CN118232580A - 一种集中绕组扁线电机定子组件及电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集中绕组扁线电机定子组件及电机，包括：定子铁芯模块，其铁芯槽内设置有集成的多层扁线绕组，左、右端部连接模块分别设置于定子铁芯模块的左右两侧，用于实现定子铁芯模块左、右端部的电气连接；右端部连接模块和左端部连接模块的两侧分别设置有右端盖和左端盖，用于对定子组件进行密封；还包括冷却模块，所述冷却模块半嵌在定子组件中，用于实现对定子铁芯模块及左、右端部连接模块的绕组进行浸泡冷却。本发明结构紧凑、灵活、可靠，且方便模块化生产。应用这种定子组件的电机能够满足功率密度大、振动噪音小、容易拓展生产应用等特点，因此非常适用于新能源汽车、伺服机器人、飞行器等领域。

Description

一种集中绕组扁线电机定子组件及电机

技术领域

本发明涉及一种定子组件及电机，特别涉及一种集中绕组扁线电机定子组件及电机，属于驱动电机技术领域。

背景技术

随着新能源汽车、伺服机器人、电动飞行器等新兴领域发展迅速，对电机的需求量也日益增加。这几个领域由于其应用环境特点，对所用驱动电机具有尤为苛刻的技术要求，如重量轻、功率密度高、振动噪音小、效率高、批量生产一致性高、且方便平台化开发和拓展应用等。

电机按磁路特点可以分为径向磁通和轴向磁通电机，前者是目前比较流行的电机磁路结构，其绕组方案通常也有两种结构：集中绕组和分布绕组。集中绕组跨距为一个齿，采用圆线可以将端部做得较短，槽满率通常也能做到40～55％，采用扁线可以做到50％～70％，但端部高度与设计和工艺相关。分布绕组的跨距一般为多个齿，端部较高，采用圆线可以做到槽满率35～45％，采用扁线可以做到50～70％。在新能源汽车领域，尤其是纯电驱动系统，采用分布式绕组的扁线电机是比较常见的技术方案，其效率和性价比相对较高。

而对于一些混合动力的新能源汽车、伺服机器人或电动飞行器，由于空间特点，常采用外径大，叠厚小，即长径比较小的电机。这类电机如果采用分布式扁线绕组，就会因为端部占比太高而导致效率偏低，因此对于扁平式电机，不太适合做分布式绕组。如果采用集中绕组，目前使用较多的是圆线方案，其纯铜槽满率还有待进一步提高，因此集中绕组采用扁线方案是一个技术趋势。但常规的扁线集中绕组方案，因为需要单齿绕线，线径大了之后工艺比较困难。因此，对于扁平空间，采用扁线集中绕组方案是较为高效的一种技术方案。而如何设计这种方案，既满足端部短，又满足槽满率高，且工艺上方便生产的特点，则具有非常广的市场价值。

与此同时，对于高效驱动电机，绕组冷却也是很关键的一个环节。风冷和水冷是采用较多的两种冷却方式，但是油冷因为效果更好，所以最近几年慢慢已成趋势。尤其随着扁线电机的流行，如何有效冷却扁线绕组，是受到普遍关注的一个技术问题。目前常见的油冷方式有：油管淋油或喷油、铁心轭部开油道、采用槽内油道或闭口槽油道、空心轴通油和甩油等，但这些方式仍不可避免的存在一些缺陷，如要么无法直接冷却电机最关键的绕组部位，要么会带来额外的搅油损耗降低效率，或者会对磁路有严重影响。

因此，目前亟需一种能针对扁线集中绕组电机，同时又具有一个高效且合适的冷却结构。

发明内容

本发明的一个目的是要提供一种集中绕组扁线电机定子组件。

本发明一个进一步的目的是要提供应用上述定子组件的电机。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案在于，一种集中绕组扁线电机定子组件，包括：

定子铁芯模块，其铁芯槽内设置有集成的多层扁线绕组；位于定子铁芯模块的两侧分别设置有：

右端部连接模块和左端部连接模块，左、右端部连接模块分别设置于定子铁芯模块的左右两侧，用于实现定子铁芯模块左、右端部的电气连接；所述右端部连接模块和左端部连接模块的两侧分别设置有右端盖和左端盖，用于对定子组件进行密封；

还包括冷却模块，所述冷却模块半嵌在定子组件中，用于实现对定子铁芯模块及左、右端部连接模块的绕组进行浸泡冷却。

作为优选，所述定子铁芯模块由若干冲片冲叠而成，所述冲片上均匀的设置有若干矩形开口槽，所述矩形开口槽内插入直线导体模块，所述直线导体模块与矩形开口槽的槽口形成一个倒三角轴向贯通的冷却通道；

