CN116633059A - 一种电机成型绕组结构及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电机成型绕组结构及其加工方法，该结构包括成型绕组线圈，所述成型绕组线圈采用不同线径的圆铜线并联预制为发卡型结构；所述成型绕组线圈能够在定子铁芯的槽内沿半径方向和圆周方向分别布置多层。上述结构的加工方法，包括如下步骤：依据成型绕组线圈的具体形状制作对应的模具；采用线径不同的第一圆铜线和第二圆铜线嵌入模具内并换位；向模具内灌入环氧树脂并加热固化后脱模得到成型绕组线圈。本发明每个成型绕组线圈由多根线径不同的圆铜线预制成型，槽满率更高且集肤效应显著减小，截面积可以灵活设计为不同形状和尺寸而不受限于矩形，从而定子铁芯的槽型和槽数选择更灵活，降低了加工难度。

Description

一种电机成型绕组结构及其加工方法

技术领域

本发明涉及电机相关技术领域，特别是涉及一种电机成型绕组结构及其加工方法。

背景技术

电机绕组通常采用圆铜线散嵌方案，生产过程中需要将圆铜线从定子铁芯的槽口一一嵌入槽内，结构如图1所示，图中1为定子铁芯、2为槽绝缘、3为漆或环氧树脂、4为圆铜线、5为槽楔。下线过程复杂，圆铜线4之间空隙较大，槽底部开口处设有槽楔5，槽满率(即圆铜线截面积总和与槽面积的比值)往往不能设计得很高。而较高的槽满率意味着绕组电阻更小、欧姆损耗更小，绕组的导热性更好、电机温升更低，同时电流可以设计得更大，功率可以进一步提升。因此圆铜线散嵌绕组方案限制了电机功率密度、效率和热可靠性的进一步提升。

随着电机设计追求更高的功率和转矩，以及更高的功率密度和转矩密度，在某些应用场合电机绕组也逐渐由圆铜线散嵌绕组向扁铜线成型绕组发展。现有的成型绕组采用扁铜线预制成型，结构如图2所示，图中1为定子铁芯、2为槽绝缘、3为漆或环氧树脂、6为扁铜线。在电磁方面，扁铜线成型绕组线圈之间的空隙小，比传统的圆铜线绕组具有更高的槽满率，因此减小了绕组电阻，直接降低了铜耗，提升电机效率和功率密度；在散热方面，成型绕组的扁铜线6相互之间、绕组与铁芯之间的空隙小，热传导更好；在工艺流程方面，扁铜线成型绕组线圈预制成发卡型，如图3所示，在电机装配过程中也更容易沿轴向从定子铁芯的端面插入或从开口槽的槽口嵌入槽内，可以通过流水线生产实现自动化下线。但扁铜线成型绕组也有一些缺点：扁铜线的尺寸较大，当电机高频运行时，由于集肤效应，电流会聚集在扁铜线的表面，其中心区域并没有电流通过，相当于减少了有效铜面积，增大了绕组的交流电阻与欧姆损耗。目前已发表的降低扁铜线成型绕组交流电阻与欧姆损耗的方案，一种是移除离槽口最近的导体，另一种是减少每根导体的高度即增加导体的数量。然而前者会降低槽满率，违背了采用扁铜线成型绕组的初衷；后者会增加加工制造的难度，因此都未被广泛采用。扁铜线成型绕组的另一个缺点是：由于是用矩形的扁铜线制作成型线圈，因此槽型通常只能为等宽槽、非等宽齿，铁芯齿部的磁场分布不均匀，容易发生局部饱和而产生较大损耗，而且，靠近槽开口处的扁线涡流损耗大造成局部过热。扁铜线成型绕组为了减少每槽导体数，总槽数较多，增加了加工制造的难度。

发明内容

本发明的目的是提供一种电机成型绕组结构及其加工方法，以解决上述现有技术存在的问题，每个成型绕组线圈由多根线径不同的圆铜线预制成型，槽满率更高且集肤效应显著减小，截面积可以灵活设计为不同形状和尺寸而不受限为矩形，从而定子铁芯的槽型和槽数选择更灵活，降低了加工难度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种电机成型绕组结构，包括成型绕组线圈，所述成型绕组线圈采用不同线径的圆铜线并联预制为发卡型结构；所述成型绕组线圈能够在定子铁芯的槽内沿半径方向和圆周方向分别布置多层。

