CN113036971A - 一种电机的单线多层绕组分布结构及其应用的高性能电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机的单线多层绕组分布结构及其应用的高性能电机，电机包括绕设有三相绕组的定子以及转子，定子中每相绕组的槽数为2a个，同时每相绕组均采用n个2层‑3层式分布结构的绕组基本单元，其中，a为≥1的正整数，n为≥1的正整数，且a/n为≥1的正整数；本发明在保证对电机各相绕组的正常接线功能基础上，可以有效提高电机的工作效率和扭矩，减少电机铜耗和温升。

Description

一种电机的单线多层绕组分布结构及其应用的高性能电机

技术领域

本发明属于电机领域，具体涉及了一种电机的单线多层绕组分布结构，本发明还涉及了该单线多层绕组分布结构应用的高性能电机。

背景技术

在常规的电机制造中，定子绕组通常是将多根漆包线绕设在电机的各个定子齿上。由于电机的绕组槽满率会直接关系电机的工作效率，然而由于导线之间不可避免会存在空隙，使得定子槽内的绕组净截面积占定子槽总面积的占比(也可成为绕组槽满率)相对低下，经统计，传统电机的绕组槽满率通常低于50％。为了提高绕组槽满率，现有技术选择采用单线双层绕组分布结构，然而其提高的槽满率效果仍然有限。但是如果采用多层式绕组分布，这不仅在绕线工序不方便，而且会导致各相绕组之间无法实现电连接，因而导致在该方向上的改进仍然处于双层绕组技术水平。

基于本申请发明人在本领域的多年专注研究经验，本申请人希望寻求技术方案对以上技术问题进行改进。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电机的单线多层绕组分布结构及其应用的高性能电机，在保证对电机各相绕组的正常接线功能基础上，可以有效提高电机的工作效率和扭矩，减少电机铜耗和温升。

本发明的技术方案如下：

一种电机的单线多层绕组分布结构，所述电机包括绕设有三相绕组的定子以及转子，所述定子中每相绕组的槽数为2a个，同时每相绕组均采用n个2层-3层式分布结构的绕组基本单元，其中，a为≥1的正整数，n为≥1的正整数，且a/n为≥1的正整数。

优选地，所述2层-3层式分布结构是指单线绕组双层绕设在某一定子齿上，同时与其相邻的定子齿上采用单线绕组三层绕设。

优选地，所述定子齿上的双层绕组采用单线一次绕设成型。

优选地，所述定子齿上的三层绕组采用单线一次绕设成型。

优选地，所述三相绕组采用三角型接法或星型接法。

优选地，所述n＝1或n＝2或n＝3。

优选地，所述绕组采用铜线绕组。

优选地，一种高性能电机，采用如上所述的单线多层绕组分布结构。

优选地，所述电机为电动车用电机。

优选地，所述定子包括由若干定子冲片叠压而成的定子铁芯，所述定子铁芯上设有若干定子齿，相邻定子齿之间形成半闭口状梨形定子槽；其中，所述定子齿上设有用于安装霍尔磁元件的霍尔槽；所述转子包括由若干转子冲片叠压而成的转子铁芯，所述转子铁芯安装在电机定子内周，所述转子铁芯上设有呈圆周间隔分布的若干闭口状转子槽，且相邻闭口状转子槽之间形成V型形状；各闭口状转子槽内嵌装有永磁体。

本申请创造性地提出为各相绕组设置n个(n为≥1的正整数)2层-3层式分布结构的绕组基本单元作为绕组结构，同时将每相绕组的槽数为2a个(a为≥1的正整数)，a/n为≥1的正整数对定子结构进行特别限定，可以实现对电机各相绕组的正常接线功能，同时2层-3层式绕组相对于现有最高槽满率的单线双层绕组结构，本申请可以提高25％的绕组槽满率，可以有效提高电机的工作效率和扭矩，减少了电机铜耗和温升；本申请可以应用于电动车领域，可提高电动车的运行性能同时减少电动车的驱动结构成本，当然也可以应用于其他领域。

