CN115995900B

CN115995900B - 电驱动永磁电机的单匝连接式绕组及定子

Info

Publication number: CN115995900B
Application number: CN202310279940.8A
Authority: CN
Inventors: 梁艳萍; 刘佳
Original assignee: Harbin University of Science and Technology
Current assignee: Harbin University of Science and Technology
Priority date: 2023-03-22
Filing date: 2023-03-22
Publication date: 2023-05-26
Anticipated expiration: 2043-03-22
Also published as: CN115995900A

Abstract

电驱动永磁电机的单匝连接式绕组及定子，涉及电驱动永磁电机技术领域。本发明是为了解决现有扁线绕组永磁电机存在交流损耗大、且标准化与集成化困难的问题。本发明每个定子槽内包含两层线棒，每相绕组包含多条并联支路，整定了电机高频高压运行时感应电动势及频率与匝数的匹配度。每支路绕组包含根并联的扁铜线并周向连续绕制，降低了交直流损耗比，缩短了端部长度，提升了电机功率密度。各支路的首末端经引线至汇流排，减少了鼻端焊接，提高了可靠性。绕组能够从组合式定子铁心背部直接嵌线，嵌线完成后定子齿与轭旋转嵌装，能够降低转矩脉动和噪声，简化制造工艺。

Description

电驱动永磁电机的单匝连接式绕组及定子

技术领域

本发明属于电驱动永磁电机技术领域，尤其涉及电机的定子绕组结构。

背景技术

驱动电机是新能源汽车的核心部件，驱动电机的性能对新能源汽车技术指标与成本具有决定性影响。扁线绕组永磁电机凭借其诸多优势成为新能源汽车驱动电机的主流选择。绕组扁线化作为驱动电机的关键技术，是降低电机绕组直流损耗，提升槽满率的有效途径，同时也是实现电机小型化、轻量化的主要技术路线。扁线绕组永磁电机占领了绝大部分新能源汽车市场，但随着新能源汽车逐步向高压高频方向发展，现有扁线绕组永磁电机面临交流损耗大、且标准化与集成化困难等技术瓶颈。

随着新能源汽车驱动电机的高压高速发展，对驱动电机的交流损耗、温升、绝缘及电力电子器件均提出了很大挑战。高频导致扁线绕组交流损耗问题严重；高压导致绕组绝缘增加；扁线绕组的多匝形式会降低槽满率；轴向插入绕组的嵌线工艺复杂且制造维护成本高，扭转焊接会降低绕组可靠性，增加端部长度；非标准化生产使产品一致性差、应用成本增加。因此，亟需一种突破已有绕组设计思路，重构扁线绕组拓扑结构和定子铁心磁路结构的创新技术，以解决高频高压电驱动永磁电机扁线绕组面临的技术瓶颈，使其能够适应驱动电机低损耗、低噪声、高功率密度、高可靠性、轻量化的技术需求。

发明内容

本发明是为了解决现有扁线绕组永磁电机存在交流损耗大、且标准化与集成化困难的问题，现提供电驱动永磁电机的单匝连接式绕组及定子。

电驱动永磁电机的单匝连接式绕组，所述单匝连接式绕组每一相均包括沿电机径向排布的两层线棒，所述两层线棒沿电机轴向平均分为x段，所述两层线棒分别为槽口线棒和槽底线棒，一个槽口或槽底线棒均通过一个端部与同匝另一槽底或槽口线棒相连，所述端部沿其走向平均分为y段，x＞y，

每层线棒和每个端部均包括根并联绕制的扁铜线和一个空位，n为奇数，每段线棒和端部端面的n根扁铜线和一个空位呈阵列形式紧密排布，所述阵列为[(n+1)/2]×2的矩形阵列，所述矩形阵列中的n+1个位置呈蛇形顺次排序，且同一槽中两层阵列的位置排序相反，

