CN115580056A - 一种扁线短距波绕组结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电机技术领域，公开了一种扁线短距波绕组结构，包括：三相扁线绕组结构，嵌放在永磁电机的定子的多个定子槽内；所述三相扁线绕组结构包括U、V、W三相绕组结构，每个定子槽内有2r(r∈N*)层扁铜导线，U、V、W三相中每相的每个支路均包括r部分，对于第一部分至第r部分的扁铜导线线圈，相邻的扁铜导线线圈所在的定子槽之间均有1个槽的错位，这种扁线短距波绕组结构，实现了短距的效果。

Description

一种扁线短距波绕组结构

技术领域

本发明涉及电机技术领域，特别涉及一种扁线短距波绕组结构。

背景技术

随着新能源汽车技术的快速发展，对于车用驱动电机的性能要求越来越高，新能源汽车电机的主要发展趋势是小型化和高速化，而小型化必然要求电机效率有大幅度的提升。

基于扁铜导线电机具有铜满率高、电机绕组散热好、绕组的耐压能力强以及绕组端部长度短等方面的特点，近几年来，扁铜导线电机被广泛应用在电动汽车领域，能够提升电动汽车用电机的功率密度和转矩密度。

结合当前扁铜导线电机的加工工艺以及电机绕制方式对转矩的影响，现有的使用扁铜导线的电机大多为整距波绕绕组，但是整矩绕组的绕线方式，其奇数次谐波占比较大，是引起转矩脉动、齿槽转矩脉动和谐波损耗等问题的原因之一。

发明内容

本发明提供一种扁线短距波绕组结构，该电枢绕组能够实现短距分布，通过削弱奇数次谐波以改善电机的转矩脉动以及齿槽转矩。

本发明提供一种扁线短距波绕组结构，包括：

三相扁线绕组结构，嵌放在永磁电机的定子的多个定子槽内；

所述三相扁线绕组结构包括U、V、W三相绕组结构，每个定子槽内有2r层扁线,r∈N*,N*为正整数，每相绕组结构共有两条支路且两条支路并联，每条支路均包括r部分，对于第一部分至第r部分的扁线线圈，相邻的扁线线圈所在的定子槽之间均有1个槽的错位。

上述扁线线圈包括多个单元线圈焊接而成，所述单元线圈包括：

两个焊接端，下部倾斜向外，位于尾部的开口处，与左右相邻的两个单元线圈的焊接端焊接连接；

两个有效边，嵌入定子槽中，能够切割磁力线产生感应电动势，两个有效边一体连接两个焊接端；

U型结构端，位于上部闭合处，其两端与两个有效边一一对应一体连接。

上述扁线绕组结构的第n个单元线圈的U型结构端的跨距y₁、两个焊接端的跨距x以及第n+1个单元线圈的U型结构端的跨距y₂分别由以下公式确定：

y₁+x+y₂＝kmq，(k＝1,2,3…)

(y₁+y₂)/2＝y

其中，k为不为0整数；m为相数；q为每极每相槽数，y为等效节距，即相邻两磁极下，同一相绕组的第一部分相带和第二部分相带之间的间距；

所述绕组每个部分的三种跨距对应相等，即第一部分至第r部分的跨距y₁均相等，第一部分至第r部分的跨距x均相等，第一部分至第r部分的跨距y₂均相等。

上述扁线绕组结构的制作方法包括以下步骤：

首先，需要通过对单个单元线圈的U型结构端进行扭头操作，并对其整体进行3d弯曲；

其次，将焊接端和有效边插入对应的定子槽中；

最后，将相邻两个单元线圈的焊接端通过电焊连接形成线圈组，多个线圈组并联形成扁线绕组结构。

上述扁线绕组结构为扁铜导线绕组结构。

上述扁线绕组结构为60度相带，60°相带每极下同一相的扁线绕组所连续占定子槽内扁铜导线绕组总数为：Z*2r/2p/3，其中Z表示定子槽数，Z＝mpq，其中p为电机磁极数，m为扁铜导线绕组的相数，q为每极每相定子槽数，2r表示绕组层数，P为极对数，相带在每极下分布呈锯齿状。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明提供一种扁铜导线电机，其定子绕组为短距绕组，通过削弱奇数次谐波以改善电机的转矩脉动以及齿槽转矩，从而提升电机的转矩性能，且该绕组结构设计简单，加工工艺要求较低，便于实现。

