CN114362406A - 一种基于3d打印扁线背绕式绕组的高速永磁电机定子 - Google Patents
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Abstract
一种基于3D打印扁线背绕式绕组的高速永磁电机定子，属于高速永磁电机定子技术领域。本发明为解决传统高速永磁电机由于匝间短路电流大、故障率高威胁电机可靠性的问题。扁线背绕式线圈组缠绕于定子铁芯块的内、外侧槽中，构成一个单元定子，将12个单元定子拼接在一起构成一个完整定子；并在定子槽口处安装槽楔，按照电机设计连接背绕式线圈组构成背绕式绕组；扁线背绕式线圈组由沿定子铁芯切向方向堆叠而成的扁线背绕式线圈构成，采用纯铜或铜合金粉末通过3D打印技术整体打印制成，线圈外表面镀有绝缘漆膜；位于定子铁芯块的内、外侧槽中的扁线背绕式线圈的截面尺寸不同但截面积相等。本发明还可提高铜填充率和导热效果，进而提高功率密度。
Description
技术领域
本发明属于高速电机定子技术领域，具体涉及基于3D打印扁线背绕式绕组的高速永磁电机定子。
背景技术
表贴式高速永磁同步电机由于高功率密度、高效率、转子机械强度高等优势，对于航空航天等应用极具吸引力。然而，由于永磁体的存在使电机短路时无法故障灭磁，在短路线圈中会产生很大短路电流，严重危害电机可靠性，因此使其应用于高可靠高安全领域面临着极大的挑战。
匝间短路故障是对电机破坏性最强的一类故障，长期的绕组过热、过度机械应力以及逆变器驱动时匝间过大的电压梯度等因素均会诱发匝间短路故障。考虑电机高频损耗以及控制器开关频率的限制，常规高速电机的极数通常设计为2或4，采用分布式叠绕组，发生匝间短路故障时的短路匝线圈的电抗很小，匝间短路电流能够达到额定电流的几倍甚至十数倍，而短路电流密度更高达额定电流密度的几十甚至数百倍，因此，如果不及时处理，会引起电机的局部过热，加剧绕组的绝缘失效，使其演变为更为严峻的对地短路、相间短路等故障甚至烧毁电机。此外，由于高速电机的基频高，为了抑制由于导体集肤和临近效应带来的高频交流铜耗，传统高速电机的绕组多设计为多股并绕的漆包线，导致大量属于同股的不同匝以及不同股的不同匝间的股线广泛接触，使匝间短路故障的发生率大幅增加。因此，研究如何降低电机的匝间短路电流，减小故障发生率，对于突破高速永磁电机在航空航天等高可靠高安全领域的应用具有重要意义。
背绕式绕组由于端部短的优势受到高速永磁电机领域研究人员的关注，常规的扁线绕组由于硬度问题进行背绕式嵌线极为困难，并且常规扁线一般要求槽型为矩形槽，即要求内、外侧槽型尺寸一致，但会导致定子铁芯外径的大幅增加，否则则需要对内、外侧槽型尺寸进行匹配设计，以适应常规扁线的矩形截面要求，这同样很困难，鉴于此，现有背绕式绕组均采用的是漆包线。
3D打印技术具有材料利用率高、设计自由度高、开发周期短等特点，特别是对于轻量化、复杂零部件的制造优势显著，近些年在航空航天等重量敏感型领域获得较多应用。为了追求轻质高效的高功率密度电机，研究人员已经逐渐在电机绕组、转子铁芯、机壳等部件中开展了3D打印技术的应用尝试，对于提高电机功率密度有显著效果。
发明内容
本发明的目的是为了解决传统高速永磁电机由于匝间短路电流大、故障率高严重威胁电机可靠性的问题，提供一种基于3D打印扁线背绕式绕组的高速永磁电机定子，达到有效减小匝间短路电流及故障发生率，提高电机可靠性的优点。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种基于3D打印扁线背绕式绕组的高速永磁电机定子，包括定子铁芯块、扁线背绕式线圈组、槽楔和绝缘纸；
