CN113497495A - 用于高速永磁电机的定子铁芯、电机和车辆 - Google Patents

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CN113497495A CN202010250250.6A CN202010250250A CN113497495A CN 113497495 A CN113497495 A CN 113497495A CN 202010250250 A CN202010250250 A CN 202010250250A CN 113497495 A CN113497495 A CN 113497495A
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冯洋
张泽裕
伍培明
王向军
高磊
康明龙
任自立
牛鹏飞
于海超
科恩·克莱姆
欧吉尔德·乌尔班奇克
王征宇
高大鹏
张江澎
唐海锋
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Abstract

本申请公开了一种用于高速永磁电机的定子铁芯、电机和车辆，定子铁芯包括：轭部；内齿，内齿构造为多个且间隔设置在轭部的内周面上，多个内齿限定出彼此正对的第一内槽组和第二内槽组，第一内槽组包括：第一内槽，第二内槽组包括：第二内槽；第一线圈和第二线圈，第一线圈穿过第一内槽并缠绕在轭部上，第二线圈穿过第二内槽并缠绕在轭部上。本申请的定子铁芯，相对于无槽定子绕组形式，电机气隙长度较小，可以提供更大的气隙磁密，有利于提高电机的功率密度，还可以扩宽电机材料的选择范围，降低材料成本；相对于有槽定子绕组形式，内槽和外槽可同时放置铜线，使绕线方式更多样，可以有效降低转子涡流损耗的问题，使电机能够在高转速下稳定运行。

Description

用于高速永磁电机的定子铁芯、电机和车辆
技术领域
本申请涉及电机技术领域，尤其是涉及一种用于高速永磁电机的定子铁芯、电机和车辆。
背景技术
为了给氢能燃料电池提供足够的空气保证化学反应顺利进行，需要使用高转速的空气压缩机。一般高速永磁电机的定子结构分为：有槽定子形式和无槽定子形式。在有槽定子形式中，电机高速旋转时定子齿槽会增大转子的涡流损耗，转子温度过高散热困难，会导致永磁体过热退磁等风险；为了解决此问题，通常采用较大气隙长度或增加槽数的方法，但气隙过大会导致气隙磁密度降低，会限制电机的最大功率，槽数过多不仅会增加电机电阻值还会增加转子的长度，不利于转子的刚性；在无槽定子形式中，相比于有槽定子形式，电机气隙长度更大，导致气隙磁密普遍偏低，还会增加磁场漏磁引起其它结构的涡流损耗。
申请内容
本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
为此，本申请的第一个目的在于提出一种用于高速永磁电机的定子铁芯，可以改善定子和转子散热，降低齿谐波的含量，削弱转子的涡流损耗；
本申请的第二个目的在于提出一种电机，包括上述的定子铁芯，有效降低电机整体损耗，提高了电机效率，延长电机的使用寿命；
本申请的第三个目的在于提出一种车辆，包括上述的电机。
为了解决上述问题，本申请第一方面提出用于高速永磁电机的定子铁芯，包括：轭部；内齿，内齿构造为多个且间隔设置在轭部的内周面上，多个内齿限定出彼此正对的第一内槽组和第二内槽组，第一内槽组包括：第一内槽，第二内槽组包括：第二内槽；第一线圈和第二线圈，第一线圈穿过第一内槽并缠绕在轭部上，第二线圈穿过第二内槽并缠绕在轭部上。
本申请的定子铁芯，通过上述的第一线圈和第二线圈的绕组形式，相对于无槽定子绕组形式，电机气隙长度较小，较小的气隙长度一方面可以提供更大的气隙磁密，有利于提高电机的功率密度，进而提高电机的最大功率；另一方面可以扩宽电机材料的选择范围，降低材料成本；相对于有槽定子绕组形式，内槽和外槽均可同时放置铜线，使绕线结构方式更多样，可以有效降低转子涡流损耗的问题，使电机能够在高转速下稳定运行。
