CN115528827B - 基于双u型定子及双侧嵌入式变层数绕组的永磁驱动电机 - Google Patents

基于双u型定子及双侧嵌入式变层数绕组的永磁驱动电机 Download PDF

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Abstract

基于双U型定子及双侧嵌入式变层数绕组的永磁驱动电机，涉及永磁电机技术领域。本发明是为了解决由于定子铁心开槽导致的电机齿槽转矩效应，且高转速下绕组电流密度分布不均导致的电机交流损耗增加的问题。本发明外定子铁心的定子轭内设有多个外定子齿，内定子铁心的多个内定子齿合围成圆形并通过导磁桥相连，全工况用定子绕组和低转速用定子绕组均为偶数层，低转速用定子绕组靠近转子侧，全工况用定子绕组远离转子侧，外定子铁心同轴嵌套在内定子铁心外部，且多个外定子槽分别和多个内定子槽一一正对、使得两个相对的定子槽构成一个整体，全工况用定子绕组和低转速用定子绕组嵌在外定子槽和内定子槽内部。

Description

基于双U型定子及双侧嵌入式变层数绕组的永磁驱动电机
技术领域
本发明属于永磁电机技术领域，尤其涉及永磁电机定子的绕组结构。
背景技术
应用于新能源电动汽车(New Power Electric Vehicle)领域的驱动电机需要其拥有较高的转矩密度和功率密度，从而满足汽车在起动、上坡和高速等不同运行工况中的要求。扁线电机(PMSM)因其转矩密度高、效率高、噪声低等优点，成为优良的候选电机。
为了便于矩形绕组下线，扁线电机通常在定子铁心内表面进行开槽设计，将定子槽设计成全开口槽或者半开口槽结构。这种开槽的结构设计会使电机齿槽交错排布，影响电机磁路平衡性，从而增加电机齿槽谐波，导致电机气隙磁密波形发生畸变，加剧电机齿槽效应，引起输出转矩脉动。过大的电机转矩脉动会影响电机性能，造成电磁振动和噪音，影响新能源驱动系统的整体性能。
与圆线电机定子绕组相比，扁线电机所使用的矩形绕组的截面积大，当扁线电机运行时，由于邻近效应和趋肤效应的影响，同槽内的定子绕组电流密度分布不均匀，主要集中于槽口处，进一步加剧了电机齿槽转矩效应。并且高转速情况下绕组电流密度分布不均，还会导致电机交流损耗增加，工作效率下降。
发明内容
本发明是为了解决由于定子铁心开槽导致的电机齿槽转矩效应，且高转速下绕组电流密度分布不均导致的电机交流损耗增加的问题，现提供基于双U型定子及双侧嵌入式变层数绕组的永磁驱动电机。
基于双U型定子及双侧嵌入式变层数绕组的永磁驱动电机，包括由内至外依次同轴设置的转子、定子和机壳；
所述定子包括：外定子铁心1、内定子铁心2、全工况用定子绕组3和低转速用定子绕组4，外定子铁心1包括圆环形的定子轭10，定子轭10内圆周面均匀设有多个外定子齿11，相邻两个外定子齿11与定子轭10的合围区域构成“U”形的外定子槽12，内定子铁心2包括多个呈圆形排布的内定子齿20，相邻两个内定子齿20的根部通过导磁桥21相连、使得相邻两个内定子齿20与导磁桥21之间的合围区域构成“U”形的内定子槽22，全工况用定子绕组3和低转速用定子绕组4的层数均为偶数，低转速用定子绕组4靠近转子侧，全工况用定子绕组3远离转子侧，外定子铁心1同轴嵌套在内定子铁心2外部，且多个外定子槽12分别和多个内定子槽22一一正对、使得两个相对的定子槽构成一个整体，全工况用定子绕组3和低转速用定子绕组4嵌在外定子槽12和内定子槽22内部。
进一步的，上述内定子齿20和外定子齿11之间通过卡扣相连。
进一步的，上述内定子齿20的齿尖处设有梯形的凸起23，外定子齿11的齿尖处设有能够与凸起23相配合的凹槽13，内定子齿20和外定子齿11之间通过凹槽13与凸起23相互配合连接。
进一步的，上述梯形的底角为45°。
进一步的，上述外定子铁心1的外圆周面上沿其轴向开有一条定位销槽15。
进一步的，上述外定子铁心1的外圆周面上沿其轴向开有4条焊接缝14，4条焊接缝14沿外定子铁心1的周向均匀排布。
进一步的，上述基于双U型定子及双侧嵌入式变层数绕组的永磁驱动电机还包括两套三相电源接线端子5和两套中性线接线铜排6，全工况用定子绕组3通过一套三相电源接线端子5与电机电源电气连接，低转速用定子绕组4通过另一套三相电源接线端子5与电机电源电气连接；全工况用定子绕组3与一套中性线接线铜排6相连，低转速用定子绕组4与另一套中性线接线铜排6相连。
