现电机冗余度；采用单层绕组的方法一般需要增加额外的容错齿，将不同的绕组分布在相互隔离的定子齿中。如图1a所示，为相关驱动电机定子上的双绕组结构，该双绕组包含在同一个定子槽中排布的两层绕组，一层为正常工作时的绕组定义为主驱绕组10；另一层绕组为主驱绕组发生故障时可以保证电机以最合理的方式继续运行的绕组，定义为辅驱绕组20。电机正常状态下主驱绕组工作，辅驱绕组开路，当主驱绕组发生故障时，通过外部电机电控切换至辅驱绕组继续运行。目前双绕组以圆线+圆线绕组的形式为主，且在一个定子槽中，同时布置主驱绕组与辅驱绕组，该结构简单易于实现且可以最大程度的减小开发成本，因而在目前的车用电机双绕组中应用广泛。但作为备份不常工作的辅驱绕组占据槽内有效面积，使得正常工作的主驱绕组可布置铜线的面积减少，纯铜槽满率更低，进而增大主驱绕组的相电阻值，加剧电机温升。同时主驱绕组与辅驱绕组之间存在电势差，这些都加剧了槽内不同绕组之间、绕组与铁心之间的绝缘失效风险。下面介绍相关专利的公开情况：

a） 中国发明专利申请文献CN106877611A中公开了一种双绕组助力转向油泵永磁同步电机装置。其中，定子铁心上形成有若干定子槽；定子槽的下部设有槽楔，槽楔将定子槽封闭形成线圈安装孔，线圈安装孔的内壁设有主绝缘槽纸；线圈安装孔内设有高压线圈和低压线圈，高压线圈和低压线圈通过层间绝缘纸分隔；高压线圈与高压接线端子相连接；所述低压线圈与低压引出线端子相连接。该发明虽然结构简单易于实现，但是双绕组仍然为“圆线+圆线”的实现形式且槽型与传统平行齿槽型一样，实际下线槽满率不见得会高很多。

b） 中国发明专利申请文献CN109962551A中公开了一种双绕组永磁容错电机，其定子铁心沿内表面周向开有多个主齿和多个辅助齿，主齿和辅助齿交替分布，主齿上绕有主齿绕组，辅助齿上绕有辅助齿绕组。主齿和辅助齿交替分布的结构可以实现有效的物理隔离，而两组极对数不相等的绕组，两条绕组之间互感为零，可以实现电磁隔离。但本专利过多的关注如何实现不同绕组之间的隔离，并未详细分析主、辅齿的设计对于电磁性能的影响。

c）中国发明专利申请文献CN107947511A中公开了一种各相绕组间无电磁耦合的六相容错永磁同步电动机，定子铁心上放置两套相互独立的三相对称绕组，三相对称绕组对应相之间一次电动势相位差30°电角度。各相绕组的各个线圈为集中绕组，绕组端部不重叠，而且通过设置小齿以及再在小齿两侧放置耐高温的绝热材料，不仅将各相绕组从电气角度上隔离开，而且使得相绕组之间的与端部漏磁场对应的漏、互感极小，也没有槽漏电感，同时还使得各相绕组间的热耦合很低。电枢反应磁场对应的各相绕组之间互感极小，可以近似认为各相之间无电磁耦合，容错运行时各相绕组之间的影响小。但该专利仍然主要关注如何实现不同绕组间的物理、电气绝缘，采用的仍然是传统“圆线+圆线”的双绕组设计。