进一步地，还包括：接线板，所述接线板设置在所述轭部的外侧，所述第一线圈和所述第二线圈通过所述接线板串联。
进一步地，所述第一内槽组与所述轭部和所述第一内槽组正对的部分构造为第一接线单元，所述第二内槽组与所述轭部和所述第二内槽组正对的部分构造为第二接线单元。
进一步地，所述第一内槽组包括：至少两个第一内槽，至少两个所述第一内槽共用同一段所述轭部；所述第二内槽组包括：至少两个第二内槽，至少两个所述第二内槽共用同一段所述轭部。
进一步地，所述第一线圈穿进其中一个所述第一内槽并缠绕在所述轭部后、沿所述轭部的外表面进入相邻的的所述第一内槽上并缠绕在同一段所述轭部上，随后引出；所述第二线圈穿进其中一个所述第二内槽并缠绕在所述轭部后、沿所述轭部的外表面进入相邻的的所述第二内槽上并缠绕在同一段所述轭部上，随后引出。
进一步地，所述第一接线单元和所述第二接线单元均为多组，多组所述第一接线单元和多组所述第二接线单元之间通过接线板串联。
进一步地，还包括：外齿，所述外齿构造为多个且间隔设置在所述轭部的外周面上，多个所述外齿限定出第一外槽和第二外槽，所述第一外槽与所述第一内槽组正对以收容设置在所述轭部的外表面上的第一线圈，所述第二外槽与所述第二内槽组正对以收容设置在所述轭部的外表面上的第二线圈。
进一步地，所述第一内槽组和所述第二内槽组均为多个且每个所述第一内槽组与对应的所述第二内槽组正对。
本申请第二方面提出一种电机，包括所述的定子铁芯；电机壳体，所述电机壳体与所述外齿的自由端止抵。
本申请第三方面提出一种车辆，包括所述的电机。
本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本申请实施例中的用于高速永磁电机的定子铁芯的立体结构示意图；
图2是根据本申请实施例中的用于高速永磁电机的定子铁芯主视图；
图3是根据本申请实施例中的包含第一线圈和第二线圈的定子组件的结构示意图。
附图标记：
定子铁芯100，
第一内槽组101，第一内槽1011，
第二内槽组102，第二内槽1021，
轭部1，内齿2，
第一接线单元3，第二接线单元4，第一线圈5，第二线圈6，外齿7，槽口8。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
下面参考图1-图3描述根据本申请实施例的用于高速永磁电机的定子铁芯100，包括：轭部1、内齿2、第一线圈5和第二线圈6。
具体的，内齿2构造为多个且间隔设置在轭部1的内周面上，多个内齿2限定出彼此正对的第一内槽组101和第二内槽组102，第一内槽组101包括：第一内槽1011，第二内槽组102包括：第二内槽1021；第一线圈5穿过第一内槽1011并缠绕在轭部1上，第二线圈6穿过第二内槽1021并缠绕在轭部1上。
燃料电池是电动汽车的发电源，用燃料和氧气作为发电原料。为了能提供更充足的空气保证化学反应顺利进行，需要高转速的空气压缩机输送气体，高速电机是高速空气压缩机的驱动源。
现有技术中的高速永磁电机的定子分为两大类：有槽定子形式和无槽定子形式。
在有槽定子形式中，电机高速旋转时定子齿槽会增大转子的涡流损耗，转子散热困难，温度过高，会导致永磁体过热退磁等风险；为了抑制定子开槽引起的转子损耗，其一可以采用加大气隙长度的方法，高速电机的气隙长度一般为传统电机的5-10倍，但过大的气隙长度会导致气隙磁密降低，对提高电机功率密度不利，会限制电机的最大功率；其二可以采用增加槽数的方法，如果槽数较多并采用现有绕组结构，例如2极电机中12槽的定子，绕组端部会有大概6槽的绕组叠加在一起，绕组端部过厚不仅会增加电机的电阻值，还需要增加转子的长度，这样不利于转子的刚性。
需要注意的是，这里的气隙是指定子软磁铁芯与转子铁芯(转子磁铁)之间的空气缝隙。