附图说明

图1是本申请实施例1中54槽电机的单线多层绕组分布结构图；

图2是图1中54槽电机的三相绕组接线图；

图3是本申请实施例2中12槽电机的单线多层绕组分布结构图；

图4是图3中12槽电机的三相绕组接线图；

图5是本申请实施例3中12槽10极电机的结构示意图；

图6是图5中定子铁芯的结构示意图；

图7是图5中转子的结构示意图；

图8是图7中转子铁芯的结构示意图；

图9是本申请实施例4中定子铁芯的结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例公开了一种电机的单线多层绕组分布结构，电机包括绕设有三相绕组的定子以及转子，定子中每相绕组的槽数为2a个，同时每相绕组均采用n个2层-3层式分布结构的绕组基本单元，其中，a为≥1的正整数，n为≥1的正整数，且a/n为≥1的正整数。

本发明实施例还公开了一种高性能电机，采用如上所述的单线多层绕组分布结构。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

实施例1：请参见图1和图2所示，一种电机的单线多层绕组分布结构，电机包括绕设有三相(包括U相、V相以及W相)绕组的定子以及转子，其中，在本实施方式中，绕组采用铜线绕组，三相绕组采用星型接法(当然也可以采用三角型接法)；定子设有48个槽数，定子中每相绕组的槽数为16个(2a个，其中a＝8)，同时每相绕组均采用2个(n＝2)2层-3层式分布结构的绕组基本单元，也就是每个绕组基本单元采用2层-3层-2层-3层式分布，本实施例中的绕组基本单元数量为12个；本实施方式中的2层-3层-2层-3层式分布结构是指在按顺序排列的第一定子齿11a、第二定子齿11b、第三定子齿11c和第四定子齿11d上，采用单线绕组双层绕设在第一定子齿11a和第三定子齿11c上，同时采用单线绕组双层绕设在第二定子齿11b和第四定子齿11d上，将该绕设在四个定子齿11a,11b,11c,11d上的2层或3层绕组称为一个绕组基本单元12；当然地，在其他实施方式中，a和n也可以选用其他正整数值，只要确保a/n为≥1的正整数即可，可以同样实现本申请的技术效果，具体优选地，在其他实施方式中，n可以设置为n＝1或n＝3；

优选地，为了实现快速绕设且利于槽满率，在本实施方式中，定子齿11上的双层绕组12a采用单线一次绕设成型，定子齿11上的三层绕组12b也同样采用单线一次绕设成型；

优选地，本实施例还提出了一种高性能电机，采用如上所述的单线多层绕组分布结构，并应用作为电动车用电机。

实施例2：本实施例2的其余技术方案同实施例1，区别在于，请参见图3和图4所示，定子设有12个槽数，定子中每相绕组的槽数为4个(2a个，其中a＝6)，同时每个绕组基本单元22同样采用2层-3层-2层-3层式分布，本实施例中的绕组基本单元22数量为3个；定子齿21上的双层绕组12a’采用单线一次绕设成型，定子齿21上的三层绕组12b’也同样采用单线一次绕设成型。

为了实现对电机的驱动化控制，通常需要在电机定子上安装霍尔磁元件，用于感应计算转子位置；然而由于安装在定子齿21上的霍尔磁元件会受到定子的电磁力影响，在电机工作过程中，霍尔磁元件可能由于受到排斥力而被顶出，最终导致电机发生故障，为此，本申请进一步提出了下实施例3。

实施例3：本实施例3将上实施例2中单线多层绕组分布结构应用作为电动车用高性能电机，请结合参见图5和图6所示，电机定子20包括由若干定子冲片叠压而成的定子铁芯20’，定子铁芯20’上设有12个定子齿21，相邻定子齿21之间形成半闭口状梨形定子槽22；其中，定子齿21上设有用于安装霍尔磁元件(公知结构，图未示出)的霍尔槽；

优选地，在本实施方式中，定子齿宽t1至少是定子铁芯轭高h1的1.5倍，定子齿21的侧边呈斜面状，其中，靠近定子铁芯20’内周方向的定子齿宽t1大于靠近定子铁芯20’外周方向的定子齿宽，且最小定子齿宽t1至少是定子铁芯轭高h1的1.5倍；定子齿21的侧边之间的夹角a1为3-5°，通过该结构设计在不改变定子外形尺寸的基础上，可进一步有效增加定子铁芯20’的Br值；