同一线棒或端部内第i段第r号位置与第i+1段第r+1号位置相连，相连的线棒和端部中，第x段线棒的第r号位置与第1段端部的第r号位置相连，第y段端部的第r号位置与第1段线棒的第r号位置相连，

其中，i=1,2,...,x-1或y-1，r=1,2,...,n+1，且当r=n+1时，r+1=1。

进一步的，上述每根扁铜线外表面均包覆有绝缘漆膜，同一槽内的两层线棒之间设有层间绝缘。

进一步的，上述单匝连接式绕组每一相均包括a条并联支路，a＜2p，p为电机极对数。

进一步的，x+y=n+3。

电驱动永磁电机的定子，所述定子包括上述单匝连接式绕组和组合式定子铁心，所述单匝连接式绕组为周向成型绕组，所述组合式定子铁心为闭口槽定子铁心，所述单匝连接式绕组从背部嵌入至所述组合式定子铁心的定子槽内，所述单匝连接式绕组的线棒位于所述组合式定子铁心的定子槽内，所述单匝连接式绕组的端部位于所述组合式定子铁心的定子槽外，同一匝中的两根线棒之间间隔有

或/>

个定子槽，/>

为绕组节距。

进一步的，上述组合式定子铁心包括定子轭和多个定子齿，多个定子齿呈圆环状均匀排布，每个定子齿的齿根处均设有一个“L”形孔，定子轭的内圆周上设有与定子齿数量相同的“L”形凸起，所述“L”形孔与“L”形凸起一一对应且相互嵌合。

进一步的，上述定子轭包括两个半环形块，两个半环形块的开口相对构成一个完整的圆环。

进一步的，上述单匝连接式绕组所有支路的首末端均通过引线与汇流排相连，汇流排的外表面涂覆有绝缘漆膜。

进一步的，上述汇流排为环扇体结构，所述汇流排的内外径分别与组合式定子铁心的内外径相同。

进一步的，上述引线的轴截面积与n根扁铜线的总面积相同，汇流排的轴截面积为n根扁铜线总面积的a倍，a为每相绕组的支路总数。

本发明所述的电驱动永磁电机的单匝连接式绕组及定子有益效果如下：

1、每个定子槽内包含两层线棒，每相绕组并联支路数小于2p，有效整定了电机高频高压运行时感应电动势及频率与匝数的匹配度。

2、每支路绕组包含n根并联的扁铜线，线棒和端部有序排布，有效降低了交直流损耗比，缩短了端部长度，提升了电机功率密度。

3、各支路的首末端经引线至汇流排，减少了鼻端焊接，提高了可靠性。

4、绕组从组合式定子铁心背部直接嵌线，嵌线完成后定子齿与轭旋转嵌装，有效降低了转矩脉动和噪声，简化了制造工艺。

综上所述，本发明能够应用于电驱动永磁电机领域，尤其适用于高频高压运行的永磁电机。

附图说明

图1为绕组在三个定子槽内的连接过程示意图；

图2为一相绕组的并联支路排布示意图；

图3为同一槽内两层扁铜线的编号示意图；

图4为绕组从背部嵌入定子槽内的局部三维结构示意图；

图5为定子齿冲片的示意图；

图6为一块定子轭冲片的示意图；

图7为组合式定子铁心旋转前的径向截面图；

图8为组合式定子铁心嵌装完成后的径向截面图；

图9为绕组中支路的端面局部示意图；

图10为电驱动永磁电机的定子的局部三维示意图；

单匝连接式绕组1、组合式定子铁心2、引线3、汇流排4、线棒5、端部6、定子轭7、定子齿8、首末端9、“L”形孔10、“L”形凸起11。

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4具体说明本实施方式，本实施方式所述的电驱动永磁电机的单匝连接式绕组，该单匝连接式绕组为多支路周向成型绕组，单匝连接式绕组每一相均包括4条并联支路。