在无槽定子形式中，需要在电机气隙中保留足够的空间放置铜线，因此虽然没有定子齿槽增大转子的涡流损耗，但相比于有槽定子形式电机气隙长度更大，导致气隙磁密普遍偏低，电机的功率密度受限；同时还会增加磁场漏磁引起其它结构的涡流损耗以及绕组直接放置在气隙磁场中集肤效应的额外损耗。
三相交流电机的原理是在电机定子的三相绕组在流过正弦交流电流时每相定子绕组都会产生脉动磁场，彼此相隔120°电角空间相位，绕组依次流过三相交流电流，而各相电流在时间上相差120°，使三相绕组同时产生的三个脉动磁场在空间中合成的总磁场，也就是旋转磁场；旋转磁场与转子磁场相互作用，带动电机转子旋转。
本申请包含三相绕组，分别为A相绕组、B相绕组和C相绕组，根据三相电原理，三相绕组必须彼此相隔120°电角，由于本申请中每相绕组包含两组线圈，因此一共有六组线圈，三个第一线圈5和三个第二线圈6；如图3所示，其中A+、B+、C+代表电流流入，A-、B-、C-代表电流流出，正负号只表示电流方向；为了旋转磁场可以保持平衡旋转状态，因此设计成A+与A-、B+与B-、C+与C-彼此正对的形式，第一线圈5需要缠绕在第一内槽组101上，第二线圈6需要缠绕在第二内槽组102上，所以第一内槽组101和第二内槽组102彼此正对，也就是互为物理意义上180°角。
本申请的定子铁芯100由0.1mm或0.2mm无取向硅钢片冲压制成，然后叠压至所需高度；第一线圈5和第二线圈6选用漆包线材质，漆包线可以单股或多股并绕；由于高速电机一般需要的匝数较少，在并联接线时可以采用较细的漆包线进行绕制，降低下线难度。
本申请中的定子铁芯100，通过上述的第一线圈5和第二线圈6的绕组形式，相对于无槽定子绕组形式，电机气隙长度较小，较小的气隙长度一方面可以提供更大的气隙磁密，有利于提高电机的功率密度，进而提高电机的最大功率；另一方面可以扩宽电机材料的选择范围，降低材料成本；相对于有槽定子绕组形式，可以有效降低转子涡流损耗的问题，使电机能够在高转速下稳定运行。
根据本申请的一个实施例中，定子铁芯100还包括：接线板，接线板设置在轭部1的外侧，第一线圈5和第二线圈6通过接线板串联。根据使用需求，绕制完成后的第一线圈5和第二线圈6可以在外部通过接线板进行串联。
根据本申请的一个实施例中，第一内槽组101与轭部1和第一内槽组101正对的部分构造为第一接线单元3，第二内槽组102与轭部1和第二内槽组102正对的部分构造为第二接线单元4。第一接线单元3包括第一内槽1011、轭部1上缠绕有第一线圈5的部分；第二接线单元4包括第二内槽1021、轭部1上缠绕有第二线圈6的部分。
根据本申请的一个实施例中，第一内槽组101包括：至少两个第一内槽1011，至少两个第一内槽1011共用同一段轭部1；第二内槽组102包括：至少两个第二内槽1021，至少两个第二内槽1021共用同一段轭部1；具体的，第一线圈5穿进其中一个第一内槽1011并缠绕在轭部1后、沿轭部1的外表面进入相邻的的第一内槽1011上并缠绕在同一段轭部1上，随后引出；第二线圈6穿进其中一个第二内槽1021并缠绕在轭部1后、沿轭部1的外表面进入相邻的的第二内槽1021上并缠绕在同一段轭部1上，随后引出。
需要说明的是，本实施例中所述的至少两个第一内槽1011共用同一段轭部1以及至少两个第二内槽1021共用同一段轭部1中的“同一段轭部1”指的是经由同一线圈所缠绕的轭部1。例如，本申请一共包含三相绕组，每相绕组包含两组线圈，因此一共有六组线圈，六组线圈分别缠绕在定子铁芯的轭部1上，即将定子铁芯的轭部1分成六段，对应的，每组线圈缠绕在同一段轭部1上。绕制时，每组线圈可从其中一段轭部1的一侧穿入，在本段轭部1的外表面缠绕规定匝数后再从本段轭部1的另一侧穿出。