进一步的，上述全工况用定子绕组3和低转速用定子绕组4均为整体绝缘结构。
进一步的，上述内定子齿20和外定子齿11的连接位置与全工况用定子绕组3和低转速用定子绕组4绝缘交界位置一致。
本发明的技术效果：
1、本发明提供了一种径向分段双U型定子结构及双侧嵌入式变层数绕组的低振噪低损耗永磁驱动电机，该永磁驱动电机去除了电机定子内圆开槽设计，减小了电机齿槽谐波，削弱了电机齿槽效应，降低了电机齿槽转矩，改善了电机气隙磁密分布情况，提升了电机NVH性能。
2、本发明采用变层数定子绕组排布方式，改变了电机在不同转速情况下工作的定子绕组到槽口的距离，进一步削弱了电机齿槽效应。同时，还保证了电机在满足不同工况下输出转矩的要求，解决了扁线电机在高转速工况下因邻近效应和趋肤效应导致定子绕组交流损耗增加、电机效率下降的问题。
3、由于本发明采用了径向分段双U型定子结构、变层数定子绕组排布方式和定子绕组整体绝缘的设计，定子绕组下线采用双侧嵌入式的下线方式，相较于现有常用的内嵌式下线方式，降低了嵌线难度，简化了装配工艺。
4、本发明采的定子绕组绝缘为整体绝缘，保证了定子绕组的绝缘性能。同时，定子槽内壁设置绝缘层，进一步加强电机绝缘性能。
附图说明
图1为基于双U型定子及双侧嵌入式变层数绕组的永磁驱动电机的结构示意图；
图2为外定子铁心的横截面示意图，其中a表示外定子铁心的整体，b为局部放大图；
图3为内定子铁心的横截面示意图，其中a表示内定子铁心的整体，b为局部放大图；
图4为外定子铁心和内定子铁心相互配合的示意图；
图5为变层数绕组的局部示意图；
图6为变层数绕组的立体结构示意图；
图7为低转速用定子绕组的连接示意图；
图8为全工况用定子绕组的连接示意图。
图中，外定子铁心1、内定子铁心2、全工况用定子绕组3、低转速用定子绕组4，三相电源接线端子5，中性线接线铜排6，定子轭10，外定子齿11，外定子槽12，凹槽13，焊接缝14，定位销槽15，内定子齿20，导磁桥21，内定子槽22，凸起23。
具体实施方式
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作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
具体实施方式一：参照图1至图8具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于双U型定子及双侧嵌入式变层数绕组的永磁驱动电机，包括由内至外依次同轴设置的转子、定子和机壳。
所述定子包括：外定子铁心1、内定子铁心2和变层数定子绕组，该变层数定子绕组包括全工况用定子绕组3和低转速用定子绕组4。
如图2所示，外定子铁心1包括圆环形的定子轭10，定子轭10内圆周面均匀设有多个外定子齿11，相邻两个外定子齿11与定子轭10的合围区域构成“U”形的外定子槽12。
如图3所示，内定子铁心2包括多个呈圆形排布的内定子齿20，相邻两个内定子齿20的根部通过导磁桥21相连，内定子铁心2的内圆周面为光滑的闭合面。相邻两个内定子齿20与导磁桥21之间的合围区域构成“U”形的内定子槽22。
如图5所示，变层数定子绕组采用的是发卡绕组，一端为绕组发卡端，另一端为焊接端；所述的三相接线端子和中性线接线铜排焊接在定子绕组焊接端。具体的，低转速用定子绕组4靠近转子侧。全工况用定子绕组3远离转子侧。变层数定子绕组的层数为2n，其中n为大于等于2的正整数。变层数定子绕组中全工况用定子绕组3和低转速用定子绕组4的层数也均为偶数。实际应用时，全工况用定子绕组3和低转速用定子绕组4的绕组层数可根据具体工况下要求的输出转矩进行灵活调整。以6层定子绕组为例，如图6所示，全工况用定子绕组3层数为4低转速用定子绕组4层数为2。
如图4所示，外定子铁心1同轴嵌套在内定子铁心2外部，且多个外定子槽12分别和多个内定子槽22一一正对、使得两个相对的定子槽构成一个整体。外定子铁心1和内定子铁心2共同构成一个完整无齿槽的定子铁心结构。
