CN116865476A - 具有梯度绝缘利兹线、高速永磁电机定子、电机及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了具有梯度绝缘利兹线、高速永磁电机定子、电机及方法，属于高速永磁电机定子技术领域；本发明为解决大功率高速永磁电机因匝间短路电流密度大，会引发短路故障的不确定蔓延，造成相间短路故障甚至是烧毁电机等严重后果。梯度绝缘利兹线背绕组由至少一股梯度绝缘利兹线绕制而成，梯度绝缘利兹线由数根漆包线扭转、换位绞合而成，每根漆包线的外表面镀有第一绝缘膜，梯度绝缘利兹线的外层包覆有第二绝缘膜，第二绝缘膜的材料为聚萘酯或聚酰亚胺，第二绝缘膜的耐热等级高于漆包线外层的第一绝缘膜一或两等级；本发明可以将匝间短路故障限制在梯度绝缘利兹线的故障匝中，而不向外蔓延，实现电机带匝间短路故障运行，提升可靠性。

Description

具有梯度绝缘利兹线、高速永磁电机定子、电机及方法

技术领域

本发明属于高速永磁电机定子技术领域，具体涉及具有梯度绝缘利兹线、高速永磁电机定子、电机及方法。

背景技术

表贴式高速永磁同步电机由于高功率密度、高效率、结构简单、转子机械强度高等众多优势，在航空航天用发电机等领域具有良好前景。然而，永磁体的存在使电机无法故障灭磁，根据调查，电机80％的绕组故障是源于匝间短路，特别是当电机运行在高空复杂环境，存在局部放电的问题，且未来的发电机内装式、高功率密度等发展趋势都要求电机长期运行在绝缘材料的极限耐热温度条件下，因此绝缘材料更易发生老化、失效，进而诱发匝间短路故障。

目前大功率高速永磁电机主要采用分布式叠绕组，为了抑制高频铜耗，绕组通常采用多股漆包线并绕形式。匝间短路故障通常发生在少数几股漆包线之间，匝间短路电流通常很大，可达额定电流的数倍甚至数十倍，发生短路故障的漆包线上的匝间短路电流密度更高达几百甚至上千安培每平方毫米。因此，若不及时处理，高电流密度产生的热量会使故障漆包线局部温度迅速升高，进而引起故障向周围不确定性蔓延，损坏邻近漆包线的绝缘，引发更为严峻的相间短路故障甚至是烧毁电机，这是大功率高速永磁电机面向航空航天等高可靠性应用亟待攻克的难题。

2022年IEEETransactionsonMagnetics期刊上刊登了《ResearchonInterturnShort-circuitCharacteristicoftheHigh-speedPermanent-magnetMachinewithGramme-ring Windings》，文章提出了背绕式绕组对于抑制高速永磁电机的匝间短路电流有显著效果。然而由于匝间短路故障初始时一般仅发生在少数几股漆包线间，高速永磁电机采用的漆包线截面积通常很小，因此仅降低匝间短路电流并不能将匝间短路电流密度降至安全范围内，高匝间短路电流密度仍会诱发匝间短路故障的不确定性蔓延。

发明内容

为此，本发明提供具有梯度绝缘利兹线、高速永磁电机定子、电机及方法，所要解决的技术问题在于降低大功率高速永磁电机的匝间短路电流密度，抑制匝间短路故障的不确定性蔓延，实现电机带匝间短路故障的容错运行，从而提高电机可靠性。

第一方面，为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

具有梯度绝缘利兹线，所述具有梯度绝缘利兹线以背绕式缠绕在高速永磁电机定子铁芯上，所述具有梯度绝缘利兹线包括数根相互扭转、换位绞合的漆包线，漆包线的内芯外表面包裹有第一绝缘膜；

