CN114421659A - 一种适配温区分布特点的定子及扁线电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适配温区分布特点的定子及扁线电机，定子包括定子铁心和绕组，所述定子铁心沿径向至少包括三段，分别为依次固定的外侧段铁心、过渡段铁心以及内侧段铁心，所述外侧段铁心、过渡段铁心以及内侧段铁心的磁感应强度依次递增，磁阻依次递减。本发明结构的定子可以避免传统设计中定子侧使用单一牌号硅钢片无法精确适应各个区域饱和、铁耗和温度分布的缺陷。同时，可以根据材料牌号特征，匹配实际电机的性能需求：最大程度的兼顾性能需求与成本。

Description

一种适配温区分布特点的定子及扁线电机

技术领域

本发明属于新能源汽车用永磁同步驱动电机技术领域，更具体地说，是涉及一种适配温区分布特点的定子及扁线电机。

背景技术

与传统燃油车相比，新能源汽车具备更短的启动加速时间、更高的驱动系统效率、更高的持续功率等特征，这就要求电机具备转速高，转矩大、高效率等特点。当前“扁线电机”+“油冷”是新能源驱动电机的研究热点之一，扁线电机可以进一步提高电机的功率、转矩密度和效率，而油冷冷却方式则可以进一步提升电机的温度限制，显著的提高电机的持续输出性能。

车用永磁同步电机作为主驱电机，往往要求具有很高的转矩密度、功率密度，从电机设计角度而言，为实现这一目标，往往会造成定子侧铁芯齿部、轭部磁密饱和非常严重。磁密过饱和，一方面反过来限制了电机峰值性能，另一方面造成电机定子侧铁耗过大，降低电机自身效率的同时，也造成定子铁芯自身及槽口附近的温升较高。从径向上看，气隙两侧位于电机径向中间位置，传统的水冷及油冷冷却方式很难直接冷却到该位置，容易造成这些位置形成局部“热岛”，是电机绝缘、永磁体退磁等潜在的风险点。

鉴于新能源整车系统对电机的峰值性能要求，当前电机的磁路设计愈发饱合。从电机径向上看，定子侧的磁密饱和一般集中于定子齿尖、齿部，这两部分的磁密饱合程度往往较高，轭部由于可以设计的较厚，磁饱和相对比较低。由于铁耗与磁密幅值呈正相关，定子侧铁芯的铁耗也主要集中在定子齿尖和齿部。对于目前常见的机壳水道冷却方式，定子侧铁芯温度从齿尖、齿部到轭部，存在明显的温度降低梯度。综上所述，定子齿尖、齿部是整个定子侧铁芯磁密饱合最高、铁耗最集中且温度最高的区域。另外，定子齿尖齿部的过饱和，还会增加槽口附近的漏磁，在扁线电机高转速应用场合下，进一步增大槽口附近导体的涡流损耗，提高了槽口附近的温升，这些都是定子侧铁芯过饱和带来的弊端。目前对于定子侧磁密饱合、铁耗及温度的改善，从硅钢片材料选型角度，往往在径向上不同区域均采用同一种高牌号硅钢片，无法匹配实际磁饱和、铁耗及温度分布。

上述的机壳水道冷却方式，可以对定子侧水道覆盖到的铁芯区域实现较好的冷却，但属间接冷却，对绕组端部和转子侧铁芯磁钢等区域均无法实现直接冷却。尤其在当前扁线电机更高的转速和功率需求背景下，需要更加关注转子侧的磁钢温升，特别是高温下永磁体的退磁风险，这些都是机壳水道冷却方式无法有效解决的痛点问题。

直接油冷方式，采用不导电不导磁的油性冷却液体，通过专门的油路通道设计，对绕组端部、转子侧铁芯甚至磁钢部件，进行直接接触式冷却，可以极大的改善上述区域的温升，因此该方式也是目前市场上重点研究与关注的方向。但目前上述两种方式均无法有效对局部“热岛”进行冷却。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的第一个目的在于提供一种适配温区分布特点的定子，该定子能降低成本的同时，减少局部热岛的发生；本发明的第二个目的在于提供一种扁线电机。