附图说明

图1是扁铜导线绕组结构单个元件图，包括两个焊接端、一个U型结构端以及两个有效边。

图2本发明实施例提供的一种电机的结构。

图3为U相绕组支路一的展开分布图。

图4为U相绕组支路二的展开分布图。

图5为本发明实例提供的一种6极36槽6层的扁铜导线绕组结构的展开图。

附图标记说明：

1-U型结构端，2-有效边，3-焊接端。

具体实施方式

下面结合附图1-5，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

为方便理解，以下先对本发明中出现的名词作如下解释：

焊接端3：扁铜导线绕组尾部开口处，与相邻元件相接的部分，通常用电焊的方式将其连接。

有效边2：扁铜导线绕组中部嵌入定子槽中的部分，切割磁力线产生感应电动势的部分。

U型结构端1：扁铜导线绕组上部闭合处，连接相邻有效边，位于电机定子的端部。

图1是扁铜导线绕组结构单个元件图，包括两个焊接端、一个U型结构端以及两个有效边。

跨距y₁：扁铜导线第n个元件的两个有效边在电枢表面所跨的距离，即U型结构端在电枢表面所跨的距离，通常用定子铁芯上开设的绕线槽的数量来表示。

跨距x：扁铜导线绕组结构中焊接端在电枢表面所跨的距离，即扁铜导线第n个元件的第2有效边与第n+1个元件的第1有效边的距离，通常用定子铁芯上开设的绕线槽的数量来表示。

跨距y₂：扁铜导线第n+1个元件的两个有效边在电枢表面所跨的距离，即U型结构端在电枢表面所跨的距离，通常用定子铁芯上开设的绕线槽的数量来表示。

极距y₀：沿电机定子铁芯内圆每个磁极所占的范围，也即相邻的N极和S极相对槽所占的跨距。极距可以用每极所占的槽数表示：y₀＝Z/2P，其中Z为定子铁芯上的定子槽的总槽数，p为极对数。

等效节距y：对于扁铜导线绕组，等效节距是指相邻两极下，同一相绕组的第一部分相带和第二部分相带之间的间距。

层数2r：每个定子槽内有2r层扁铜导线的有效边。

本发明实施例提供一种扁线电机定子绕组，包括定子和嵌放在所述定子的定子槽内的三相扁线绕组结构，该方式结合了扁线波绕组在加工工艺方面的优势以及短距绕组在改善电机转矩性能方面的特点。

所述扁铜导线绕组结构包括U、V、W三相绕组结构，其嵌放在所述永磁电机的定子槽内。由于扁铜导线的特殊结构，定义每个定子槽内有2r层扁铜导线(r∈N*)。其每相的每支路均由r部分构成，对于第一部分至第r部分的线圈，相邻的线圈所在的定子槽均有1个槽的错位。即扁铜导线第一部分与第二部分相对错位了1个槽，第二部分与第三部分相对错位了1个槽，……，第r-1部分与第r部分相对错位了一个槽。这也意味着位于相邻两极下该相绕组的相带之间的等效节距减小，实现了短距的效果。

所述扁铜导线绕组结构包括两个焊接端、一个U型结构端以及两个有效边。第n个元件U型结构的跨距y₁、焊接端跨距x以及第n+1个元件U型结构的跨距y₂分别由以下公式确定。

y₁+x+y₂＝kmq，(k＝1,2,3…)

(y₁+y₂)/2＝y

除此以外，所述绕组每个部分的跨距一一对应，这样可以使每个绕组线圈以同样相对于定子的位置嵌放在定子槽上，使得扁铜导线绕组结构在焊接端的扭转度数相同，降低了所需要焊接工艺的精度以及避免了焊接过程可能出现的问题，简化了扁铜导线电机绕组的加工过程。

目前，电机常用的导线类型为圆铜导线和扁铜导线，其中扁铜导线的横截面为矩形，圆铜导线的横截面为圆形。由于圆铜导线在定子槽中的嵌放方式自由度较高，短距绕组在圆铜导线电机中的应用较为广泛。而对于扁铜导线，由于其加工工艺较为复杂，首先需要通过对如图1所示的扁铜导线单个元件的U型结构端进行扭头操作，并对其整体进行3d弯曲，其次再将其焊接端和有效边插入对应的定子槽，最后再将相邻单个元件的焊接端通过电焊工艺连接形成线圈组，多个线圈组并联形成扁线绕组结构。因此，扁铜导线的绕组。因此，扁线电机的绕组成型要求、加工难度以及嵌放难度较大，在扁线电机中其定子绕组的绕制方式多为整距绕组，短距绕组实现较为困难，对工艺要求较高。电机转子旋转时对应的定子中的绕组会切割转子产生的旋转磁场，相应定子绕组中会产生感应电动势，此电动势的方向和电机两端所加的电压相反，即为反电动势，而线圈电动势为反电动势和电机两端电压的代数和。