定子铁芯块包含定子铁芯在一个齿距范围内的内侧齿槽、外侧齿槽和定子轭；槽绝缘纸设在定子铁芯块的槽中，扁线背绕式线圈组缠绕于定子铁芯块的内、外侧槽中，构成一个单元定子，将12个单元定子拼接在一起构成一个完整定子；并在定子槽口处安装槽楔，按照电机设计连接背绕式线圈组构成背绕式绕组；
扁线背绕式线圈组2由沿定子铁芯切向方向堆叠而成的扁线背绕式线圈构成，且扁线背绕式线圈组采用纯铜或铜合金粉末通过3D打印技术整体打印制成，线圈外表面镀有绝缘漆膜；位于定子铁芯块的内侧、外侧槽中的扁线背绕式线圈的尺寸和形状可根据电机定子齿槽尺寸进行定制化打印，并且可根据实际需求打印为内、外尺寸不同但截面积相同的T型截面，用于增大电机定子槽的槽满率。
进一步的，定子铁芯块的内侧槽和外侧槽均为槽底为圆弧面的类似T型槽，且内侧槽的高度大于外侧槽的高度，内、外侧槽壁共面。
进一步的，装配时，首先在一个定子铁芯块的内、外侧槽中铺好绝缘纸，之后将扁线背绕式线圈组安装在铺好绝缘纸的定子铁芯块的内、外侧槽中，然后再将12个安装有扁线背绕式线圈组的单元定子通过定子铁芯块上的半圆形凹槽进行定子铁芯拼接，构成一个完整的电机定子，并在定子铁芯的内、外侧槽口安装槽楔，相邻定子铁芯块间紧密结合，减小接触间隙。
进一步的，当扁线背绕式线圈的截面积过大时，背绕式线圈也可替换为两股或多股扁线并绕的形式，需分别加工好每个并绕的背绕式线圈组，并将其依次并排安装到定子铁芯块的内、外侧槽中，根据电机设计方案对背绕式线圈组的引线出线端进行有序焊接连接；为避免不同股的不同匝间接触，并绕背绕式线圈组的接触线圈应属于相同匝。
进一步的，定子铁芯块的分裂位置也可替换为在槽中心线处，分裂面也可不加工配合凹槽。
进一步的，定子铁芯块的分裂位置也可替换为在槽中心线处，分裂面也可不加工配合凹槽。
进一步的，构成完整定子的单元定子数量也可替换为6、18、24。
与现有技术相比，本发明产生的有益效果为：
(1)相比于传统高速电机采用的多股并绕的漆包线结构，可能发生同股的不同匝、不同股的不同匝间的广泛匝间短路故障，采用所述扁线绕组消除了股线层面匝间短路情况的发生，并且匝间短路故障仅可能发生在相邻匝之间，大大降低了匝间短路故障的发生率。
(2)由于背绕式绕组电机发生匝间短路时的短路匝线圈是缠绕在定子铁芯上，结构上类似于有铁心的螺线管，因此短路匝线圈的电感很大，可以大幅降低短路电流，采用扁线还利于降低短路电流密度；进一步的，通过增加定子铁芯的磁轭高度等方法可增加短路匝线圈的电感，当短路电流密度减小到与额定电流密度相近时，可实现电机带匝间短路故障的容错运行，大大提高电机的可靠性。
(3)3D打印的扁线背绕式绕组截面可适应T型槽需要，相对于矩形槽可增加铜面积，且相比于漆包线背绕式绕组提升了铜的填充率，并且每根扁线与定子铁芯接触，散热效果好，有利于提高电机的功率密度。
(4)采用分块式定子铁芯结构，不但实现了3D打印扁线背绕式绕组的工艺可行性，且方便对故障绕组的更换和维修。此外，槽口尺寸的设计更自由，不受嵌线工艺限制。
附图说明
为了更加清晰的说明本发明，以下对实施案例或现有技术描述中所需使用的附图作简单说明。此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，并不构成对本发明的不当限定。