数根相互扭转、换位绞合的漆包线的整体外表面包裹有第二绝缘膜；

第二绝缘膜的耐热性大于第一绝缘膜的耐热性。

进一步地，具有梯度绝缘利兹线的截面为圆形。

进一步地，具有梯度绝缘利兹线的整体截面积大于等于匝间短路电流与电机额定电流密度之商。

进一步地，第二绝缘膜的材料为聚萘酯或聚酰亚胺中的一种。

第二方面，为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种高速永磁电机定子，包括定子铁芯，定子铁芯的内圆和外圆分别设置轴向分布的第一齿槽和第二齿槽，线圈一侧导体在第一齿槽内，另一侧导体在第一齿槽对立的第二齿槽内，线圈中至少含有一股如第一方面的具有梯度绝缘利兹线。

进一步地，定子铁芯的两端侧壁均设置有绝缘板。

进一步地，第一齿槽和第二齿槽内均铺设有槽绝缘纸。

进一步地，所述的具有梯度绝缘利兹线由高速永磁电机的一极跨入至下一个极下进行线圈绕制时，处于两极之间的所述的具有梯度绝缘利兹线外侧套设有绝缘套管。

第三方面，为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种电机，包括第二方面的高速永磁电机定子。

第四方面，为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种抑制高速永磁同步电机匝间短路故障蔓延的方法，利兹线以背绕式缠绕在高速永磁电机定子铁芯上，利兹线被构造为如第一方面的具有梯度绝缘利兹线。

与现有技术相比，本发明产生至少以下一种有益效果：

相比于采用普通漆包线或普通利兹线背绕式绕组的高速永磁同步电机，本发明梯度绝缘利兹线背绕式绕组在少数漆包线间发生匝间短路故障时，由于梯度绝缘利兹线外层第二绝缘膜的耐热性高于漆包线的第一绝缘膜，所以匝间短路电流引起的异常发热会首先损坏故障所在梯度绝缘利兹线内部漆包线的第一绝缘膜，由于故障漆包线的总截面积增加了，因此流经其的匝间短路电流密度及其发热均大幅降低；

梯度绝缘利兹线的截面积大于等于匝间短路电流与额定电流密度之商，可使故障梯度绝缘利兹线的平均匝间短路电流密度降低至额定电流密度范围内，使匝间短路故障的梯度绝缘利兹线的发热降低至允许范围内；即可将匝间短路故障限制在该股梯度绝缘利兹线中，而不再进一步向相邻非故障的梯度绝缘利兹线蔓延，实现电机带匝间短路故障运行，提高了可靠性。

附图说明

为了更加清晰的说明本发明，以下对实施案例或现有技术描述中所需使用的附图作简单说明。此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，并不构成对本发明的不当限制。

图1为具有梯度绝缘利兹线背绕组的高速永磁电机定子的结构示意图；

图2为图1的截面图；

图3为绝缘板的结构图；

图4为穿插于定子铁芯槽中的一相梯度绝缘利兹线背绕组的结构图；

图5为图4的一相梯度绝缘利兹线绕组的示意图；

图6为一股梯度绝缘利兹线的结构图；

图7为梯度绝缘利兹线中漆包线扭转、换位绞合的结构图；

图中：1、定子铁芯，10、第一齿槽，11、第二齿槽，2、梯度绝缘利兹线背绕式绕组，21、绕组引线，22、绝缘套管，23、线圈，3、槽楔，4、槽绝缘纸，5、绝缘板，50、侧槽，6、具有梯度绝缘利兹线，61、内芯，62、第一绝缘膜，63、第二绝缘膜。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步详细的说明。

实施例1

如图6和图7所示，具有梯度绝缘利兹线6，具有梯度绝缘利兹线6以背绕式缠绕在高速永磁电机定子铁芯1上，具有梯度绝缘利兹线6包括数根相互扭转、换位绞合的漆包线，漆包线的内芯61外表面包裹有第一绝缘膜62；