为了实现上述第一个发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种适配温区分布特点的定子，包括定子铁心和绕组，所述定子铁心沿径向至少包括三段，分别为依次固定的外侧段铁心、过渡段铁心以及内侧段铁心，所述外侧段铁心、过渡段铁心以及内侧段铁心的磁感应强度依次递增，磁阻依次递减。

作为优选方案：所述外侧段铁心以及过渡段铁心的内侧均设有卡接部，所述过渡段铁心以及内侧段铁心的外侧均设有与卡接部相配合的槽孔；外侧段铁心与过渡段铁心、过渡段铁心与内侧段铁心之间均通过卡接部与槽孔的配合固定连接。

作为优选方案：所述卡接部的端面为梯形、圆形、L形或者倒T形，所述槽孔口与卡接部的形状相匹配。

作为优选方案：所述过渡段铁心上沿轴向均匀间隔设置多个用来安装绕组的定子槽，相邻定子槽之间形成定子齿，所述内侧段铁心为多个，每个内侧段铁心固定在定子齿的内侧面。

作为优选方案：相邻两个内侧段铁心相互靠拢，形成收口(即槽口)，且相邻两个内侧段铁心之间(槽口位置)夹设有导油通路，所述导油通路贯穿定子铁心。

作为优选方案：所述定子铁心的两端还分别设有前端部导油环和后端部导油环，所述导油通路的两端分别与前端部导油环和后端部导油环的一侧固定，且相互连通。

作为优选方案：所述前端部导油环和后端部导油环的另一侧分别设有端部进油口和端部出油口。

作为优选方案：所述导油通路依次串联形成完整通路，且一端延长形成进油口，另一端延长形成出油口。

作为优选方案：所述外侧段铁心、过渡段铁心以及内侧段铁心分别采用低牌号硅钢片、中牌号硅钢片以及高牌号硅钢片，所述导油通路为耐高温不导磁不导电的注塑材料；所述定子铁心由多个定子冲片叠压成形，外侧段铁心、过渡段铁心以及内侧段铁心之间还设有自粘接涂层。

为了实现上述第二个发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种扁线电机，包括机壳，转子以及如上任意一项所述的定子。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明对传统电机设计中的定子铁芯进行径向分段设计，根据实际定子侧磁密饱和、铁耗、温度分布的特点，分段采用不同牌号的硅钢片：高磁饱和、高铁耗、温度高的区域采用高牌号硅钢片材料，低磁饱和、低铁耗、温度低的区域采用低牌号硅钢片材料，中间过渡区域采用中牌号硅钢片材料。本发明结构的定子可以避免传统设计中定子侧使用单一牌号硅钢片无法精确适应各个区域饱和、铁耗和温度分布的缺陷。同时，可以根据材料牌号特征，匹配实际电机的性能需求：高牌号硅钢片具有更高的磁感应强度、更低的磁阻，可以降低齿尖的磁密饱合及铁耗，继而改善温升，但成本也更高，因此更需要针对性的用在最需要的位置，避免定子整个铁芯采用同样的高牌号硅钢片带来的成本压力，最大程度的兼顾性能需求与成本。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为传统扁线电机定子侧铁芯设计径向视图；

图2为本发明的扁线电机定子八分之一局部示意图；

图3为图2局部放大示意图；

图4为本发明实施例1的定子的整体结构示意图；

图5为本发明实施例1的定子的侧面结构示意图；

图6为本发明实施例1的前端部导油环的结构示意图；

图7为本发明实施例2的定子的整体结构示意图；

图8为本发明实施例2的定子的侧面结构示意图。

附图中的标记为：1、外侧段铁心；2、过渡段铁心；3、卡接部；4、内侧段铁心；5、导油通路；6、端部进油口；7、前端部导油环；8、后端部导油环；9、端部出油口。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、部件和/或它们的组合。

此外，在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“顺时针”、“逆时针”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发明和简化描述，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。

此外，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。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明：

图1为当前电机行业传统的径向方向硅钢片的设计，径向方向上定子铁芯不同位置均采用统一一致的硅钢片材料。当前的设计并未考虑硅钢片材料更优的匹配定子侧铁芯磁密、铁耗及温度的分配。另外，传统设计对于槽楔位置的空间并未完全合理利用，对于气隙两侧电机的局部温度较高并未有针对性的优化措施。

