CN114337037B - 一种模块化环形绕组电机及其定子装配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模块化环形绕组电机及其定子装配方法，属于电机领域，其中，定子铁心包括：一个外环铁心段和n个模块化的内铁心段；

Z表示电机槽数，

表示向下取整；外环铁心段内侧设置有沿周向均匀分布的n个齿，相邻两齿之间形成用于容纳内铁心段的容纳部，共形成n个容纳部；内铁心段包括定子轭部，以及分别位于定子轭部内、外侧的内侧齿部和外侧齿部，内侧齿部和外侧齿部位于定子轭部的中心线上；各内铁心段的定子轭部设置有环形绕组，n个内铁心段分别位于n个容纳部中；所有内铁心段的定子轭部共同构成模块化环形绕组电机的定子轭部。本发明能够简化环形绕组电机中定子的装配流程，有效解决环形绕组下线困难的问题。

Description

一种模块化环形绕组电机及其定子装配方法

技术领域

本发明属于电机领域，更具体地，涉及一种模块化环形绕组电机及其定子装配方法。

背景技术

随着环境污染的日益加剧和双碳目标的提出，交通运载工具全面迎来多电/全电化变革，目前已经覆盖到车辆、船舶和航空航天等各个领域。为了节约能源，增加系统空间利用率和布局的灵活性，轻量化和高功率密度成为电机应用领域追求的目标。同时，电机作为运载工具的核心动力来源之一，也有着高可靠性的严格要求。

高可靠性需要电机具有一定的容错能力，能够有效抑制各种短路工况中的短路电流，这就对电机的电感提出了一定的要求。相比于叠绕组和集中绕组，环形绕组更有利于大电感的设计，因此在低压大功率的场合被广泛应用，同时环形绕组各个线圈之间可以实现物理隔离，进一步提高了电机的可靠性。

然而，环形绕组一个线圈的两侧元件边中，只有一侧元件边在电磁上起作用，因此相比于叠绕组和集中绕组，其铜耗较大，且把铁心轭部包围在中间，这给电机定子的散热带来了极大的困难，同时阻碍了电机功率密度的进一步提升，环形绕组的高效冷却成为亟待解决的问题。

在专利文件CN207677534U中，公开了一种环形永磁直流无刷电机，如图1所示，其中，I-1为定子，I-2为转子，I-3为气隙，I-4为转轴，I-5为环形绕组。如图1所示，环形绕组的外侧直接暴露在空气中以增强散热，整体结构简单，控制精度高，容错能力强。但是，实际应用存在一定的安全问题，且外界环境会影响加大绕组绝缘损坏的可能性，电机整体功率密度较低。

此外，环形绕组环绕电机轭部，在实际下线过程中，如果使用圆导线，则每次绕线都需要经过槽开口，极为不便，若使用成形绕组或者3D打印绕组，在槽开口较小时甚至无法安装。在工业自动化下线的大背景下，环形绕组的下线问题阻碍了该类电机的工业应用。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种模块化环形绕组电机及其定子装配方法，其目的在于，简化环形绕组电机中定子的装配流程，有效解决环形绕组下线困难的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种模块化环形绕组电机，定子铁心包括：一个外环铁心段和n个模块化的内铁心段；

Z表示电机槽数，

表示向下取整；

外环铁心段内侧设置有沿周向均匀分布的n个齿，相邻两齿之间形成用于容纳内铁心段的容纳部，共形成n个容纳部；

内铁心段包括定子轭部，以及分别位于定子轭部内、外侧的内侧齿部和外侧齿部，内侧齿部和外侧齿部位于定子轭部的中心线上；

各内铁心段的定子轭部设置有环形绕组，n个内铁心段分别位于n个容纳部中；所有内铁心段的定子轭部共同构成模块化环形绕组电机的定子轭部。

进一步地，外环铁心段的齿上设置有凹槽，且内铁心段的周向两侧设置有与凹槽相匹配的凸起，由此能够很好地将内铁心段固定在容纳部中。

进一步地，同一内铁心段的定子轭部设置的环形绕组，包括多个相互独立的绕组线圈。

进一步地，绕组线圈沿轴向的截面呈“V”字形。

进一步地，绕组线圈通过3D打印制成。

进一步地，外环铁心段的周向外表面呈波浪状，与机壳形成弧形油道。

进一步地，前端盖上设置有进油口，且后端盖上设置有出油口。

进一步地，进油口设置有多个，且在前端盖上沿周向均匀分布，由此能够实现对绕组的均匀冷却。

进一步地，在前端盖与定子铁心之间还包括分油板，分油板上设置有多个沿周向均匀分布的分油孔，分油孔多于进油口，由此能够进一步实现对绕组的均匀冷却。

按照本发明的另一个方面，提供了上述模块化环形绕组电机的定子装配方法，包括：

在n个内铁心块的定子轭部设置环形绕组之后，沿轴向对应插入外环铁心段内的n个容纳部中。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明所提供的模块化环形绕组电机，当槽数Z为偶数时，整个定子铁心被分为1个外环铁心段和Z/2个内铁心段，总计Z/2+1段；当槽数为偶数时，整个定子铁心被分为1个外环铁心段和(Z+1)/2个内铁心段，总计(Z+1)/2+1段，相比于传统的环形绕组电机中，在电机槽数为Z时，将定子铁心分为Z段，本发明中，铁心分段的数量大大减少，简化定子铁心的装配流程；并且，由于内铁心段是模块化的，各铁心段上的铁心轭部安装好环形绕组后，相应嵌放至外环铁心段内齿间的容纳部中，即可完成整个定子的装配，整个下线和装配工艺极为简单，因此，本发明能够简化环形绕组电机中定子的装配流程，有效解决环形绕组下线困难的问题。