数根相互扭转、换位绞合的漆包线的整体外表面包裹有第二绝缘膜63；

第二绝缘膜63的耐热性大于第一绝缘膜62的耐热性。

此时，当属于不同匝的少数漆包线间发生匝间短路故障时，在第一绝缘膜62损坏的漆包线中会产生很高的匝间短路电流密度，高匝间短路电流密度会导致故障漆包线的温度迅速升高，热传递至周围漆包线，当超过第一绝缘膜62的耐热等级时，会导致周围漆包线的第一绝缘膜62损坏，由于属于不同股梯度绝缘利兹线中的漆包线间被第二绝缘膜63隔开，且第二绝缘膜63的绝缘等级高于漆包线的第一绝缘膜62，因此故障漆包线的异常发热会首先损坏故障所在股的梯度绝缘利兹线中的漆包线，随着故障的进展，故障漆包线的截面积不断增大，使匝间短路电流密度不断下降，从而降低匝间短路故障的漆包线发热。

当然在一些公开中，具有梯度绝缘利兹线的整体截面积大于等于匝间短路电流与电机额定电流密度之商；当故障进展为该股梯度绝缘利兹线的全部漆包线间短路时，若梯度绝缘利兹线的截面积设计为大于等于匝间短路电流与电机额定电流密度之商时，可使故障梯度绝缘利兹线的平均匝间短路电流密度降低至额定电流密度范围内，即温度降低至允许范围内，从而将故障限制在该梯度绝缘利兹线中，而不再向外蔓延，实现高速永磁同步电机带匝间短路故障的运行，提升电机的可靠性。

针对于具有梯度绝缘利兹线6包括数根相互扭转、换位绞合的漆包线，可以理解为现有成品，如目前的现有成品绝缘利兹线由数根漆包线经过扭转、换位绞合而成，在申请中，此处未做改进，当然现有数根漆包线经过扭转、换位绞合而成过程中，保证每根漆包线长度误差﹤1％，目前而言漆包线的内芯61常选择为铜芯。

漆包线的第一绝缘膜62应满足电机长期正常工作时的耐热要求，即应根据电机的长期工作温度，选择合适的绝缘材料的耐热等级，如其选择的耐热等级为F级；梯度绝缘利兹线6外层的第二绝缘膜63，其耐热等级高于漆包线的第一绝缘膜62，如对应第一绝缘膜62的等级，将第二绝缘膜63选择的等级为H级或者C级；当然根据实际需要，第二绝缘膜63的材料可选择为聚萘酯或聚酰亚胺。

可选的，具有梯度绝缘利兹线6的截面为圆形。根据需要，如果满足具有梯度绝缘利兹线6的截面积大于等于匝间短路电流与电机额定电流密度之商时，具有梯度绝缘利兹线6的漆包线根数太多，一次扭转、换位得到的胶合线结构不合理时，可以分成两次扭转、换位，即对几根经过一次扭转、换位而成的绞合线再进行一次扭转、换位胶合。

当然，有时为了更好适应于定子铁芯1，如现有定子铁芯1的内圆、外圆的第一齿槽10和第二齿槽11可以将“T”型槽替换为矩型槽；此时梯度绝缘利兹线6的截面轮廓压制为矩形。

实施例2

如图1至图5所示，一种高速永磁电机定子，包括定子铁芯1，定子铁芯1的内圆和外圆分别设置轴向分布的第一齿槽10和第二齿槽11，线圈23一侧导体在第一齿槽10内，另一侧导体在第一齿槽10对立的第二齿槽11内，线圈23中至少含有一股如实施例1的具有梯度绝缘利兹线。

在实际中如定子铁芯1由硅钢片或者铁钴合金片采用线切割工艺切割而成，在定子铁芯1的内、外圆均切割成“T”型槽，如第一齿槽10和第二齿槽11形成“T”型槽；定子铁芯1的内、外圆侧的第一齿槽10与第二齿槽11之间可以设计为不同的齿槽数目，但内圆的第二齿槽11数目应为外圆第一齿槽10数目的整数倍，优选地，内圆的第二齿槽11数目应与外圆第一齿槽10数目相等。每极每相槽数为整数，定子铁芯1的叠片间采用高温环氧树脂进行粘结或在外圆齿中央位置加工焊道进行焊接固定或在外侧齿上加工圆孔，进行铆接固定。