可选的，所述圆铜线包括线径不同的多种圆铜线，多根线径不同的所述圆铜线嵌入模具内，线径较小的圆铜线填充线径较大的圆铜线之间的剩余空间，于一具体的实施例中，以尺寸不同的两种圆铜线为例进行说明，其包括第一圆铜线和第二圆铜线，所述第一圆铜线的线径尺寸大于所述第二圆铜线的线径尺寸；多根所述第一圆铜线和多根所述第二圆铜线嵌入模具内，第二圆铜线填充第一圆铜线之间的剩余空间，并能够通过环氧树脂固化在一起形成一个整体的成型绕组线圈；环氧固化是加强电机绕组散热能力和导体间绝缘的一种工艺手段。扁铜线成型绕组和普通圆铜线散嵌绕组一样，都是将绕组嵌入槽内后，整个定子铁芯和所有绕组一起采用浸漆工艺，很难保证绕组的导体之间完全浸漆无气泡。本发明单独使用模具对圆铜线成型并进行环氧固化，成型时可以施加压力使得圆铜线之间排布更加紧密、环氧固化更加紧实，气泡率更低且工艺流程更简单。

可选的，所述定子铁芯为等宽齿、非等宽槽(对应的成型绕组的截面积不是矩形)、闭口槽结构或等宽齿、非等宽槽、半闭口槽结构或等宽槽(对应的成型绕组的截面积是矩形)、非等宽齿、闭口槽结构或等宽槽、非等宽齿、半闭口槽结构。

可选的，所述成型绕组线圈的两个线圈边的跨距为一个槽距，且相邻两个成型绕组线圈之间具有一个过渡齿，所述定子铁芯的槽内某层成型绕组线圈边与相邻槽的同层成型绕组线圈边相连。

可选的，所述成型绕组线圈的两个线圈边的跨距为一个槽距，且相邻两个成型绕组线圈之间没有过渡齿，所述定子铁芯的槽内下层成型绕组线圈边与相邻槽的较上层成型绕组线圈边相连，或者，所述定子铁芯的槽内右层成型绕组线圈边与相邻槽的左层成型绕组线圈边相连。

可选的，所述成型绕组线圈的两个线圈边的跨距为多个槽距(按电机电磁原理，一般是电机的极距所对应的槽距或略小)，槽内的下层成型绕组线圈边与另一槽内的较上层成型绕组线圈边相连。

可选的，所述成型绕组线圈能够从定子铁芯的端面沿轴向插入槽内，定子铁芯的槽口能够采用闭口槽或半闭口槽，槽开口对电磁场影响小；本发明的圆铜线成型绕组线圈预制成发卡型，从定子铁芯的端面沿轴向插入槽内，槽口可以很小(即半闭口槽)甚至可以无槽口(即闭口槽)，因此电机的电磁性能更好。

可选的，所述成型绕组线圈预制成型过程中通过调整圆铜线在两个线圈边中的位置，实现导体换位，消除电流不均匀分布；电机绕组中各个并联的导体在磁场中所处位置不同，产生的感应电势不同，因此不同位置各导体的实际电流大小不同，分布不均匀并产生环流，导致额外欧姆损耗和温升，甚至可能影响电机的寿命和可靠运行。本发明用并联的圆铜线制作成型绕组线圈，在线圈预制成型过程中调整圆铜线在两个线圈边中的位置，实现导体换位，达到消除电流不均匀分布的目的。而圆铜线散嵌很难在人工下线过程中精确调整每根铜线的位置，因此难以实现导体换位。采用扁铜线成型绕组时，单根扁铜线尺寸大，换位工艺困难。

本发明还提供一种电机成型绕组结构加工方法，包括如下步骤：

步骤一，模具制作，依据成型绕组线圈的具体形状制作对应的模具；

步骤二，线圈安装，采用线径不同的多种圆铜线，多根线径不同的圆铜线嵌入模具内并换位；

步骤三，固化成型，向模具内灌入环氧树脂并加热固化后脱模得到成型绕组线圈。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

1.绕组交流电阻和欧姆损耗更小：本发明采用圆铜线制作成型绕组，与采用扁铜线的成型绕组相比，是用多根小尺寸的并联圆铜线替代单根大尺寸的扁铜线，因此集肤效应显著减小，具有更小的绕组交流电阻和欧姆损耗，提升了电机高频运行时的效率。

2.槽型选择更加灵活：本发明每个线圈由多根圆铜线预制成型，其截面积可以做成任意尺寸与形状，而不是像扁铜线那样只有有限规格的矩形，因此电机槽型可以按照常规散嵌绕组槽型来设计，即，等槽宽或不等槽宽的槽型都可选择，也就是铁芯齿部可以是不等齿宽或等齿宽，这样便于对电机进行电磁方案优化设计。