d） 中国发明利申请文献CN111555577A中提供一种双定子电机、电机控制系统及控制方法，双定子电机包括第一定子组件、第二定子组件、转子组件和电机控制单元；其中第一定子组件的绕组采用圆线，第二定子组件的绕组采用扁线；转子组件，固定在电机输出轴上，穿过第一定子组件和第二定子组件；电机控制单元，与第一定子组件和第二定子组件电连接，用于控制第一定子组件驱动转子组件带动输出轴转动，以使电机运行在高速工况；或者，控制第二定子组件驱动转子组件带动输出轴转动，以使电机运行在低速工况，解决了当电机的交变电流频率很高时，扁线绕组因存在集肤效应而造成损耗较高的问题，提高了电机的性能。本专利虽提及扁线+圆线的双定子方案，但重点关注使用两套独立的定子组件而非单一定子组件，实现电机全转速工况内铜耗最低，且双定子的设计必然增大整个电机系统的轴向长度及制造成本，从实际应用角度而言并非最优选择，且对于扁铜线槽型、圆线槽型，极槽配合绕组方案等具体的电机本体设计并未涉及。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种槽满率提升，且定子绕组间及定子绕组与定子铁心间绝缘性好的双绕组定子。

本发明的目的之二在于提供一种包含上述双绕组定子的永磁电机，其具有转矩输出大，可靠性高的特点。

为了实现上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种双绕组定子，包括定子铁心与定子绕组，所述定子绕组包含主驱绕组与辅驱绕组；所述定子铁心从端部看第一圆周上均布有轴向贯通的矩形槽，所述矩形槽间构成定子铁心的主齿部，及同心的第二圆周上均布有轴向贯通的半闭式梨形槽，所述梨形槽间构成定子铁心的辅齿部；所述主驱绕组的绕设方式为分布式单层整距，包含多条扁线，所述扁线穿过矩形槽并绕设于主齿部，所述辅驱绕组包含多条圆线，所述圆线嵌入至梨形槽并绕设于辅齿部。

进一步地，所述扁线与矩形槽间设有第一绝缘纸。该技术方案加强了主驱绕组与定子铁心间的绝缘，减少电流泄漏风险，降低能量损耗，提高整体使用的安全性及可靠性；由于第一绝缘纸占用槽内空间较小，继而不会对槽满率产生影响。

进一步地，任意所述矩形槽内的扁线层数为4层或者6层或者8层。该技术方案中可依据电机性能需求决定单根扁线的尺寸及通常所选取的上述扁线层数，进而决定矩形槽的具体尺寸。

进一步地，所述辅驱绕组的绕设方式为分数槽集中绕组，且所述圆线与梨形槽间设有第二绝缘纸。相比分布式绕组，分数槽集中绕组绕制简单，且每相绕组在端部不与其他相绕组重叠，因此一般可以将槽满率做的很高，放更多的导体。

进一步地，所述辅驱绕组为分数槽集中双层绕组或者分数槽集中单层绕组。该技术方案中辅驱绕组的作用是保证主驱绕组故障时，电机仍能以一定的最基本性能运行，因此辅驱绕组的匝数、线径、绕组方案等均可与主驱绕组不同，绕组形式相比主驱绕组的单层整距绕组灵活性更大。

进一步地，所述圆线凸出定子端部的高度与扁线凸出定子端部的高度相一致。该技术方案中的辅驱绕组由于采用分数槽集中绕组形式，每个线圈节距为1，线圈端部可以做很短，从而与主驱绕组在端部长度上保持一致，使得电机整体的轴向长度可以做的很短，更加适应新能源驱动电机空间结构紧凑的需求。

进一步地，所述梨型槽数量小于或者等于矩形槽数量。

一种永磁电机，包括转轴，与转轴联动的转子，及与转子同轴套设的如上所述的定子，所述转子包括转子铁心及转子铁心上装配的磁钢。

进一步地，所述电机极数为8极，所述矩形槽的数量为48个，所述梨形槽的数量为9个，12个，48个中的一种；或者，所述电机极数为6极，所述矩形槽的数量为54个，所述梨形槽的数量为9个。本技术方案列举了传统的内转子外定子电机结构中，电机极数与主驱、辅驱绕组的不同的极槽配合方式，包括但不限于上述列举方案。