绝缘板5上开设有与第一齿槽10和第二齿槽11均一一对应适配的侧槽50，绝缘板5的材料优选为环氧板。定子装配时，两个绝缘板5通过环氧树脂粘结在定子铁芯1的两端，以保障绕组端部与铁芯间的绝缘，槽绝缘纸4铺设在定子铁芯1的槽中，以保障槽内绕组与铁芯间的绝缘。

以图4为例，至少一股梯度绝缘利兹线6并在一起，首先穿插至定子铁芯1一号槽的第一齿槽10，然后环定子铁芯1缠绕，穿插至定子铁芯1一号槽的第二齿槽11，接着环定子铁芯1缠绕，穿插至定子铁芯1一号槽的第一齿槽10，以此类推，直至完成背绕组的第一个线圈23的绕制，之后线直接跨入至定子铁芯2号槽的下一槽中继续绕制，完成2号槽中线圈23的绕制。当跨入至电机的下一个极下进行线圈23绕制时，还需在线的外侧套绝缘套管22，如处于第2号槽的线圈23跨越至第13号槽继续绕制时，数股梯度绝缘利兹线6的外侧套绝缘套管22，当完成所有属于同一相的线圈23绕制时，即完成了该相绕组的绕制。即属于同相绕组的不同串联线圈23之间为连续绕制，无间断，这避免了不同线圈23的引线间焊接而产生绝缘薄弱点。

绕组由引线为21引出，与外部电源或电机控制器相连。在定子铁芯1的内、外圆槽口处插入槽楔3，不同梯度绝缘利兹线间浸渍有绝缘漆。

相比于采用普通漆包线或普通利兹线背绕式绕组的高速永磁同步电机，本发明梯度绝缘利兹线背绕式绕组2在少数漆包线间发生匝间短路故障时，由于梯度绝缘利兹线外层第二绝缘膜63的绝缘等级高于漆包线的第一绝缘膜62，所以匝间短路电流引起的异常发热会首先损坏故障所在梯度绝缘利兹线内部漆包线的第一绝缘膜，由于故障漆包线的总截面积增加了，因此流经其的匝间短路电流密度及其发热均大幅降低；

或者，梯度绝缘利兹线的截面积大于等于匝间短路电流与额定电流密度之商，当故障进展为该股梯度绝缘利兹线的全部漆包线间短路时，可使故障梯度绝缘利兹线的平均匝间短路电流密度降低至额定电流密度范围内，使匝间短路故障的梯度绝缘利兹线的发热降低至允许范围内。即可将匝间短路故障限制在该股梯度绝缘利兹线中，而不再进一步向相邻非故障的梯度绝缘利兹线蔓延，实现电机带匝间短路故障运行，提高了可靠性。

实施例3

一种电机，包括实施例2的高速永磁电机定子；相比于采用普通漆包线或普通利兹线背绕式绕组的高速永磁同步电机，本发明梯度绝缘利兹线背绕式绕组2在少数漆包线间发生匝间短路故障时，由于梯度绝缘利兹线外层第二绝缘膜63的绝缘等级高于漆包线的第一绝缘膜62，所以匝间短路电流引起的异常发热会首先损坏故障所在梯度绝缘利兹线内部漆包线的第一绝缘膜，由于故障漆包线的总截面积增加了，因此流经其的匝间短路电流密度及其发热均大幅降低；

或者，梯度绝缘利兹线的截面积大于等于匝间短路电流与额定电流密度之商，当故障进展为该股梯度绝缘利兹线的全部漆包线间短路时，可使故障梯度绝缘利兹线的平均匝间短路电流密度降低至额定电流密度范围内，使匝间短路故障的梯度绝缘利兹线的发热降低至允许范围内。即可将匝间短路故障限制在该股梯度绝缘利兹线中，而不再进一步向相邻非故障的梯度绝缘利兹线蔓延，实现电机带匝间短路故障运行，提高了可靠性。