3.槽满率较高：本发明由于是提前预制成型绕组，可以将不同线径的圆铜线并联在一起制作绕组，用小线径的圆铜线填补大线径圆铜线间的空隙，进一步提高槽满率，能达到比普通圆铜线散嵌绕组更高的槽满率，并接近扁铜线成型绕组的槽满率，达到提升电机功率密度的目的。

4.多层绕组：在定子铁芯槽内，扁铜线成型绕组可以沿半径方向分布多层但是沿圆周方向只能是单层。本发明可以沿半径方向和圆周方向都做多层分布，因此可以有多种绕组排布和连接方式，有利于电机优化设计。

5.槽数更少：扁铜线电机为了减少每槽导体数，必须增加定子铁芯的槽数，因此加工制造复杂。本发明不受槽数限制，可以按照常规电机的电磁要求设计铁芯槽数，使得加工制造更加简单并且电磁性能可以充分优化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中采用圆铜线散嵌方案结构示意图；

图2为现有技术中成型绕组采用扁铜线预制成型结构示意图；

图3为现有技术中扁铜线成型绕组线圈结构示意图；

图4为本发明圆铜线成型绕组结构装入等宽齿、非等宽槽、半闭口槽铁芯内之后的结构示意图；

图5为本发明配合等宽齿、非等宽槽铁芯时的成型绕组线圈结构示意图；

图6为本发明采用圆铜线成型绕组结构且有过渡齿的集中绕组连接方式示意图；

图7为本发明采用圆铜线成型绕组结构且无过渡齿的集中绕组连接方式示意图；

图8为本发明采用圆铜线成型绕组结构的分布绕组连接方式示意图；

图9为本发明圆铜线成型绕组结构装入等宽槽、非等宽齿、半闭口槽铁芯内之后的结构示意图；

图10为本发明配合等宽槽、非等宽齿铁芯时的成型绕组线圈结构示意图；

图11为本发明定子铁芯采用等宽槽、非等宽齿、半闭口槽时绕组布置多层的结构示意图；

图12为本发明定子铁芯采用非等宽槽、等宽齿、半闭口槽时绕组布置多层的结构示意图；

图13为本发明圆铜线成型绕组布置多层结构采用无过渡齿的集中绕组连接方式示意图；

图14为本发明绕组线圈预制时导体换位示意图；

图15为本发明电机成型绕组结构加工方法流程示意图；

图16为本发明模具结构示意图；

附图标记说明：1-定子铁芯，2-槽绝缘，3-漆或环氧树脂，4-圆铜线，5-槽楔，6-扁铜线，7-第一圆铜线，8-第二圆铜线，9-成型绕组线圈，10-模具。

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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种电机成型绕组结构及其加工方法，以解决上述现有技术存在的问题，每个成型绕组线圈由多根线径不同的圆铜线预制成型，槽满率更高且集肤效应显著减小，截面积可以灵活设计为不同形状和尺寸而不受限为矩形，从而定子铁芯的槽型和槽数选择更灵活，降低了加工难度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明针对现有扁铜线成型绕组与圆铜线散嵌绕组的不足之处，提供一种电机成型绕组结构，包括成型绕组线圈9，成型绕组线圈9采用不同线径的圆铜线7和8并联预制为发卡型结构；成型绕组线圈9能够在定子铁芯1的槽内沿半径方向和圆周方向分别布置多层。具体的，圆铜线成型绕组装入定子铁芯1的槽内之后，如图4所示，图中，定子铁芯1采用等宽齿、非等宽槽、半闭口槽，槽绝缘2附着在定子铁芯1的槽内壁上，起到导体和定子铁芯1间绝缘的作用，绕组线圈预制时，若干根第一铜线7和第二铜线8嵌入模具10内，通过漆或环氧树脂3固化在一起形成一个整体的成型绕组线圈9。作为示例，图中共有4个成型绕组的线圈边。单个圆铜线成型绕组线圈如图5所示，图中a和b为该绕组线圈的两个线圈边。图6为采用圆铜线成型绕组结构的集中绕组连接方式，图中数字为成型绕组线圈的编号，a和b代表该线圈的一个线圈边，线圈两个线圈边的跨距为一个槽距，相邻线圈之间存在一个过渡齿，即过渡齿上没有成型绕组，槽内某层线圈边与相邻槽的同层线圈边相连。图7为采用圆铜线成型绕组结构且无过渡齿的集中绕组连接方式，槽内的下层线圈边与相邻槽的较上层线圈边相连。图8为采用圆铜线成型绕组结构的分布绕组连接方式，图中的线圈跨距为两个槽距，仅仅是为了表示分布绕组的形式，实际的线圈跨距按常规的电机设计方法来确定；槽内的下层线圈边与另一槽槽内的较上层线圈边相连。图6、图7与图8表示的是绕组按半径方向做多层分布的案例。