实施例1

图2为本发明提出的径向方向上，定子铁芯分区域高低硅钢片牌号组合方案，以及槽口槽楔位置油路设计方案，该视图为径向方向电机八分之一局部模型2D正视图，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；需要说明的是本专利对于各类型永磁同步电机极槽配合、各类型槽型、转子结构均适用，故具体详细的转子结构在本发明中略去讨论，重点说明本发明涉及到的定子设计。

如图2和图3所示，一种适配温区分布特点的定子，包括定子铁心和绕组，所述定子铁心沿径向至少包括三段，分别为依次固定的外侧段铁心1、过渡段铁心2以及内侧段铁心4，所述外侧段铁心1、过渡段铁心2以及内侧段铁心4分别采用低牌号硅钢片、中牌号硅钢片以及高牌号硅钢片，所述外侧段铁心1、过渡段铁心2以及内侧段铁心4的磁感应强度依次递增，磁阻依次递减。

所述外侧段铁心1以及过渡段铁心2的内侧均设有卡接部3，所述过渡段铁心2以及内侧段铁心4的外侧均设有与卡接部3相配合的槽孔；外侧段铁心1与过渡段铁心2、过渡段铁心2与内侧段铁心4之间均通过卡接部3与槽孔的配合固定连接。所述卡接部3的端面为梯形、圆形、L形或者倒T形，所述槽孔与卡接部3的形状相匹配。

所述过渡段铁心2上沿轴向均匀间隔设置多个用来安装绕组的定子槽，相邻定子槽之间形成定子齿，所述内侧段铁心4为多个，每个内侧段铁心4固定在定子齿的内侧面。所述定子铁心由多个定子冲片叠压成形，外侧段铁心1、过渡段铁心2以及内侧段铁心4之间还设有自粘接涂层。

根据扁线电机定子侧磁密、铁耗和温升分布特点，最外侧区域相应磁密饱和程度、铁耗密度及温升幅值均较低，可采用较低磁感应强度、低磁导率的低牌号硅钢片，在不影响电机主要性能的基础上，降低此区域材料成本。中间区域为定子的齿部，相应的采用中牌号硅钢片进行过渡。最内侧是定子侧磁密饱和程度、铁耗密度及温升最高的区域，可采用高磁钢应强度、高磁导率、高强度的高牌号硅钢片，以便从材料属性上进行匹配，更好的降低此区域的铁耗密度，从热源上降低此处的铁耗。同时降低此处磁密饱和也可避免更多的漏磁通进入槽口内，在槽口导体上感应出幅值较大的涡流，降低槽口内导体的涡流损耗，改善扁线电机高转速区间内的铜耗、效率及槽口内温升。

对于径向不同区域铁芯的装配成型，本发明采用“各区域单独冲片冲压成型+径向燕尾槽卡槽主固定+自粘结硅钢片涂层辅助固定”的方式。首先外侧段铁心1、过渡段铁心2以及内侧段铁心4，根据径向分段形状，冲压成型，包括燕尾槽槽型。其次，各区域轴向叠压后，从轴向依次推入燕尾槽卡槽，实现整个定子铁心成型，燕尾槽起到对径向不同段铁芯主要固定支撑的作用。最后，径向各段在结合处的硅钢表层，采用当前较为成熟的自粘接涂层，进行辅助固定。

如图4至图6所示，相邻两个内侧段铁心4相互靠拢，形成收口即槽口，且相邻两个内侧段铁心4之间夹设有导油通路5，所述导油通路贯穿定子铁心，所述导油通路5为耐高温不导磁不导电的注塑材料。

所述定子铁心的两端还分别设有前端部导油环7和后端部导油环8，所述导油通路5的两端分别与前端部导油环7和后端部导油环8的一侧固定，且相互连通。所述前端部导油环7和后端部导油环8的另一侧分别设有端部进油口6和端部出油口9。

导油通路5尺寸可根据具体的槽口尺寸进行开模以便尽可能的贴靠紧槽口，起到传统槽楔对槽口内导体的密封紧固作用的同时，中空的轴向通道可保证冷却油的流通，实现对相邻区域的有效冷却。本发明以圆形中空油道进行说明，可根据具体的槽型尺寸、油压、流速、压力损失等，对该导油通路5进行形状尺寸优化设计等，包括且不局限于：圆型、方形、椭圆形及各种异形油道。