对于整矩绕组其有效边跨距为180°电角度，短距绕组其两线圈边跨距小于180°电角度，因此整距绕组的反电动势较高，产生的反电动势谐波较高，从而影响电机性能。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供一种扁铜导线电机，其定子绕组为短距绕组，通过削弱奇数次谐波以改善电机的转矩脉动以及齿槽转矩，从而提升电机的转矩性能，且该绕组结构设计简单，加工工艺要求较低，便于实现。

以下结合附图，对本发明提供的电机进行详细的说明。

参见图2所示，其中每相扁铜导线绕组结构在定子槽内的层数为2r。每相绕组结构具有两条并联支路，每条支路包括r部分，第一部分遍历第一、二绕组层，第二部分遍历第三、四绕组层，……，第r部分遍历第r-1、r绕组层。并且每相邻两部分绕组所嵌放的定子槽错位一个槽。

本发明实施例中，扁铜导线绕组的定子槽数Z＝mpq，其中p为电机磁极数，m为扁铜导线绕组的相数，q为每极每相槽数。例如，扁铜导线绕组为三相绕组结构，即m＝3，其磁极数为3对极，极数为6，即p＝6，每极每相槽数q＝2，则定子槽数Z为36。

本发明实施例中，跨距y₁、y₂、x分别由以下公式确定。

y₁+x+y₂＝kmq，(k＝1,2,3…)

(y₁+y₂)/2＝y

在一种可能的实现方式中，图2所示的扁铜导线绕组电机具有3相绕组结构，其中包括U相绕组结构、V相绕组结构和W相绕组结构，电机磁极数p为6极，每极每相槽数q为2，每个定子槽内扁铜导线的层数2r为6层，则定子槽数Z为36槽，也即该扁铜导线绕组电机具有6极36槽6层定子绕组，极距y₀为6。

以该6极36槽6层扁铜导线绕组结构包括2个支路绕组，分别为支路一和支路二。当等效节距y取5时，为了满足公式的约束，在此取y₁＝y₂＝5，当k为4时，节距x为7。

为了提高绕组的利用率及合成电动势，本设计选择60°相带。与传统60°相带均匀分布不同。对于本设计，60°相带每极下同一相绕组所连续占定子槽内扁铜导线绕组总数为Z*2r/2p/3，Z为定子槽数，2r为绕组层数，p为极对数，求出跨距y1、x、y2后，相带在每极下分布呈锯齿状。

下表1示出了该扁铜导线绕组结构中U相绕组结构的支路一的相带分布情况，阴影部分为U相绕组结构的相带。其中，表1的第一行为定子槽的槽号，第一列为每个定子槽内扁铜导线嵌放的层号。其中“+”代表电流流入U1绕组，“-”代表电流流出U1绕组。

表1U相绕组支路一相带的分布情况

其中，每相绕组结构的每条支路均有进线端和出线端，参见图3所示，U相绕组的支路一具有进线端U1+和出线端U1-，也即如图3中所示的支路一从1号定子槽的a层进线，从31号定子槽的f层出线。

其中需要说明的是，U相绕组支路一由三部分构成，第一部分遍历定子槽内的a、b层，第二部分遍历定子槽内的c、d层，第三部分遍历定子槽内的e、f层。具体地，U相绕组支路一的第一部分走线依次为：1a、6b、13a、18b、25a、30b；U相绕组支路一的第二部分走线依次为：2c、6d、14c、19d、26c、31d；U相绕组支路一的第三部分走线依次为：1e、6f、13e、18f、25e、30f。

结合表1和图3，极距y₀可以为1号定子槽至7号定子槽之间的跨距，即y₀＝6。U相绕组支路一的等效节距可以为1号定子槽至6号定子槽之间的跨距，也可以为2号定子槽至7号定子槽之间的跨距，也可以为3号定子槽至8号定子槽之间的跨距，即其节距为5，实现了短距的效果。

下表2示出了该扁铜导线绕组结构中U相绕组结构的支路二的相带分布情况，阴影部分为U相绕组结构的相带。

表2U相绕组支路二相带的分布情况

其中每相绕组结构的每条支路均有进线端和出线端，参见图4所示，U相绕组的支路二具有进线端U2+和出线端U2-，也即如图3中所示的支路二从25号定子槽的f层进线，从31号定子槽的a层出线。