图1为基于3D打印扁线背绕式绕组的高速永磁电机定子的结构示意图；
图2为图1的轴向截面图；
图3为一个分块式定子铁芯的示意图；
图4为拼接的完整定子铁芯示意图；
图5为一个扁线背绕式线圈组示意图。
图中：1、定子铁芯块，2、扁线背绕式线圈组，21、扁线背绕式线圈，3、槽楔，4、绝缘纸。
具体实施方式
实施方式：下面结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于3D 打印扁线背绕式绕组的高速永磁电机定子，包括：定子铁芯块1、扁线背绕式线圈组2、槽楔3和绝缘纸4，
定子铁芯块1包含定子铁芯在一个齿距范围内的内侧齿槽、外侧齿槽和定子轭；槽绝缘纸4设在定子铁芯块1的槽中，扁线背绕式线圈组2缠绕于定子铁芯块1的内、外侧槽中，构成一个单元定子，将12个单元定子拼接在一起构成一个完整定子；并在定子槽口处安装槽楔3，按照电机设计连接背绕式线圈组构成背绕式绕组；
扁线背绕式线圈组2由沿定子铁芯切向方向堆叠而成的扁线背绕式线圈21构成，且扁线背绕式线圈组2采用纯铜或铜合金粉末通过3D打印技术整体打印制成，为了实现导体间的绝缘，根据电机的电压等级需要，扁线背绕式线圈21外表面镀有绝缘漆膜。
位于定子铁芯块1的内侧、外侧槽中的扁线背绕式线圈21的尺寸和形状可根据电机定子齿槽尺寸进行定制化打印，并且可根据实际需求打印为内、外尺寸不同但截面积相同的T型截面，用于增大电机定子槽的槽满率，即增大槽内铜的填充率，加之每匝扁线线圈都与定子铁芯接触，因此具有更好的导热效果，能够及时将绕组的铜耗散出，对于提高电机的散热具有良好效果。
定子铁芯块1的内侧槽和外侧槽均为槽底为圆弧面的类似T型槽，且内侧槽的高度大于外侧槽的高度，内、外侧槽壁共面。这样相比于内、外侧槽型尺寸一致的矩形槽可减小定子铁芯的外径，增加电机功率密度。此外，内、外侧槽壁共面可以保证位于定子铁芯块1内、外侧槽中的扁线背绕式线圈2的侧面也为共面的，方便扁线背绕式线圈21 的端部加工。
装配时，首先在一个定子铁芯块1的内、外侧槽中铺好绝缘纸4，之后将扁线背绕式线圈组2安装在铺好绝缘纸的定子铁芯块1的内、外侧槽中，然后再将12个安装有扁线背绕式线圈组2的单元定子通过定子铁芯块1上的半圆形凹槽进行定子铁芯拼接，构成一个完整的电机定子，并在定子铁芯的内、外侧槽口安装槽楔3，相邻定子铁芯块间紧密结合，减小接触间隙。
当扁线背绕式线圈21的截面积过大时，背绕式线圈21也可替换为两股或多股扁线并绕的形式，需分别加工好每个并绕的背绕式线圈组2，并将其依次并排安装到定子铁芯块1的内、外侧槽中，根据电机设计方案对背绕式线圈组2的引线出线端进行有序焊接连接；为避免不同股的不同匝间接触，并绕背绕式线圈组2的接触线圈应属于相同匝。
定子铁芯块1的分裂位置也可替换为在槽中心线处，分裂面也可不加工配合凹槽。
根据需要，构成完整定子的单元定子数量也可替换为6、18、24。