进一步地，所述电机为内转子电机，所述梨形槽设于定子铁心的内周侧；或为外转子电机，所述梨形槽设于定子铁心的外周侧。该技术方案中的梨形槽为半闭式，无论是内转子还是外转子电机，其梨形槽均设于定子铁心周侧，且与电机气隙连通。因扁线可沿电机轴向从定子端部下线，故矩形槽设计为闭口槽且远离气隙，从而最大程度的减小主驱绕组槽口漏磁对于扁线交流效应的影响。

本申请提出的双绕组定子及永磁电机具有用于正常工作时的主驱绕组，及当主驱绕组发生故障时，可以保证电机以合理方式继续运行的辅驱绕组，以此提高了新能源车用永磁电机的故障容错能力与安全冗余性能。其中的主驱绕组采用扁线绕制，辅驱绕组采用圆线绕制，并且依据扁线与圆线的尺寸优化设计出对应定子铁心上的矩形槽和梨形槽。相较传统设计中的纯圆线绕制方式，本方案可以更大程度的提高电机纯铜槽满率，减小相电阻值及电负荷，最大程度的利用槽内面积，改善电机温升，提高电机功率密度。而且，采用独立设计的用于容纳扁线的矩形槽及用于容纳圆线的梨形槽，可以实现主驱绕组、辅驱绕组的电气隔离与物理隔离，降低电机槽内绝缘系统的风险与成本。

此外，所述主驱绕组采用分布式单层整距的绕设方式，由于每个矩形槽内只嵌入同相的绕组，因此，无需另外增设矩形槽内的相间绝缘，减少了槽内相间短路的几率，还可制成一相连绕的线圈，绕制方便。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1a为背景技术中圆线+圆线绕组形式的双绕组定子单个槽导体布置示意图；

图1b为本申请实施例提出的扁线+圆线的双绕组定子单组槽导体布置示意图；

图2a为本申请实施例基于目前新能源车用永磁同步电机最常见的8极48槽极槽组合为例，主驱绕组为48槽，辅驱绕组为12槽，定子四分之一2D模型图；

图2b为图2a所对应的本申请实施例定子四分之一2D模型图局部放大图；

图3a-c为本申请实施例中双绕组定子端部连接3D全模型图；

图4为本申请实施例中双绕组定子峰值工况时磁力线分布图的四分之一示意图；

图5a-b为本申请实施例中双绕组定子可替代设计的四分之一示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”“横向”“纵向”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申请和简化描述，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。

需要说明的是，本文中的术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

本实施例提出的双绕组定子主要应用于新能源车用永磁电机中，包括定子铁心与定子绕组，所述定子绕组包含主驱绕组10与辅驱绕组20，当主驱绕组发生故障时，可切换至辅驱绕组，以较低的电机性能运行，提高了新能源车用永磁电机的故障容错能力与安全冗余性能。

请参阅图1b，为双绕组定子单组槽导体布置示意图，所述定子铁心的径向外侧设有轴向贯通的矩形槽，且径向内侧设有轴向贯通的梨形槽，所述主驱绕组包含多条扁线12，所述扁线容置于矩形槽内，所述辅驱绕组包含多条圆线22，所述圆线嵌设于梨形槽内。该实施方式中，主驱绕组采用扁线绕制，辅驱绕组采用圆线绕制，并且依据扁线与圆线的尺寸优化设计出对应定子铁心上的矩形槽和梨形槽。相较传统设计中的纯圆线绕制方式，本方案可以更大程度的提高电机纯铜槽满率，减小相电阻值及电负荷，最大程度的利用槽内面积，改善电机温升，提高电机功率密度；而且，采用独立设计的用于容纳扁线的矩形槽及用于容纳圆线的梨形槽，可以实现主驱绕组、辅驱绕组的电气隔离与物理隔离，降低电机槽内绝缘系统的风险与成本。