端部进油口6接收外部油泵输入进电机内部的冷却油，经过前端部导油环7实现冷却油对48个具体槽口油路的并行分配，最终汇集到后端部导油环8后，从端部出油口9将温度较高的冷却油排出至电机外部进行循环冷却。由上述结构构成的电机槽口冷却油网络，一方面独立于目前成熟的“定子机壳油冷+端部喷油冷却+转子甩油冷却”，对现有各冷却方式无任何影响；一方面分离出的冷却油路实现了对槽口定子齿间位置、槽口附近导体、转子表面的冷却；最后该冷却油网络结构具有一定的刚度，也可以对定子径向分段结构起到一定的辅助固定支撑的作用。

本发明提及的端部进油口6、端部出油口9位置可根据实际电机外部结构接口等灵活调整，同时前端部导油环7、后端部导油环8可以根据扁线电机端部尺寸、前后端部空间、端部喷油转轴甩油的设计等兼顾各方面的因素进行灵活调整。

本发明借鉴当前油冷思路，在扁线电机定子槽口、槽楔位置，设计轴向贯穿的油路，通过前后端环的合理设计，形成对气隙两侧部件如：转子铁芯表面、定子槽口导体铁芯等直接冷却，从而消除径向方向上目前冷却方式均无法有效涉及的局部“热岛”。

实施例2

与实施例1的主要区别在于48个槽口的油道由并联改为串联，即由原来的48个槽口油道通过前后导油环进行各自油道冷却油的分流与汇集，改为单一一个进油口串联所有槽口油道，再从单一出油口排出。

如图7和图8所示，所述导油通路5依次串联形成完整通路，且一端延长形成进油口，另一端延长形成出油口。

该方案在合理的外部油压、流速等设计下也可以实现相同的冷却效果，同时省去了前后端部导油环，结构上更加紧凑，节省空间等。同样，进出口油孔的位置尺寸等，可根据实际电机外部边界条件等进行灵活调整。

本发明对气隙两侧定转子表面和槽口导体位置的温升，设计槽口位置的油道，在兼顾传统槽楔的作用同时，对气隙附近位置定转子铁芯、导体起到针对性的冷却，对电机传统冷却方式无法兼顾到的区域起到温度改善的作用。

一种扁线电机，包括机壳，转子以及上述两个实施例中的定子结构。

综上所述，本发明为一种适配温区分布特点的扁线电机定子设计。该结构主要特点有两个：第一，在径向方向上，基于传统整体定子铁芯采用单一硅钢片牌号的设计，按照电机实际磁饱和、铁耗和温度的分布，划分不同区域、采用不同牌号硅钢片的设计。定子齿尖磁饱和最严重、铁耗最集中，温度最高最难冷却，此处采用最高牌号的硅钢片材料，如20系列；定子轭部磁饱和相对最低、铁耗最为分布、温度最低最容易冷却，此处采用最低牌号的硅钢片材料，如35系列；定子齿部是连接齿尖与轭部的中间过渡区域，相应的磁饱和、铁耗及温度情况介于齿尖与轭部之间，因此可采用中等牌号的硅钢片材料如27/30系列等。不同区域的硅钢片材料的连接主要采用燕尾槽的形式实现：各区域冲片冲制成燕尾槽形状，从轴向推入实现径向上的固定。同时采用现有硅钢片制作工艺中的自粘接涂层，在燕尾槽卡槽固定的基础上，通过自粘接涂层进行辅助加固。

第二，设计定子槽口、槽楔位置处的轴向贯通的冷却油路，对气隙两侧区域实现针对性的冷却。传统电机槽口位置多采用槽楔，槽楔材料非导磁、非导电，主要起到对槽内绕组的固定作用，防止极端情形下，绕组从槽口进入气隙中。本发明对槽口区域加以利用改造，根据实际槽口形状冲制对应模具，模具中空形成导通的油道，合理设计前后端环，串联所有的槽口油道，形成与电机外部油路相通的油路。在具备传统槽楔固定槽内绕组的同时，中空的油路通入循环的冷却油，对气隙附近区域，如转子表面、定子齿尖、槽内靠近槽口位置的导体等，实现针对性的冷却，从而消除径向方向上目前冷却方式均无法有效涉及的局部热岛。