以图3为例，绕制时，第一线圈5首先从第一内槽1011穿进，在轭部1缠绕规定匝数后再从轭部1的外表面走线进入下一个临近的第一内槽1011中，并在轭部1缠绕规定匝数后从穿出；第二线圈6同理，首先从第二内槽1021穿进，在轭部1缠绕规定匝数后再从轭部1的外表面走线进入下二个临近的第二内槽1021中，并在轭部1缠绕规定匝数后从穿出。这样的缠绕方式使绕组端部的厚度只是第一线圈5和第二线圈6的厚度，相对于现有技术中缠绕的方式，本申请的绕组端部厚度可以有效变小，这样可以减小电机的电阻值；同时，转子的长度也可以相应的缩短，这样不仅可以有效提高转子刚度，还能提高电机系统在高转速下运行的平稳性。
根据本申请的一个实施例中，第一接线单元3和第二接线单元4均为多组，多组第一接线单元3和多组第二接线单元4之间通过接线板串联。
根据本申请的一个实施例中，定子铁芯100还包括：外齿7，外齿7构造为多个且间隔设置在轭部1的外周面上，多个外齿7限定出第一外槽701和第二外槽702，第一外槽701与第一内槽组101正对以收容设置在轭部1的外表面上的第一线圈5，第二外槽702与第二内槽组102正对以收容设置在轭部1的外表面上的第二线圈6。
第一外槽701可以放置第一线圈5、第二外槽702可以放置第二线圈6；传统有槽定子绕线制作2极12槽时，由于有槽定子没有外槽结构，每匝铜线在一个内齿2绕组完成后必须跨过5-6个槽，这样会导致每匝铜线在端部相互叠加造成绕组端部过厚的情况；本申请中第一内槽1011、第二内槽1021、第一外槽701和第二外槽702均可同时放置铜线，使本申请中定子铁芯100的绕线方式更多样，绕组端部厚度可以有效变小，减小电机的电阻值，有效降低转子涡流损耗的问题，同时，缩短了转子长度，提升转子刚度，使电机能够在高转速下稳定运行。
根据本申请的一个实施例中，第一内槽组101和第二内槽组102均为多个且每个第一内槽组101与对应的第二内槽组102正对。本申请的一个实施例中有六个线圈，分别是两个A相绕组、两个B相绕组和两个C相绕组，为了旋转磁场可以保持平衡旋转状态，因此设计成A+与A-、B+与B-、C+与C-彼此正对的形式，互为物理意义上180°角；可以将A+绕组缠绕的多个第一内槽1011和轭部1部分、B+绕组缠绕的多个第一内槽1011和轭部1部分、C+绕组缠绕的多个第一内槽1011和轭部1部分分别称为第一内槽组101，A-绕组缠绕的多个第二内槽1021和轭部1部分、B-绕组缠绕的多个第二内槽1021和轭部1部分、C-绕组缠绕的多个第二内槽1021和轭部1部分分别称为第二内槽组102。
根据本申请的一个实施例中，相邻的两个内齿2的自由端间隔开以形成槽口8，槽口8的宽度为0.2mm-0.5mm。
现有技术中没有外槽，定子外壁止抵电机壳体，由于绕组方式的原因，单股或多股并绕的铜线需要在内齿2上缠绕规定匝数再跨多个槽继续缠绕，导致线圈难从内槽下线，因此必须预留足够的宽度能使线圈从槽口8推入；本申请中由于内槽外槽均可放置铜线，因此绕组方式多样，定子槽口8可以预留很小，槽口8宽度设置0.2mm-0.5mm是为了在线圈缠绕完毕后，方便绝缘纸从槽口8处推入，一般绝缘纸的厚度为0.05mm-0.2mm；定子开槽会引起气隙磁场的畸变，齿谐波的次数与定子齿数和极对数有关，槽口8的减小可以降低齿谐波的含量，可以极大削弱转子中的涡流损耗。
根据本申请实施例中的一种电机，包括上述的定子铁芯100；电机壳体，电机壳体与外齿7的自由端止抵。外齿7与电机壳体直接接触，可以很好的将内部产生的热传递到外部，加快电机内部散热，这样的电机可以有效降低整体损耗，改善内部散热，提高了电机效率，延长电机的使用寿命。
根据本申请实施例中的一种车辆，包括上述的电机。
燃料电池是电动汽车的发电源，燃料电池的优劣是评判车辆的好坏的重要标准；包括本申请电机的空气压缩机驱动力更强，向氢能燃料电池提供的空气更充足；这样的车辆在一次加氢后可以行使更远的距离，节省用户成本。
需要注意的是，本申请实施例均以2极电机12槽为例说明，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“厚度”、“内”、“外”、“径向”、“周向”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申请的限制。