全工况用定子绕组3和低转速用定子绕组4嵌在外定子槽12和内定子槽22内部。本实施方式中，定子绕组的下线方式为双侧嵌入式，先布置定子槽的内壁绝缘层，再将两套定子绕组分别下入对应的定子铁心中，然后通过卡扣将两侧带绕组的定子铁心进行合装。两套定子绕组绝缘之间不需要再设置层间绝缘。内定子齿20和外定子齿11之间通过卡扣相连的具体结构如下：
内定子齿20的齿尖处设有梯形的凸起23，外定子齿11的齿尖处设有能够与凸起23相配合的凹槽13，内定子齿20和外定子齿11之间通过凹槽13与凸起23相互配合连接。所述梯形的底角为45°。
外定子铁心1的外圆周面上沿其轴向开有一条定位销槽15，定位销槽15在外定子铁心1与机壳装配过程中，和机壳上相对应的槽配合，利用连接键起到定位和固定作用。
外定子铁心1的外圆周面上沿其轴向开有4条焊接缝14，4条焊接缝14沿外定子铁心1的周向均匀排布。
基于双U型定子及双侧嵌入式变层数绕组的永磁驱动电机还包括两套三相电源接线端子5和两套中性线接线铜排6，全工况用定子绕组3通过一套三相电源接线端子5与电机电源电气连接，低转速用定子绕组4通过另一套三相电源接线端子5与电机电源电气连接；全工况用定子绕组3与一套中性线接线铜排6相连，低转速用定子绕组4与另一套中性线接线铜排6相连。
全工况用定子绕组3和低转速用定子绕组4均为整体绝缘结构，具体的，在两个槽内壁均设有绝缘层，进一步的两套定子绕组又各自为整体绝缘。因此本实施方式中共有两套绝缘。内定子齿20和外定子齿11的连接位置与全工况用定子绕组3和低转速用定子绕组4绝缘交界位置一致。
如图7所示，低转速用定子绕组4的三相定子绕组中定子槽编号为1～48，定子绕组层数编号为L1～L6，靠近槽口处的定子绕组层数编号为L1，最外层为L6。低转速用定子绕组4的a相1支路绕组路径为：1槽(L2)-7槽(L1)-13槽(L2)-19槽(L1)-25槽(L2)-31槽(L1)-37槽(L2)-43槽(L1)-2槽(L1)-8槽(L2)-14槽(L1)-20槽(L2)-26槽(L1)-32槽(L2)-38槽(L1)-44槽(L2)；a相支路2支路绕组路径为：2槽(L2)-8槽(L1)-14槽(L2)-20槽(L1)-26槽(L2)-32槽(L1)-38槽(L2)-44槽(L1)-1槽(L1)-7槽(L2)-13槽(L1)-19槽(L2)-25槽(L1)-31槽(L2)-37槽(L1)-43槽(L2)。
如图8所示，全工况定子绕组3的三相定子绕组中A相1支路绕组路径为：1槽(L5)-7槽(L6)-13槽(L5)-19槽(L6)-25槽(L5)-31槽(L6)-37槽(L5)-43槽(L6)-2槽(L6)-8槽(L5)-14槽(L6)-20槽(L5)-26槽(L6)-32槽(L5)-38槽(L6)-44槽(L5)-2槽(L4)-8槽(L3)-14槽(L4)-20槽(L3)-26槽(L4)-32槽(L3)-38槽(L4)-44槽(L3)-1槽(L3)-44槽(L4)-38槽(L3)-32槽(L4)-26槽(L3)-20槽(L4)-14槽(L3)-8槽(L4)。全工况用定子绕组22的A相2支路绕组路径为：2槽(L5)-8槽(L6)-14槽(L5)-20槽(L6)-26槽(L5)-32槽(L6)-38槽(L5)-44槽(L6)-1槽(L6)-7槽(L5)-13槽(L6)-19槽(L5)-25槽(L6)-31槽(L5)-37槽(L6)-43槽(L5)-1槽(L4)-7槽(L3)-13槽(L4)-19槽(L3)-25槽(L4)-31槽(L3)-37槽(L4)-43槽(L3)-2槽(L3)-43槽(L4)-37槽(L3)-31槽(L4)-25槽(L3)-19槽(L4)-13槽(L3)-7槽(L4)。
本实施方式中，全工况用定子绕组3和低转速用定子绕组4分别接入电机电源系统，由控制器分别控制。当永磁驱动电机工作在低转速工况时，电源系统给两套定子绕组均施加励磁电流，两套绕组同时工作，保证电机满足工况要求；当电机转速升高至一定程度时，电源系统停止对低转速用定子绕组4施加电流，调整全工况用定子绕组3的励磁电流，保证电机输出转矩满足高转速工况要求。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。