(2)本发明中，将环形绕组设置为多个相互独立的绕组线圈，直接将绕组线圈套在内铁心段的定子轭部即可完成环形绕组的设置，进一步简化了绕组的装配。

(3)本发明中，在将环形绕组设置为多个相互独立的绕组线圈的基础上，进一步将绕组线圈设计为沿轴向的截面呈“V”字形的线圈，即绕组两端的端部从中间分开，由此能够在通入冷却油时，增加绕组端部与冷却油的接触面积，对槽内绕组也有较好的冷却效果，同时端部中间留出的通道可以让冷却剂流过，达到充分冷却铁心端面的效果。

(4)本发明中，对外环铁心段的周向外表面进行特殊设计，使其周向外表面呈波浪状，与机壳形成弧形油道，从而导入冷却油后，可使冷却油从弧形油道流过，对定子铁心及外侧线圈进行有效冷却。

(5)本发明中，前端盖上设置有进油口，且后端盖上设置有出油口，冷却油在进入前端部空间后，冲击绕组端部，在对端部充分冷却后，分别通过内外侧线圈的槽口油道，此时会对槽内绕组有较好的冷却效果，之后冷却油在后端部空间汇集，最后从后端盖出口流出。

附图说明

图1为CN207677534U提供的环形绕组永磁直流无刷电机结构示意图；其中，I-1为定子，I-2为转子，I-3为气隙，I-4为转轴，I-5为环形绕组；

图2为本发明实施例提供的定子铁心示意图；

图3为本发明实施例提供的定子装配示意图；

图4位本发明实施例提供的绕组线圈示意图；

图5为本发明实施例提供的定子浸油冷却系统结构图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

1-外环铁心段；11-齿，12-容纳部，13-弧形油道；

2-内铁心段；21-定子轭部，22-内侧齿部，23-外侧齿部；

3-环形绕组；31-绕组线圈，32-绕组端部；

4-定子；

5-机壳；51-动力线端子；

6-前端盖；61-进油口；

7-后端盖；71-出油口；

8-隔油套。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

为了有效解决现有的环形绕组电机绕组下线和定子装配困难的技术问题，在本发明的一个实施例中，提供了一种模块化环形绕组电机，以下结合图2～图5对本实施例的技术方案作进一步的解释说明。

可选的，本实施例中，电机槽数为Z＝48；参阅图2和图3，本实施例中，定子铁心包括一个外环铁心段1和n＝Z/2＝24个内铁心段2；

外环铁心段1内侧设置有沿周向均匀分布的24个齿11，相邻两齿之间形成用于容纳内铁心段的容纳部12，共形成24个容纳部12；

内铁心段2包括定子轭部21，以及分别位于定子轭部21内、外侧的内侧齿部22和外侧齿部23，内侧齿部22和外侧齿部23位于定子轭部21的中心线上；

各内铁心段2的定子轭部21设置有环形绕组3，24个内铁心段2分别位于24个容纳部12中；所有内铁心段2的定子轭部21共同构成模块化环形绕组电机的定子轭部；

为了使内铁心段2较好地固定在容纳部12中，外环铁心段1的齿11上设置有凹槽，且内铁心段2的周向两侧设置有与凹槽相匹配的凸起；

本实施例中，定子铁心共被分为1个外环铁心段和24个内铁心段，共计25个分段，相比于传统的环形绕组电机中，在电机槽数为Z时，将定子铁心分为Z段，本实施例中铁心分段的数量大大减少，由此能够简化定子铁心的装配流程；又由于内铁心段是模块化的，如图3所示，各铁心段上的铁心轭部安装好环形绕组后，相应嵌放至外环铁心段内齿间的容纳部中，即可完成整个定子的装配，整个下线和装配工艺极为简单，无需复杂的绕线工艺；图3中，箭头所示为装配方向；

参阅图3，为了进一步简化装配过程，本实施例中，每个内定子段2的定子轭部21上安装的环形绕组3，包括多个独立的绕组线圈31，从而直接将绕组线圈套在内铁心段的定子轭部即可完成环形绕组的安装，无需进行复杂的绕制过程，进一步简化了绕组的装配；

参阅图3和图4，为了在简化下线和装配工艺的同时，有效实现对铁心和绕组的散热，本实施例中，每个绕组线圈21沿轴向的截面呈“V”字形，即绕组两端的端部22从中间分开，由此能够在通入冷却油时，增加绕组端部与冷却油的接触面积，对槽内绕组也有较好的冷却效果，同时端部中间留出的通道可以让冷却剂流过，达到充分冷却铁心端面的效果；