本发明适用于多种定子槽型，除了图4的等宽齿、非等宽槽、半闭口槽铁芯外，本发明还可以适用于等宽槽、非等宽齿、半闭口槽铁芯，方案如图9所示，线圈边的三维视图如图10所示，图中a和b为该绕组线圈的两个线圈边。图9的圆铜线成型绕组结构可采用与图6、图7与图8相同的绕组连接方式。

本发明的绕组可以沿半径方向和圆周方向都做多层分布，如图11和图12所示。作为示例，图11中绕组沿半径方向有四层、圆周方向有两层，定子铁芯采用等宽槽、非等宽齿、半闭口槽；图12中绕组沿半径方向有四层、圆周方向有两层，定子铁芯采用非等宽槽、等宽齿、半闭口槽。图11和图12的圆铜线成型绕组结构可采用无过渡齿的集中绕组连接方式，如图13所示，图中线圈两个线圈边的跨距为一个槽距。显然，如图12这样的圆周方向多层分布的结构，是无法用常规的扁铜线来实现的。

本发明还提供一种电机成型绕组结构加工方法，流程如图15所示，包括如下步骤：

步骤一，模具制作，依据成型绕组线圈的具体形状制作对应的模具10；

步骤二，线圈安装，采用线径不同的第一圆铜线7和第二圆铜线8嵌入模具10内并换位(如图14所示)；

步骤三，固化成型，向模具10内灌入环氧树脂并加热固化后脱模得到成型绕组线圈9：

环氧固化是增强绕组散热与绝缘的一道重要工序。与扁铜线成型绕组和圆铜线散嵌绕组不同，本发明在线圈成型过程中进行环氧固化，根据每个线圈的形状制作模具10，将圆铜线嵌入模具并换位后灌入环氧树脂，加热固化、脱模后得到成型线圈，如图16所示。本发明可以不用整个定子浸漆烘干来环氧固化，单独对线圈环氧固化效果更好，降低气泡率，简化了流程并且节约成本；也可以在完成电机绕组连接后进行定子浸漆工艺。

本发明在以下几个方面对现有技术有改进之处：

(1)用小尺寸的圆铜线并联，而不用大尺寸的扁铜线，减少绕组的交流电阻和欧姆损耗

本发明采用多根小尺寸并联圆铜线替代单根大尺寸的扁铜线制作成型绕组，能有效降低电机高频运行时的交流电阻与欧姆损耗，提升电机的效率。高频时扁铜线成型绕组交流电阻与欧姆损耗增大的主要原因是集肤效应：高频电流会在扁铜线中心位置感应出最大的电动势，产生的感应电流会减小原来方向的电流，迫使电流靠近扁铜线外表面，相当于有效铜面积减少，交流电阻与欧姆损耗增大，导致电机效率变低。集肤深度是指由于集肤效应，交变电流沿导体表面能达到的径向深度。集肤深度的计算公式如下：

式中^δ为集肤深度(m)，f为磁场频率(Hz)，μ为磁导率(H/m)，σ为电导率(S/m)。磁场频率相同时，扁铜线成型绕组与本发明集肤深度相同，但本发明用多根小尺寸并联圆铜线替代单根大尺寸扁铜线，因集肤效应损失的有效铜面积显著减小甚至没有损失，交流电阻与欧姆损耗更小，提高电机高频运行时的效率。

从工艺上看，现有技术用扁铜线制作成型绕组时，由于扁铜线尺寸大而且是矩形，弯折困难，且弯折时容易损伤扁铜线自身的绝缘层。而本发明采用细圆铜线，可以克服扁铜线的这些不利影响。

(2)槽型选择更加灵活

扁铜线成型绕组为了增加槽利用率，槽型通常采用等宽槽、不等宽齿，铁芯齿部的磁场分布不均匀，容易发生局部饱和，靠近槽开口处的扁铜线涡流损耗大造成局部过热。本发明每个线圈由多根圆铜线预制成型，便于做成任意形状的截面积，等槽宽或不等槽宽的槽型都可选择，铁芯齿部可以是不等齿宽或等齿宽，便于对电机进行电磁方案优化设计。例如图4的圆铜线成型绕组结构采用等宽齿、非等宽槽铁芯，可以避免铁芯齿部局部饱和与槽开口处的圆铜线涡流损耗大。