优选地，为了便于安装霍尔磁元件，在本实施方式中，相邻的三个定子齿21上分别设有用于安装霍尔磁元件的第一霍尔槽23a、第二霍尔槽23b和第三霍尔槽23c，相邻霍尔槽23a，23b，23c之间的角度a2为25-40°；具体优选地，各霍尔槽23a，23b，23c的中心与其所在定子齿21的中心重合，相邻霍尔槽23a，23b，23c之间的角度a2为30°，且各霍尔槽23a，23b，23c设有锥型槽口24，用于提高对霍尔磁元件在霍尔槽23a，23b，23c内的嵌装稳定性，优选地，各霍尔槽23a，23b，23c的深度范围可以为1-5mm，当然地，为了利于安装稳固性，也可以采用其他合适的深度范围，本实施例对此没有特别限定之处；

优选地，定子铁芯轭高h1的范围为6-10mm，最小定子齿宽t1是定子铁芯轭高h1的1.8-2.2倍。

本实施例3通过加大定子齿宽t1的电机定子20结构设计，有效增加定子铁芯20’的Br值，通过实验验证，可明显抵消定子齿21对霍尔磁元件的磁排斥力，最终可避免霍尔磁元件在电机工作过程中被定子齿顶出霍尔槽。

请进一步结合参见图7和图8所示，在本实施方式中，电机转子30包括由若干转子冲片叠压而成的转子铁芯31，转子铁芯31安装在电机定子20内周，转子铁芯31上设有呈圆周间隔分布的10个闭口状转子槽32，且相邻闭口状转子槽32之间形成V型形状；各闭口状转子槽32内嵌装有永磁体33；永磁体33的剩磁Br大于1.6T，同时永磁体33的厚度范围为1.5-4mm。

优选地，在本实施方式中，转子铁芯31包括若干主弧形转子铁芯段31a和若干内弯曲型转子铁芯段31b，主弧形转子铁芯段31a和内弯曲型转子铁芯段31b相互交替一体或分体连接形成闭合弧型形状，闭口状转子槽32的外端部与内弯曲型转子铁芯段31b对应，进一步利于电机的弱磁效果。

优选地，在本实施方式中，转子铁芯31的转轴孔31c与转轴40固装为一体；且位于转子槽32与转轴孔31c之间的转子铁芯31上设有呈圆周间隔分布的若干减重槽34；具体优选地，减重槽34的形状呈扇型形状。

优选地，为了提高电机的电磁性能，本实施例中永磁体33的剩磁Br范围为1.8-2.1T，永磁体33的厚度范围为1.8-2.2mm。

本实施例3还通过选用高牌号磁钢作为永磁体33的材质，通过选用具有优异弱磁性能的嵌装型V型永磁体33安装结构作为电机转子30的永磁结构，经实验验证，该结构可有效增加电机的工作效率，同时本实施例中的电机转子30与高定子齿宽t1的电机定子20结构配合后，可进一步消除定子齿21对霍尔磁元件所产生的排斥力，杜绝霍尔磁元件在电机工作过程中被顶出。

考虑到本实施例3中提出的电机会对定子20和转子30的结构具有特别要求，这会使得其技术效果在实际应用时受到限制，因此，为了使得电机不受到相关特别结构制约，同时也可避免霍尔磁元件被电机定子20顶出，本申请进一步提出了下实施例4。

实施例4：一种可避免霍尔磁元件脱落的电机，包括定子和转子，请参见图9所示，定子包括由若干定子冲片叠压而成的定子铁芯40，定子铁芯40上设有若干定子齿41，相邻定子齿41之间形成半闭口状定子槽42；其中，相邻定子齿41之间的定子槽口43处设有用于安装霍尔磁元件的A型霍尔槽，将霍尔磁元件固定嵌装在A型霍尔槽44内；