结合参阅图2a至图2b，以新能源车用永磁电机的常见极数8极为例，根据常见的极数槽数组合确定相应的矩形槽为48个，梨形槽为12个，由于三者的最大公约数为4，固展示定子的四分之一局部模型。具体的，所述定子铁心中部设有供转轴穿过或者转轴与转子穿过的通孔，48个所述矩形槽环绕所述通孔且位于第一圆周上均匀分布，所述矩形槽间构成定子铁心的主齿部31，所述矩形槽槽底与定子铁心外周侧之间构成定子轭部33；12个所述梨形槽环绕所述通孔且位于同心的第二圆周上均匀分布，所述梨形槽间构成定子铁心的辅齿部32。所述扁线12构造为V型横跨主齿部插设于矩形槽内，并通过端部扩线或者焊接等工艺实现导通。所述圆线22嵌入至梨形槽并绕设于辅齿部32。

所述定子铁心上的所述主齿部31，所述辅齿部32，以及定子轭部33共同构成电机在定子铁芯侧的主磁路，即磁力线的通路。其尺寸一方面由矩形槽及梨形槽的尺寸决定，另一方面在电机磁路设计时也应尽可能的降低磁路的饱和程度，以提升电机转矩功率性能，同时降低电机定子铁耗提升效率。如图4所示的双绕组定子峰值工况时磁力线分布图的四分之一示意图可见，相比传统主辅驱绕组在同一定子槽内的圆线+圆线形式的双绕组方案，本专利综合考虑主辅驱绕组电机性能、槽型尺寸等，对于主齿部31、辅齿部32，及定子轭部33的磁路饱合程度无影响。

结合参阅图3a至图3c，所述主驱绕组10的绕设方式为分布式单层整距，且所述扁线12与矩形槽间设有第一绝缘纸11。该实施方式中的分布式单层整距绕设方式，每个矩形槽内只嵌入同相的绕组，因而无需另外增设矩形槽内的相间绝缘，减少了槽内相间短路的几率，还可制成一相连绕的线圈，绕制方便；通过所述第一绝缘纸加强了主驱绕组与定子铁心间的绝缘，减少电流泄漏风险，降低能量损耗，提高整体使用的安全性及可靠性；由于第一绝缘纸占用槽内空间较小，继而不会对槽满率产生影响。需要说明的是，所述矩形槽内的扁线层数可依据电机性能需求决定，常见的选取4层或者6层或者8层，同时确定单根扁线的尺寸，并综合考虑决定矩形槽的具体尺寸。

所述辅驱绕组20的绕设方式为分数槽集中绕组，且所述圆线22与梨形槽间设有第二绝缘纸21。相比分布式绕组，分数槽集中绕组绕制简单，每个线圈节距为1，线圈端部可以做很短，从而与主驱绕组在端部长度上保持一致，使得电机整体的轴向长度可以做的很短，更加适应新能源驱动电机空间结构紧凑的需求，又由于每相绕组在端部不与其他相绕组重叠，因此一般可以将槽满率做的很高，放更多的导体。优选的，多条所述扁线12凸出定子端部的高度与圆线22凸出定子端部的高度相一致。该实施方式便于后续进行的定子端部绕组的焊接，扩线等工艺，使得电机可靠性提升。需要说明的是，辅驱绕组的作用是保证电机主驱绕组故障时，电机仍能以一定的最基本性能运行，因此辅驱绕组的匝数、线径、绕组方案等均可与主驱绕组不同，既可以做分数槽集中双层绕组(即全齿绕)也可以做分数槽集中单层绕组(即隔齿绕)，绕组形式相比主驱绕组的单层整距绕组灵活性更大。辅驱绕组槽型尺寸的设计同时可以兼顾主辅齿部饱和程度进行优化设计。

鉴于圆线下线一般需要沿定子径向从槽口下线，而扁线可沿定子轴向从端部下线，所述梨形槽设计为半闭式，且槽口连通电机定转子间的气隙，所述矩形槽远离所述气隙布设，以最大程度的避免漏磁对于扁线交流效应的影响。

如图5a所示，即传统的内转子外定子电机结构中，所述矩形槽与梨形槽的数量均为48个，可实现主驱绕组故障时，通过辅驱绕组接通运行时电机以较高性能运行。

在其它的一些实施例中，所述电机的极数为8极，所述矩形槽的数量为48个，所述梨形槽的数量为9个；或者，所述电机的极数为6极，所述矩形槽的数量为54个，所述梨形槽的数量为9个。需要说明的是，电机极数与主驱、辅驱绕组的不同的极槽配合方式包括但不限于上述方式，不能以此形成对于本专利的限制。