本发明的扁线背绕式线圈是沿定子铁芯切向方向堆叠的，这样保证了绝缘失效只发生在相邻匝之间，减小了匝间短路故障的发生率。发生匝间短路时，由于扁线背绕式线圈的短路匝线圈是缠绕在定子铁芯上，结构上类似于有铁心的螺线管，因此短路匝线圈的电感很大，可以大幅降低短路电流，采用扁线还利于降低短路电流密度；进一步的，通过增加定子铁芯的磁轭高度等方法可增加短路匝线圈的电感，当短路电流密度较小到与额定电流密度相近时，可实现电机带匝间短路故障的容错运行，大大提高电机的可靠性。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为说明本发明的具体实施方式而已，不能以此限制本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本发明技术方案基础上所做的任何改动，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于3D打印扁线背绕式绕组的高速永磁电机定子，其特征在于，包括定子铁芯块(1)、扁线背绕式线圈组(2)、槽楔(3)和绝缘纸(4)；
定子铁芯块(1)包含定子铁芯在一个齿距范围内的内侧齿槽、外侧齿槽和定子轭；槽绝缘纸(4)设在定子铁芯块(1)的槽中，扁线背绕式线圈组(2)缠绕于定子铁芯块(1)的内、外侧槽中，构成一个单元定子，将12个单元定子拼接在一起构成一个完整定子；并在定子槽口处安装槽楔(3)，按照电机设计连接背绕式线圈组(2)构成背绕式绕组；
扁线背绕式线圈组(2)由沿定子铁芯切向方向堆叠而成的扁线背绕式线圈(21)构成，且扁线背绕式线圈组(2)采用纯铜或铜合金粉末通过3D打印技术整体打印制成，线圈外表面镀有绝缘漆膜；位于定子铁芯块(1)的内侧、外侧槽中的扁线背绕式线圈(21)的尺寸和形状可根据电机定子齿槽尺寸进行定制化打印，并且可根据实际需求打印为内、外尺寸不同但截面积相同的T型截面，用于增大电机定子槽的槽满率。
2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印扁线背绕式绕组的高速永磁电机定子，其特征在于，定子铁芯块(1)的内侧槽和外侧槽均为槽底为圆弧面的类似T型槽，且内侧槽的高度大于外侧槽的高度，内、外侧槽壁共面。
3.根据权利要求1所述的一种基于3D打印扁线背绕式绕组的高速永磁电机定子，其特征在于，装配时，首先在一个定子铁芯块(1)的内、外侧槽中铺好绝缘纸(4)，之后将扁线背绕式线圈组(2)安装在铺好绝缘纸的定子铁芯块(1)的内、外侧槽中，然后再将12个安装有扁线背绕式线圈组(2)的单元定子通过定子铁芯块(1)上的半圆形凹槽进行定子铁芯拼接，构成一个完整的电机定子，并在定子铁芯的内、外侧槽口安装槽楔(3)，相邻定子铁芯块间紧密结合，减小接触间隙。
4.根据权利要求1所述的一种基于3D打印扁线背绕式绕组的高速永磁电机定子，其特征在于，当扁线背绕式线圈(21)的截面积过大时，背绕式线圈(21)也可替换为两股或多股扁线并绕的形式，需分别加工好每个并绕的背绕式线圈组(2)，并将其依次并排安装到定子铁芯块(1)的内、外侧槽中，根据电机设计方案对背绕式线圈组(2)的引线出线端进行有序焊接连接；为避免不同股的不同匝间接触，并绕背绕式线圈组(2)的接触线圈应属于相同匝。
5.根据权利要求1所述的一种基于3D打印扁线背绕式绕组的高速永磁电机定子，其特征在于，定子铁芯块(1)的分裂位置也可替换为在槽中心线处，分裂面也可不加工配合凹槽。
6.根据权利要求1所述的一种基于3D打印扁线背绕式绕组的高速永磁电机定子，其特征在于，构成完整定子的单元定子数量也可替换为6、18、24。
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