优选地，在本实施方式中，相邻的四个定子齿41a，41b，41c，41d之间分别设有用于固定嵌装霍尔磁元件的第一A型霍尔槽44a、第二A型霍尔槽44b和第三A型霍尔槽44c；各A型霍尔槽44a，44b，44c的中心与对应的定子槽口43的中心重合；优选地，为了便于安装霍尔磁元件，相邻A型霍尔槽44a，44b，44c之间的角度为25-40°，进一步优选地，在本实施方式中，各A型霍尔槽44a，44b，44c的深度范围为1-5mm，同时各A型霍尔槽44a，44b，44c设有锥型槽口44d，用于提高对霍尔磁元件的嵌装稳定性。

本实施例4提出将霍尔磁元件固定嵌装在A型霍尔槽44a，44b，44c(位于相邻定子齿41之间的定子槽口43处)，经实验检测，位于该安装位置时，霍尔磁元件受到的定子电磁排斥作用力小，不会导致霍尔磁元件被顶出的问题，避免霍尔磁元件脱落。

本实施例4中电机的其余技术方案可直接采用实施例3中的电机，电机定子可同样包括直接设置在定子齿上的霍尔槽23a，23b，23c(即为B型霍尔槽)方案，在实际使用时，本领域技术人员可根据实际需要来选择霍尔磁元件的安装位置，可以将所有霍尔磁元件固定嵌装在A型霍尔槽44a，44b，44c中，也可以将所有霍尔磁元件固定嵌装在B型霍尔槽23a，23b，23c中，当然也可以将部分霍尔磁元件固定嵌装在A型霍尔槽中，其余霍尔元件安装在B型霍尔槽中，这可进一步增加霍尔磁元件安装的灵活性。请直接参见图9所示，为了便于快速安装以及利于安装效果，优选地，将A型霍尔槽44a，44b，44c和B型霍尔槽23a，23b，23c呈交替状分布。

还需要说明的是，本申请实施例中的霍尔槽数量可根据所需安装的霍尔磁元件的数量进行实际设置，不局限于采用本申请实施例中所采用的霍尔槽数量。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种电机的单线多层绕组分布结构，所述电机包括绕设有三相绕组的定子以及转子，其特征在于，所述定子中每相绕组的槽数为2a个，同时每相绕组均采用n个2层-3层式分布结构的绕组基本单元，其中，a为≥1的正整数，n为≥1的正整数，且a/n为≥1的正整数。

2.根据权利要求1所述的单线多层绕组分布结构，其特征在于，所述2层-3层式分布结构是指单线绕组双层绕设在某一定子齿上，同时与其相邻的定子齿上采用单线绕组三层绕设。

3.根据权利要求2所述的单线多层绕组分布结构，其特征在于，所述定子齿上的双层绕组采用单线一次绕设成型。

4.根据权利要求2所述的单线多层绕组分布结构，其特征在于，所述定子齿上的三层绕组采用单线一次绕设成型。

5.根据权利要求1所述的单线多层绕组分布结构，其特征在于，所述三相绕组采用三角型接法或星型接法。

6.根据权利要求1所述的单线多层绕组分布结构，其特征在于，所述n＝1或n＝2或n＝3。

7.根据权利要求1所述的单线多层绕组分布结构，其特征在于，所述绕组采用铜线绕组。

8.一种高性能电机，其特征在于，采用如权利要求1-8之一所述的单线多层绕组分布结构。

9.根据权利要求8所述的高性能电机，其特征在于，所述电机为电动车用电机。

10.根据权利要求8所述的高性能电机，其特征在于，所述定子包括由若干定子冲片叠压而成的定子铁芯，所述定子铁芯上设有若干定子齿，相邻定子齿之间形成半闭口状梨形定子槽；其中，所述定子齿上设有用于安装霍尔磁元件的霍尔槽；所述转子包括由若干转子冲片叠压而成的转子铁芯，所述转子铁芯安装在电机定子内周，所述转子铁芯上设有呈圆周间隔分布的若干闭口状转子槽，且相邻闭口状转子槽之间形成V型形状；各闭口状转子槽内嵌装有永磁体。

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