如图1所示，本实施方式中，单匝连接式绕组每一相均包括沿电机径向排布的两层线棒5，两层线棒5沿电机轴向平均分为10段，两层线棒5分别为槽口线棒和槽底线棒，一个槽口或槽底线棒均通过一个端部6与同匝另一槽底或槽口线棒相连，端部6沿其走向平均分为4段。

本实施方式中，每层线棒5和每个端部6均包括11根并联绕制的扁铜线和一个空位。每段线棒5和端部6端面的11根扁铜线和一个空位呈阵列形式紧密排布。如图3所示，阵列为6×2的矩形阵列，矩形阵列中的12个位置呈蛇形顺次排序，且同一槽中两层阵列的位置排序相反。

同一线棒5或端部6内第i段第r号位置与第i+1段第r+1号位置相连，相连的线棒5和端部6中，第x段线棒5的第r号位置与第1段端部6的第r号位置相连，第y段端部6的第r号位置与第1段线棒5的第r号位置相连。其中，对于线棒5来说i=1,2,...,9，对于端部6来说i=1,2,3。r=1,2,3...,12，且当r=12时，r+1=1。

具体的参照图1来对以上方案进行说明。图1中S表示定子槽，P表示线棒5段的端面，E表示端部6段的端面。在S1槽中，槽口线棒的起始P1段中第12号位置与P2段中第1号位置相连，P2段中第1号位置与P3段中第2号位置相连，以此类推，直至P9段中第8号位置与P10段中第9号位置相连。P10段为S1槽中槽口线棒的最后一段，之后要与端部6相连。依据以上规则，槽口线棒的最后段P10段中第9号位置与端部6第一段E1段中9号位置相连，然后E1段中9号位置与E2段中10号位置相连，E2段中10号位置与E3段中11号位置相连，E3段中11号位置与E4段中12号位置相连。E4段为端部6的最后一段，之后要与S6槽中的槽底线棒相连。依据以上规则，端部6的最后一段E4段中12号位置与S6槽中槽底线棒的起始P1段中12号位置相连，之后槽底线棒的P1段中12号位置与P2段中1号位置相连，P2段中1号位置与P3段中2号位置相连，如此反复，形成一个支路的周向成型绕组。

具体的，实际应用时，每根扁铜线外表面均包覆有绝缘漆膜，同一槽内的两层线棒5之间设有层间绝缘。

具体实施方式二：参照图5至10具体说明本实施方式，本实施方式所述的电驱动永磁电机的定子，定子包括如具体实施方式一单匝连接式绕组1和组合式定子铁心2。

单匝连接式绕组1为周向成型绕组。单匝连接式绕组1的线棒5位于组合式定子铁心2的定子槽内，单匝连接式绕组1的端部6位于组合式定子铁心2的定子槽外，同一匝中的两根线棒5之间间隔有

或/>

个定子槽，/>

为绕组节距。单匝连接式绕组1所有支路的首末端9均通过引线3与汇流排4相连。汇流排4为环扇体结构，汇流排4的内外径分别与组合式定子铁心2的内外径相同。汇流排4采用铜材料，且外表面涂覆有绝缘漆膜。引线3采用异形硬铜线，引线3的轴截面积与n根扁铜线的总面积相同，汇流排4的轴截面积为n根扁铜线总面积的a倍，a为每相绕组的支路总数。

组合式定子铁心2为闭口槽定子铁心，定子轭7与多个定子齿8分离。多个定子齿8呈圆环状均匀排布，每个定子齿8的齿根处均设有一个“L”形孔10。定子轭7包括两个半环形块，两个半环形块的开口相对构成一个完整的圆环。定子轭7的内圆周上设有与定子齿8数量相同的“L”形凸起11，“L”形孔10与“L”形凸起11一一对应且相互嵌合。