(3)槽开口对电磁场影响小

本发明的圆铜线成型绕组线圈预制成发卡型，从定子铁芯的端面沿轴向插入槽内，槽口可采用闭口槽或半闭口槽，电机的电磁性能更好。例如图4、图9和图11的圆铜线成型绕组的定子铁芯1采用半闭口槽，与定子铁芯1采用开口槽的扁铜线成型绕组相比，槽开口对气隙磁场影响小，电机电磁性能更好。

(4)将不同线径圆铜线并联增加槽满率

为了进一步提高槽满率，本发明将不同线径的圆铜线并联在一起制作成型绕组，用小线径的圆铜线填补大线径圆铜线间的空隙，使得槽满率大于圆铜线散嵌绕组的槽满率，接近扁铜线成型绕组的槽满率。

(5)多层绕组

在定子铁芯1槽内，扁铜线成型绕组可以沿半径方向分布多层但是沿圆周方向只能是单层。本发明可以沿半径方向和圆周方向都做多层分布，如图11和图12的圆铜线成型绕组结构。因此本发明相较于扁铜线成型绕组，可以有多种绕组排布和连接方式，有利于电机优化设计。

(6)为减少定子铁芯槽数提供工艺可行性

在定子铁芯1槽内，扁铜线成型绕组沿圆周方向只能是单层，槽数如果太少，每根扁铜线沿圆周方向长度会增加，集肤效应会显著增大，因此扁铜线电机通常槽数比较多，加工制造复杂。本发明不受槽数限制，可以按照常规电机的电磁要求设计铁芯槽数，使得加工制造更加简单并且电磁性能可以充分优化。

(7)导体换位消除电流不均匀分布

电机绕组中各个并联的导体在磁场中所处位置不同，所产生的感应电势不同，因此不同位置各导体的实际电流大小不同，分布不均匀并产生环流，导致额外欧姆损耗和温升。本发明采用圆铜线导体制作成型绕组线圈，在线圈预制成型过程中调整圆铜线导体在两个线圈边a和b中的位置，从而消除电流不均匀分布。导体换位如图14所示，示例导体用阴影标出，图中示例导体(即阴影截面的圆铜线导体)在线圈边a中位于左上角位置，在制作成型线圈过程中，换位至线圈边b位于右下角位置，从而抵消示例导体在两个线圈边中因位置不同而产生的环流，其他圆铜线导体也根据同样的方法进行换位，来消除电流不均匀分布。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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”、“笫二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种电机成型绕组结构，其特征在于：包括成型绕组线圈，所述成型绕组线圈采用不同线径的圆铜线并联预制为发卡型结构；所述成型绕组线圈能够在定子铁芯的槽内沿半径方向和圆周方向分别布置多层。

2.根据权利要求1所述的电机成型绕组结构，其特征在于：所述圆铜线包括线径不同的多种圆铜线，多根线径不同的所述圆铜线嵌入模具内，线径较小的圆铜线填充线径较大的圆铜线之间的剩余空间，并能够通过环氧树脂固化在一起形成一个整体的成型绕组线圈。

3.根据权利要求2所述的电机成型绕组结构，其特征在于：所述定子铁芯为等宽齿、非等宽槽、闭口槽结构或等宽齿、非等宽槽、半闭口槽结构或等宽槽、非等宽齿、闭口槽结构或等宽槽、非等宽齿、半闭口槽结构。

4.根据权利要求3所述的电机成型绕组结构，其特征在于：所述成型绕组线圈的两个线圈边的跨距为一个槽距，且相邻两个成型绕组线圈之间具有一个过渡齿。

5.根据权利要求3所述的电机成型绕组结构，其特征在于：所述成型绕组线圈的两个线圈边的跨距为一个槽距，相邻两个成型绕组线圈之间没有过渡齿。

6.根据权利要求3所述的电机成型绕组结构，其特征在于：所述成型绕组线圈的两个线圈边的跨距为多个槽距。

7.根据权利要求3所述的电机成型绕组结构，其特征在于：所述成型绕组线圈能够从定子铁芯的端面沿轴向插入槽内，定子铁芯的槽口能够采用闭口槽或半闭口槽。

8.根据权利要求7所述的电机成型绕组结构，其特征在于：所述成型绕组线圈预制成型过程中通过调整圆铜线在两个线圈边中的位置，实现导体换位，消除电流不均匀分布。

9.一种电机成型绕组结构加工方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一，模具制作，依据成型绕组线圈的具体形状制作对应的模具；

步骤二，线圈安装，采用线径不同的多种圆铜线嵌入模具内并换位；

步骤三，固化成型，向模具内灌入环氧树脂并加热固化后脱模得到成型绕组线圈。