实施例4

一种抑制高速永磁同步电机匝间短路故障蔓延的方法，利兹线漆以背绕式缠绕在高速永磁电机定子铁芯1上，利兹线漆被构造为如实施例1的具有梯度绝缘利兹线6。

相比于采用普通漆包线或普通利兹线背绕式绕组的高速永磁同步电机，本发明梯度绝缘利兹线背绕式绕组2在少数漆包线间发生匝间短路故障时，由于梯度绝缘利兹线外层第二绝缘膜63的绝缘等级高于漆包线的第一绝缘膜62，所以匝间短路电流引起的异常发热会首先损坏故障所在梯度绝缘利兹线内部漆包线的第一绝缘膜，由于故障漆包线的总截面积增加了，因此流经其的匝间短路电流密度及其发热均大幅降低；

或者，梯度绝缘利兹线的截面积大于等于匝间短路电流与额定电流密度之商，当故障进展为该股梯度绝缘利兹线的全部漆包线间短路时，可使故障梯度绝缘利兹线的平均匝间短路电流密度降低至额定电流密度范围内，使匝间短路故障的梯度绝缘利兹线的发热降低至允许范围内。即可将匝间短路故障限制在该股梯度绝缘利兹线中，而不再进一步向相邻非故障的梯度绝缘利兹线蔓延，实现电机带匝间短路故障运行，提高了可靠性。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为说明本发明的具体实施方式而已，不能以此限制本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本发明技术方案基础上所做的任何改动，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.具有梯度绝缘利兹线，所述具有梯度绝缘利兹线(6)以背绕式缠绕在高速永磁电机定子铁芯(1)上，所述具有梯度绝缘利兹线(6)包括数根相互扭转、换位绞合的漆包线，其特征在于，漆包线的内芯(61)外表面包裹有第一绝缘膜(62)；

数根相互扭转、换位绞合的漆包线的整体外表面包裹有第二绝缘膜(63)；

第二绝缘膜(63)的耐热性大于第一绝缘膜(62)的耐热性。

2.根据权利要求1所述的具有梯度绝缘利兹线，其特征在于，具有梯度绝缘利兹线的截面为圆形。

3.根据权利要求1所述的具有梯度绝缘利兹线，其特征在于，具有梯度绝缘利兹线(6)的整体截面积大于等于匝间短路电流与高速永磁电机额定电流密度之商。

4.根据权利要求1所述的具有梯度绝缘利兹线，其特征在于，第二绝缘膜(63)的材料为聚萘酯或聚酰亚胺中的一种。

5.一种高速永磁电机定子，包括定子铁芯(1)，定子铁芯(1)的内圆和外圆分别设置轴向分布的第一齿槽(10)和第二齿槽(11)，其特征在于，线圈(23)一侧导体在第一齿槽(10)内，另一侧导体在第一齿槽(10)对立的第二齿槽(11)内，线圈(23)中至少含有一股如权利要求1-4任一所述的具有梯度绝缘利兹线(6)。

6.根据权利要求5所述的高速永磁电机定子，其特征在于，定子铁芯(1)的两端侧壁均设置有绝缘板(5)。

7.根据权利要求5所述的高速永磁电机定子，其特征在于，第一齿槽(10)和第二齿槽(11)内均铺设有槽绝缘纸(4)。

8.根据权利要求5所述的高速永磁电机定子，其特征在于，所述的具有梯度绝缘利兹线由高速永磁电机的一极跨入至下一个极下进行线圈(23)绕制时，处于两极之间的所述的具有梯度绝缘利兹线外侧套设有绝缘套管(22)。

9.一种电机，其特征在于，包括权利要求5所述的高速永磁电机定子。

10.一种抑制高速永磁同步电机匝间短路故障蔓延的方法，其特征在于，利兹线以背绕式缠绕在高速永磁电机定子铁芯(1)上，利兹线被构造为如权利要求1-4任一所述的具有梯度绝缘利兹线。