实施例2

本实施例提出一种永磁电机，包括转轴，与转轴联动的转子，及与转子同轴套设的如实施例1中所述的定子，所述转子包括转子铁心及转子铁心上装配的磁钢。

如图5b所示，该永磁电机还可以是外转子内定子的结构，所述定子与转子间形成气隙，所述梨形槽构造为半闭式，且槽口与气隙连通，进一步可得所述梨形槽靠近气隙布设，且矩形槽远离气隙布设，又由于扁线可沿电机轴向从定子端部下线，从而最大程度的避免漏磁对于扁线交流效应的影响。

本实施例中的永磁电机至少具有如下的益处：设计靠近气隙布设的梨形槽，及远离气隙布设的矩形槽，扁线与圆线分别独立位于各自槽中，槽与槽之间有铁心隔离，实现主驱绕组与辅驱绕组的物理隔离与电气隔离，完全避免主辅驱绕组在同一槽时的绝缘失效风险，同时主驱绕组采用扁线，纯铜槽满率更高，电机工作在主驱绕组时的输出转矩更大，性能更优异。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

本领域技术人员应当理解，虽然本发明是按照多个实施例的方式进行描述的，但是并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案。说明书中如此叙述仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体加以理解，并将各实施例中所涉及的技术方案看作是可以相互组合成不同实施例的方式来理解本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种双绕组定子，包括定子铁心与定子绕组，其特征在于，所述定子绕组包含主驱绕组（10）与辅驱绕组（20）；

所述定子铁心从端部看第一圆周上均布有轴向贯通的矩形槽，所述矩形槽间构成定子铁心的主齿部（31），及同心的第二圆周上均布有轴向贯通的半闭式梨形槽，所述梨形槽间构成定子铁心的辅齿部（32）；

所述主驱绕组的绕设方式为分布式单层整距，包含多条扁线（12），所述扁线穿过矩形槽并绕设于主齿部（31），所述辅驱绕组包含多条圆线（22），所述圆线嵌入至梨形槽并绕设于辅齿部（32）。

2.根据权利要求1所述的一种双绕组定子，其特行在于，所述扁线（12）与矩形槽间设有第一绝缘纸（11）。

3.根据权利要求2所述的一种双绕组定子，其特行在于，任意所述矩形槽内的扁线层数为4层或者6层或者8层。

4.根据权利要求1所述的一种双绕组定子，其特行在于，所述辅驱绕组(20)的绕设方式为分数槽集中绕组，且所述圆线(22)与梨形槽间设有第二绝缘纸(21)。

5.根据权利要求1所述的一种双绕组定子，其特行在于，所述辅驱绕组(20)为分数槽集中双层绕组或者分数槽集中单层绕组。

6.根据权利要求5所述的一种双绕组定子，其特行在于，所述圆线(22)凸出定子端部的高度与扁线(12)凸出定子端部的高度相一致。

7.根据权利要求1所述的一种双绕组定子，其特行在于，所述梨型槽数量小于或者等于矩形槽数量。

8.一种永磁电机，包括转轴，与转轴联动的转子，及与转子同轴套设的如前述任一权利要求所述的定子，所述转子包括转子铁心及转子铁心上装配的磁钢。

9.根据权利要求8所述的一种永磁电机，其特行在于，所述电机极数为8极，所述矩形槽的数量为48个，所述梨形槽的数量为9个，12个，48个中的一种；或者，所述电机极数为6极，所述矩形槽的数量为54个，所述梨形槽的数量为9个。

10.根据权利要求9所述的一种永磁电机，其特行在于，所述电机为内转子电机，所述梨形槽设于定子铁心的内周侧；或为外转子电机，所述梨形槽设于定子铁心的外周侧。

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