实际应用时，定子齿8与定子轭7分别由硅钢片叠压而成。单匝连接式绕组1从背部嵌入至组合式定子铁心2的定子槽内。定子轭7沿径向直接将“L”形凸起11放入定子槽背部，两块定子轭7同时沿周向旋转一定角度使配有“L”形凸起11的定子轭7嵌入到带有“L”形孔10的定子齿8中，完成组合式定子铁心2的嵌装。定子齿8与定子轭7嵌装完成后，从组合式定子铁心2一端的槽底分别插入槽楔压紧。

综上两实施方式所述，本发明原理如下：

（1）、由于电驱动永磁电机正逐步向高压高频方向发展，其每相绕组串联匝数

（p是极对数，q是每极每相槽数，N _c是定子槽内每层绕组匝数，/>

是支路数）。现有多匝少支路的绕组每相串联匝数较大，导致其高压高频运行时感应电动势、频率与匝数不匹配。又由于感应电动势/>

，/>

为频率，N为每相串联匝数，/>

为每极磁通、k _dp为绕组系数。当频率/>

增大，N不变情况下，理论上感应电动势E应该随之升高，但电机的输入电压有限，当反电动势达到逆变器输出的最大电压时转速不再上升。而本实施方式中单匝多支路每层绕组内只有1匝，支路数多，每相串联匝数小。所以通过单匝多支路降低每相串联匝数，保证在/>

增加时，能够整定电动势、频率与匝数的匹配度。

（2）、随着驱动电机频率的增高，现有驱动电机绕组形式中交流损耗问题愈发严重，已有削弱交流损耗的方法有两种，一种是增加发卡绕组匝数，减小导体截面积进而降低交流损耗，但降低损耗效果有限。另一种是将发卡绕组的大块实心导体，利用成型换位绕组代替从而降低交流损耗，但由于采用多匝绕组形式降低了电机槽满率。本发明利用单匝结合周向连续绕制的方式，能够在降低交流损耗的同时进一步提升槽满率，减小导体机械应力。

（3）、单根导体沿着定子周向连续绕制，与现有的发卡绕组相比无需端部扭转焊接，与现有的成型换位绕组相比端部连续绕制减少了鼻端焊接，缩短了端部长度，提高了绕组可靠性。

（4）、现有工艺需要以一匝或多匝成型换位绕组为单元制作完成后嵌入定子槽内，该方式需要预留足够的槽内空间沿径向或轴向完成嵌线，槽满率低。同时，现有工艺还需要多个额外的端部接头焊接来完成线圈间的连接工作，焊接难度高，端部绕组长，绕组可靠性低。本发明在实际生产中，能够直接以每根导体为单元将各导体直接在定子槽内及端部按照规律连接，无需过多的槽内空间，且无需端部接头，解决了现有工艺槽满率低，端部绕组长，可靠性低的问题。进一步的，由于导体需要弯曲一定角度以完成一个截面到另一个截面不同编号位置的连接工作，弯曲角度与截面间距离即弯曲导体长度成反比，两截面间距离越大导体弯曲角度越小，越易于加工。本发明开始连接的段落与其完成一个定子槽内及端部的连接对应端部段落所处位置相同，更加易于加工，且每两个截面间的导体较长，在降低电机交直流损耗比的同时还减小了导体所受机械应力。

（5）、现有嵌线工艺分为两种，一种是将绕组沿轴向插入定子之后通过扭转焊接完成连接工作；另一种是利用开口槽定子结构，将绕组沿径向从开口槽放入定子槽内，后通过端部接头焊接完成连接工作。本发明所采用的组合式定子，在导体连接过程中可从定子槽背部干预导体连接方法，简化了嵌线工艺的同时还降低了转矩脉动和噪声。

（6）、现有组合式定子采用轴向插入使定子齿与轭组合，即使采用两块形式也需要沿轴向插入，没有意义。本发明组合式定子轭分为2块，沿径向嵌装齿与轭比沿轴向制作难度小。具体操作时采用两块形式先沿径向插入，后扭转，通过定子齿上的开口与定子轭上的凸起配合来完成组合式定子的嵌装工作，简化了定子嵌装工艺。