本发明研究在应用扁铜线绕组时，如何根据电机自身磁密饱和程度、铁耗分布，更好的降低定子侧铁耗；同时根据电机气隙两侧温度分布特点，设计槽口冷却油路，对气隙两侧定子铁芯、槽口导体、转子表面进行针对性冷却优化。本发明提到的槽口处轴向油冷油路，在不改变传统槽楔作用的同时，创造性的实现对气隙两侧传统冷却方式均难以覆盖到的“热岛”区域直接针对性的冷却，对转子铁芯表面、定子齿尖和槽内靠近气隙的导体均可得到很好的温升改善作用。配合目前较为成熟的“定子铁芯油冷+绕组端部喷油+转子空心轴甩油”冷却方案，使得电机径向方向上各位置的温度分布更加合理均匀，避免了出现局部温升过高的“热岛”，极大的降低扁线电机温度过温导致的永磁体退磁、绕组绝缘失效等风险，显著的提高了扁线电机的持续输出能力。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“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发明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。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种适配温区分布特点的定子，包括定子铁心和绕组，其特征在于：所述定子铁心沿径向至少包括三段，分别为依次固定的外侧段铁心(1)、过渡段铁心(2)以及内侧段铁心(4)，所述外侧段铁心(1)、过渡段铁心(2)以及内侧段铁心(4)的磁感应强度依次递增，磁阻依次递减。

2.根据权利要求1所述的一种适配温区分布特点的定子，其特征在于：所述外侧段铁心(1)以及过渡段铁心(2)的内侧均设有卡接部(3)，所述过渡段铁心(2)以及内侧段铁心(4)的外侧均设有与卡接部(3)相配合的槽孔；外侧段铁心(1)与过渡段铁心(2)、过渡段铁心(2)与内侧段铁心(4)之间均通过卡接部(3)与槽孔的配合固定连接。

3.根据权利要求2所述的一种适配温区分布特点的定子，其特征在于：所述卡接部(3)的端面为梯形、圆形、L形或者倒T形，所述槽孔与卡接部(3)的形状相匹配。

4.根据权利要求1所述的一种适配温区分布特点的定子，其特征在于：所述过渡段铁心(2)上沿轴向均匀间隔设置多个用来安装绕组的定子槽，相邻定子槽之间形成定子齿，所述内侧段铁心(4)为多个，每个内侧段铁心(4)固定在定子齿的内侧面。

5.根据权利要求4所述的一种适配温区分布特点的定子，其特征在于：相邻两个内侧段铁心(4)相互靠拢，形成收口，且相邻两个内侧段铁心(4)之间夹设有导油通路(5)，所述导油通路(5)贯穿定子铁心。

6.根据权利要求5所述的一种适配温区分布特点的定子，其特征在于：所述定子铁心的两端还分别设有前端部导油环(7)和后端部导油环(8)，所述导油通路(5)的两端分别与前端部导油环(7)和后端部导油环(8)的一侧固定，且相互连通。

7.根据权利要求5所述的一种适配温区分布特点的定子，其特征在于：所述前端部导油环(7)和后端部导油环(8)的另一侧分别设有端部进油口(6)和端部出油口(9)。

8.根据权利要求5所述的一种适配温区分布特点的定子，其特征在于：所述导油通路(5)依次串联形成完整通路，且一端延长形成进油口，另一端延长形成出油口。

9.根据权利要求1所述的一种适配温区分布特点的定子，其特征在于：所述外侧段铁心(1)、过渡段铁心(2)以及内侧段铁心(4)分别采用低牌号硅钢片、中牌号硅钢片以及高牌号硅钢片，所述导油通路(5)为耐高温不导磁不导电的注塑材料；所述定子铁心由多个定子冲片叠压成形，外侧段铁心(1)、过渡段铁心(2)以及内侧段铁心(4)之间还设有自粘接涂层。

10.一种扁线电机，其特征在于：包括机壳，转子以及如权利要求1至9任意一项所述的定子。

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