根据环形绕组两侧绕组截面形状不同的特点，外侧绕组截面较为短粗，中间区域易出现局部过高温，本实施例中，各绕组线圈21通过3D打印制成。

参阅图2、图3和图5，为了进一步提高对定子铁心和定子绕组的冷却效果，本实施例中，外环铁心段1的周向外表面呈波浪状，与机壳5形成弧形油道13，在导入冷却油后，可使冷却油从弧形油道13流过，对定子铁心及外侧线圈进行有效冷却；如图5所示，机壳5上还设置有动力线端子51；图5中，4表示装配完成的定子；

相应地，如图5所示，本实施例中，前端盖6上设置有进油口61，且后端盖7上设置有出油口71，冷却油在进入前端部空间后，冲击绕组端部，在对端部充分冷却后，分别通过内外侧线圈的槽口油道，此时会对槽内绕组有较好的冷却效果，之后冷却油在后端部空间汇集，最后从后端盖出口流出；

参阅图5，为了实现对绕组的均匀冷却，本实施例中，前端盖6上设置了两个进油口61，且这两个进油口在前端盖上均匀分布；由于电机的进油口数量会受到一定的限制，为了进一步保证对绕组的均匀冷却，在本发明其他的一些实施例中，还可以在前端盖6和定子4之间设置分油板，分油板上设置有多个沿周向均匀分布的分油孔，分油孔多于进油口，冷却油经进油口导入后，会经过分油板的均匀分配，之后再流入绕组端部，由此能够进一步实现对绕组的均匀冷却；

如图5所示，为了将冷却油密封在定子侧，避免转子旋转引起较大的搅油损耗，定子铁心下方有高电阻率和高抗压强度的玻璃纤维隔油套8，并在隔油套8两端设有相应的密封圈。

总的来说，本实施例提出的定子周向分段方法可以在较少分段的情况下简化定子装配流程，解决了环形绕组下线困难的问题，推广了环形绕组电机的工业化应用；针对环形绕组铜耗大，散热较为困难的问题，提出了对应的油冷散热系统，并结合定子周向分段设计油道，提高了系统的冷却效率，提升了环形绕组电机的功率密度；特殊的环形绕组结构增大了绕组和冷却剂的接触面积，可以有效地降低绕组槽内出现的局部过高温。本实施例未来在高可靠性、高功率密度要求较高的航空航天等领域有被应用的潜力。

应当说明的是，当电机槽数Z为奇数，将内铁心段的数量设置为(Z+1)/2即可，其余结构与上述实施例类似。

在本发明的另一个实施例中，还提供了上述模块化环形绕组电机的定子装配方法，如图3所示，包括：在24个内铁心块的定子轭部设置环形绕组之后，沿轴向对应插入外环铁心段内的24个容纳部中。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模块化环形绕组电机，其特征在于，定子铁心包括：一个外环铁心段和n个模块化的内铁心段；

Z表示电机槽数，

表示向下取整；

所述外环铁心段内侧设置有沿周向均匀分布的n个齿，相邻两齿之间形成用于容纳内铁心段的容纳部，共形成n个容纳部；

所述内铁心段包括定子轭部，以及分别位于定子轭部内、外侧的内侧齿部和外侧齿部，所述内侧齿部和所述外侧齿部位于定子轭部的中心线上；

各内铁心段的定子轭部设置有环形绕组，n个内铁心段分别位于n个容纳部中；所有内铁心段的定子轭部共同构成所述模块化环形绕组电机的定子轭部。

2.如权利要求1所述的模块化环形绕组电机，其特征在于，外环铁心段的齿上设置有凹槽，且内铁心段的周向两侧设置有与所述凹槽相匹配的凸起。

3.如权利要求1所述的模块化环形绕组电机，其特征在于，同一内铁心段的定子轭部设置的环形绕组，包括多个相互独立的绕组线圈。

4.如权利要求3所述的模块化环形绕组电机，其特征在于，所述绕组线圈沿轴向的截面呈“V”字形。

5.如权利要求3或4所述的模块化环形绕组电机，其特征在于，所述绕组线圈通过3D打印制成。

6.如权利要求1～4任一项所述的模块化环形绕组电机，其特征在于，所述外环铁心段的周向外表面呈波浪状，与机壳形成弧形油道。

7.如权利要求6所述的模块化环形绕组电机，其特征在于，前端盖上设置有进油口，且后端盖上设置有出油口。

8.如权利要求7所述的模块化环形绕组电机，其特征在于，所述进油口设置有多个，且在所述前端盖上沿周向均匀分布。

9.如权利要求7或8所述的模块化环形绕组电机，其特征在于，在所述前端盖与定子铁心之间还包括分油板，所述分油板上设置有多个沿周向均匀分布的分油孔，所述分油孔多于所述进油口。

10.如权利要求1～9任一项所述的模块化环形绕组电机的定子装配方法，其特征在于，包括：

在n个内铁心块的定子轭部设置环形绕组之后，沿轴向对应插入外环铁心段内的n个容纳部中。

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