在本申请的描述中，“第一特征”、“第二特征”可以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。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本申请的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本申请的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种用于高速永磁电机的定子铁芯，其特征在于，包括：
轭部(1)；
内齿(2)，所述内齿(2)构造为多个且间隔设置在所述轭部(1)的内周面上，多个所述内齿(2)限定出彼此正对的第一内槽组(101)和第二内槽组(102)，所述第一内槽组(101)包括：第一内槽(1011)，所述第二内槽组(102)包括：第二内槽(1021)；
第一线圈(5)和第二线圈(6)，所述第一线圈(5)穿过所述第一内槽(1011)并缠绕在所述轭部(1)上，所述第二线圈(6)穿过所述第二内槽(1021)并缠绕在所述轭部(1)上。
2.根据权利要求1所述的用于高速永磁电机的定子铁芯，其特征在于，还包括：接线板，所述接线板设置在所述轭部(1)的外侧，所述第一线圈(5)和所述第二线圈(6)通过所述接线板串联。
3.根据权利要求1所述的用于高速永磁电机的定子铁芯，其特征在于，所述第一内槽组(101)与所述轭部(1)和所述第一内槽组(101)正对的部分构造为第一接线单元(3)，所述第二内槽组(102)与所述轭部(1)和所述第二内槽组(102)正对的部分构造为第二接线单元(4)。
4.根据权利要求3所述的用于高速永磁电机的定子铁芯，其特征在于，所述第一内槽组(101)包括：至少两个第一内槽(1011)，至少两个所述第一内槽(1011)共用同一段所述轭部(1)；所述第二内槽组(102)包括：至少两个第二内槽(1021)，至少两个所述第二内槽(1021)共用同一段所述轭部(1)。
5.根据权利要求4所述的用于高速永磁电机的定子铁芯，其特征在于，所述第一线圈(5)穿进其中一个所述第一内槽(1011)并缠绕在所述轭部(1)后、沿所述轭部(1)的外表面进入相邻的的所述第一内槽(1011)上并缠绕在同一段所述轭部(1)上，随后引出；
所述第二线圈(6)穿进其中一个所述第二内槽(1021)并缠绕在所述轭部(1)后、沿所述轭部(1)的外表面进入相邻的的所述第二内槽(1021)上并缠绕在同一段所述轭部(1)上，随后引出。
6.根据权利要求4所述的用于高速永磁电机的定子铁芯，其特征在于，所述第一接线单元(3)和所述第二接线单元(4)均为多组，多组所述第一接线单元(3)和多组所述第二接线单元(4)之间通过接线板串联。
7.根据权利要求1或2所述的用于高速永磁电机的定子铁芯，其特征在于，还包括：外齿(7)，所述外齿(7)构造为多个且间隔设置在所述轭部(1)的外周面上，多个所述外齿(7)限定出第一外槽(701)和第二外槽(702)，所述第一外槽(701)与所述第一内槽组(101)正对以收容设置在所述轭部(1)的外表面上的第一线圈(5)，所述第二外槽(702)与所述第二内槽组(102)正对以收容设置在所述轭部(1)的外表面上的第二线圈(6)。
8.根据权利要求7所述的用于高速永磁电机的定子铁芯，其特征在于，所述第一内槽组(101)和所述第二内槽组(102)均为多个且每个所述第一内槽组(101)与对应的所述第二内槽组(102)正对。
9.一种电机，其特征在于，包括：
权利要求1-8中任一项所述的定子铁芯；
电机壳体，所述电机壳体与所述外齿(7)的自由端止抵。
10.一种车辆，其特征在于，包括权利要求9所述的电机。
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