Claims (9)

1.基于双U型定子及双侧嵌入式变层数绕组的永磁驱动电机，包括由内至外依次同轴设置的转子、定子和机壳，其特征在于，所述定子包括：外定子铁心(1)、内定子铁心(2)、全工况用定子绕组(3)和低转速用定子绕组(4)，
外定子铁心(1)包括圆环形的定子轭(10)，定子轭(10)内圆周面均匀设有多个外定子齿(11)，相邻两个外定子齿(11)与定子轭(10)的合围区域构成“U”形的外定子槽(12)，
内定子铁心(2)包括多个呈圆形排布的内定子齿(20)，相邻两个内定子齿(20)的根部通过导磁桥(21)相连、使得相邻两个内定子齿(20)与导磁桥(21)之间的合围区域构成“U”形的内定子槽(22)，
全工况用定子绕组(3)和低转速用定子绕组(4)的层数均为偶数，低转速用定子绕组(4)靠近转子侧，全工况用定子绕组(3)远离转子侧，外定子铁心(1)同轴嵌套在内定子铁心(2)外部，且多个外定子槽(12)分别和多个内定子槽(22)一一正对、使得两个相对的定子槽构成一个整体，全工况用定子绕组(3)和低转速用定子绕组(4)嵌在外定子槽(12)和内定子槽(22)内部；
当永磁驱动电机工作在低转速工况时，电源系统给两套定子绕组均施加励磁电流，两套绕组同时工作；当电机转速升高，电源系统停止对低转速用定子绕组(4)施加电流。
2.根据权利要求1所述的基于双U型定子及双侧嵌入式变层数绕组的永磁驱动电机，其特征在于，内定子齿(20)和外定子齿(11)之间通过卡扣相连。
3.根据权利要求2所述的基于双U型定子及双侧嵌入式变层数绕组的永磁驱动电机，其特征在于，内定子齿(20)的齿尖处设有梯形的凸起(23)，外定子齿(11)的齿尖处设有能够与凸起(23)相配合的凹槽(13)，内定子齿(20)和外定子齿(11)之间通过凹槽(13)与凸起(23)相互配合连接。
4.根据权利要求3所述的基于双U型定子及双侧嵌入式变层数绕组的永磁驱动电机，其特征在于，梯形的底角为45°。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的基于双U型定子及双侧嵌入式变层数绕组的永磁驱动电机，其特征在于，外定子铁心(1)的外圆周面上沿其轴向开有一条定位销槽(15)。
6.根据权利要求1、2、3或4所述的基于双U型定子及双侧嵌入式变层数绕组的永磁驱动电机，其特征在于，外定子铁心(1)的外圆周面上沿其轴向开有4条焊接缝(14)，4条焊接缝(14)沿外定子铁心(1)的周向均匀排布。
7.根据权利要求1、2、3或4所述的基于双U型定子及双侧嵌入式变层数绕组的永磁驱动电机，其特征在于，还包括两套三相电源接线端子(5)和两套中性线接线铜排(6)，
全工况用定子绕组(3)通过一套三相电源接线端子(5)与电机电源电气连接，低转速用定子绕组(4)通过另一套三相电源接线端子(5)与电机电源电气连接；
全工况用定子绕组(3)与一套中性线接线铜排(6)相连，低转速用定子绕组(4)与另一套中性线接线铜排(6)相连。
8.根据权利要求1、2、3或4所述的基于双U型定子及双侧嵌入式变层数绕组的永磁驱动电机，其特征在于，全工况用定子绕组(3)和低转速用定子绕组(4)均为整体绝缘结构。
9.根据权利要求8所述的基于双U型定子及双侧嵌入式变层数绕组的永磁驱动电机，其特征在于，内定子齿(20)和外定子齿(11)的连接位置与全工况用定子绕组(3)和低转速用定子绕组(4)绝缘交界位置一致。
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