其中需要说明的是，U相绕组支路二也由三部分构成，第一部分遍历定子槽内的f、e层，第二部分遍历定子槽内的d、c层，第三部分遍历定子槽内的b、a层。具体地，U相绕组支路二的第一部分走线依次为：25f、20e、13f、8e、1f、32e；U相绕组支路二的第二部分走线依次为：26d、21c、14d、9c、2d、22c；U相绕组支路二的第三部分走线依次为：25b、20a、13b、8a、1b、32a。

结合表2和图4，极距y₀可以为1号定子槽至7号定子槽之间的跨距，即y₀＝6。U相绕组支路二的等效节距可以为7号定子槽至12号定子槽之间的跨距，也可以为8号定子槽至13号定子槽之间的跨距，也可以为9号定子槽至14号定子槽之间的跨距，即其节距为5，同样实现了短距的效果。

下表3示出了该扁铜导线绕组结构的相带分布。

表3扁铜导线绕组结构的相带分布

结合表3和图5，U相绕组的等效节距可以为1号定子槽至6号定子槽之间的跨距，V相绕组的等效节距可以为5号定子槽至10号定子槽之间的跨距，W相绕组的等效节距可以为9号定子槽至14号定子槽之间的跨距，即U、V、W三相扁铜导线绕组结构对称且节距为5，实现了短距的效果。

本发明使得转矩脉动从25.4％降至1.8％，降幅达到91.5％，齿槽转矩脉动从3.6Nm降至0.13Nm，降幅达到96.4％。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种扁线短距波绕组结构，其特征在于，包括：

三相扁线绕组结构，嵌放在永磁电机的定子的多个定子槽内；

所述三相扁线绕组结构包括U、V、W三相绕组结构，每个定子槽内有2r层扁线,r∈N*,N*为正整数，每相绕组结构共有两条支路且两条支路并联，每条支路均包括r部分，对于第一部分至第r部分的扁线线圈，相邻的扁线线圈所在的定子槽之间均有1个槽的错位。

2.如权利要求1所述的扁线短距波绕组结构，其特征在于，所述扁线线圈包括多个单元线圈焊接而成，所述单元线圈包括：

两个焊接端(3)，下部倾斜向外，位于尾部的开口处，与左右相邻的两个单元线圈的焊接端焊接连接；

两个有效边(2)，嵌入定子槽中，能够切割磁力线产生感应电动势，两个有效边(2)一体连接两个焊接端(3)；

U型结构端(1)，位于上部闭合处，其两端与两个有效边(2)一一对应一体连接。

3.如权利要求2所述的扁线短距波绕组结构，其特征在于，所述扁线绕组结构的第n个单元线圈的U型结构端(1)的跨距y₁、两个焊接端(3)的跨距x以及第n+1个单元线圈的U型结构端(1)的跨距y₂分别由以下公式确定：

y₁+x+y₂＝kmq，(k＝1,2,3…)

(y₁+y₂)/2＝y

其中，k为不为0整数；m为相数；q为每极每相定子槽数，y为等效节距，即相邻两磁极下，同一相绕组的第一部分相带和第二部分相带之间的间距；

所述绕组每个部分的三种跨距对应相等，即第一部分至第r部分的跨距y₁均相等，第一部分至第r部分的跨距x均相等，第一部分至第r部分的跨距y₂均相等。

4.如权利要求2所述的扁线短距波绕组结构，其特征在于，所述扁线绕组结构的制作方法包括以下步骤：

首先，需要通过对单个单元线圈的U型结构端(1)进行扭头操作，并对其整体进行3d弯曲；

其次，将焊接端(3)和有效边(2)插入对应的定子槽中；

最后，将相邻两个单元线圈的焊接端(3)通过电焊连接形成线圈组，多个线圈组并联形成扁线绕组结构。

5.如权利要求3所述的扁线短距波绕组结构，其特征在于，所述扁线绕组结构为扁铜导线绕组结构。

6.如权利要求5所述的扁线短距波绕组结构，其特征在于，所述扁线绕组结构为60度相带，60°相带每极下同一相的扁线绕组所连续占定子槽内扁铜导线绕组总数为：Z*2r/2p/3，其中Z表示定子槽数，Z＝mpq，其中p为电机磁极数，m为扁铜导线绕组的相数，q为每极每相定子槽数，2r表示绕组层数，P为极对数，相带在每极下分布呈锯齿状。

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