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

1.电驱动永磁电机的单匝连接式绕组，其特征在于，所述单匝连接式绕组包括沿定子周向排布的多个线棒组，每个线棒组均包括沿电机径向排布的两层线棒（5），所述两层线棒（5）沿电机轴向平均分为x段，所述两层线棒（5）分别为槽口线棒和槽底线棒，一个槽口或槽底线棒均通过一个端部（6）与同匝另一槽底或槽口线棒相连，所述端部（6）沿其走向平均分为y段，x＞y，

每层线棒（5）和每个端部（6）均包括n根并联绕制的扁铜线和一个空位，n为奇数，每段线棒（5）和端部（6）端面的n根扁铜线和一个空位呈阵列形式紧密排布，所述阵列为[(n+1)/2]×2的矩形阵列，所述矩形阵列中的n+1个位置呈蛇形顺次排序，且同一槽中两层阵列的位置排序相反，

同一线棒（5）或端部（6）内第i段第r号位置与第i+1段第r+1号位置相连，相连的线棒（5）和端部（6）中，第x段线棒（5）的第r号位置与第1段端部（6）的第r号位置相连，第y段端部（6）的第r号位置与第1段线棒（5）的第r号位置相连，

其中，i=1,2,...,x-1或y-1，r=1,2,...,n+1，且当r=n+1时，r+1=1。

2.根据权利要求1所述的电驱动永磁电机的单匝连接式绕组，其特征在于，每根扁铜线外表面均包覆有绝缘漆膜，同一槽内的两层线棒（5）之间设有层间绝缘。

3.根据权利要求1所述的电驱动永磁电机的单匝连接式绕组，其特征在于，所述单匝连接式绕组每一相均包括a条并联支路，a＜2p，p为电机极对数。

4.根据权利要求1所述的电驱动永磁电机的单匝连接式绕组，其特征在于，x+y=n+3。

5.电驱动永磁电机的定子，其特征在于，所述定子包括如权利要求1至4任一所述单匝连接式绕组（1）和组合式定子铁心（2），所述单匝连接式绕组（1）为周向成型绕组，所述组合式定子铁心（2）为闭口槽定子铁心，所述单匝连接式绕组（1）从背部嵌入至所述组合式定子铁心（2）的定子槽内，所述单匝连接式绕组（1）的线棒（5）位于所述组合式定子铁心（2）的定子槽内，所述单匝连接式绕组（1）的端部（6）位于所述组合式定子铁心（2）的定子槽外，同一匝中的两根线棒（5）之间间隔有

或/>

个定子槽，/>

为绕组节距。

6.根据权利要求5所述的电驱动永磁电机的定子，其特征在于，所述组合式定子铁心（2）包括定子轭（7）和多个定子齿（8），多个定子齿（8）呈圆环状均匀排布，每个定子齿（8）的齿根处均设有一个“L”形孔（10），定子轭（7）的内圆周上设有与定子齿（8）数量相同的“L”形凸起（11），所述“L”形孔（10）与“L”形凸起（11）一一对应且相互嵌合。

7.根据权利要求6所述的电驱动永磁电机的定子，其特征在于，所述定子轭（7）包括两个半环形块，两个半环形块的开口相对构成一个完整的圆环。

8.根据权利要求5、6或7所述的电驱动永磁电机的定子，其特征在于，所述单匝连接式绕组（1）所有支路的首末端（9）均通过引线（3）与汇流排（4）相连，汇流排（4）的外表面涂覆有绝缘漆膜。

9.根据权利要求8所述的电驱动永磁电机的定子，其特征在于，汇流排（4）为环扇体结构，所述汇流排（4）的内外径分别与组合式定子铁心（2）的内外径相同。

10.根据权利要求8所述的电驱动永磁电机的定子，其特征在于，引线（3）的轴截面积与n根扁铜线的总面积相同，汇流排（4）的轴截面积为n根扁铜线总面积的a倍，a为每相绕组的支路总数。