作为优选，所述直线导体模块贯穿定子铁芯，其两端伸出定子铁芯与右端部连接模块和左端部连接模块连接。作为优选，所述直线导体模块为双层单齿绕组，即每个矩形开口槽内均设置有两相绕组，分左右结构排布。

作为优选，所述直线导体模块由双层左右结构的导体插入绝缘骨架组成。

作为优选，所述绝缘骨架为轴向均匀拉伸的实体或者为轴承非均匀拉伸的实体。

作为优选，所述右端部连接模块包括引线端绝缘骨架和导体承载单元，所述导体承载单元半嵌入引线端绝缘骨架内，形成右端部连接模块用于实现绕组有端部的电气连接；

作为优选，所述引线端绝缘骨架一面为平面与定子铁芯模块连接；另一面为非平面，形成绝缘槽，且与右端盖配合形成右端部冷却腔体。作为优选，所述导体承载单元包括端部连接导体、星点连接结构以及三相汇流环单元，所述端部连接导体轴向阵列分布，且阵列个数与矩形开口槽或者齿数相同；

作为优选，所述星点连接结构包括导体连接单元和星点汇流环，所有所述矩形开口槽内的最后一根导体引出线均通过导体连接单元连接到星点汇流环上。作为优选，所述导体与端部连接导体之间主要通过焊接连接，其导电材料为同种或者不同种材料。

作为优选，所述引线端绝缘骨架包括端部连接导体通道、槽口导通口、星点汇流环通道、直线导体模块的导体端部通道、UVW三相汇流环单元通道、UVW三相引出线通道和槽口槽楔；所述直线导体模块的导体从导体端部通道伸出与端部连接导体连接，所述槽口槽楔径向插入冷却通道的楔口。

作为优选，所述左端部连接模块包括非引线端绝缘骨架和直线导体模块连接单元，所述非引线端绝缘骨架一面为平面与定子铁芯模块相连，另一面为非平面，形成绝缘槽，且与左端盖配合形成左端部冷却腔体；所述直线导体模块连接单元用于直线导体模块左端导体的连接；所述直线导体模块连接单元半嵌入非引线端绝缘骨架内，形成一个整体模块，用于实现绕组左端部的电气连接。

作为优选，所述非引线端绝缘骨架包括绝缘骨架本体，所述绝缘骨架本体上设置有导体安放槽，所述导体安放槽径向方向的层数与导体的层数相同；轴向阵列分布，且阵列个数与矩形开口槽或齿数相同，以实现所有导体在非引线端的连接；

作为优选，所述绝缘骨架本体上还预留有沟壑。

作为优选，所述左端盖上设置有冷却液入口，所述左端盖与左端部连接模块配合后在定子铁芯模块的左边形成腔体；所述右端盖上设置有冷却液出口，所述右端盖与右端部连接模块配合后在定子铁芯模块的右边形成腔体。

一种电机，包括：所述的定子组件。

本发明的有益效果：本发明对电机定子进行模块化设计，其结构紧凑、灵活、可靠，且方便模块化生产。应用这种定子组件的电机能够满足功率密度大、振动噪音小、容易拓展生产应用等特点，因此非常适用于新能源汽车、伺服机器人和飞行器等领域。

本专利的直线导体模块的设计，实现了高槽满率和端部绕组短的目标。同时设置有冷却通道，对定子组件内部以及端部的导体进行直接冷却，有效地降低了绕组最热点温度，既提高了效率，又延长了绝缘寿命。

同时，考虑未来新能源汽车、机器人等行业对电机的大量需求，本专利这种模块化的设计既适合正向大批量生产和管控，亦适合逆向大批量回收和拆解，因此，本技术方案对电机实现生命周期内绿色循环使用具有非常重要的意义和价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明定子组件的爆炸示意图；

图2为图1中定子铁芯模块的结构示意图；

图2-1为图2的主视图；

图2-2为图2-1中A部的局部放大图；

图3为图1中右端部连接模块的结构示意图；

图4为图3中导体承载单元的结构示意图；

图5为图4中端部连接导体与矩形开口槽内导体的连接示意图；

图6为图4中端部连接导体的结构示意图；

图7为星点连接结构的结构示意图；

图8为三相汇流环单元的结构示意图；

图9为整体绕组连接的结构示意图；

图10为引线端绝缘骨架的结构示意图；

图11为导体承载单元与定子铁芯模块的连接示意图；

图12为左端部连接模块的结构示意图；

图13为非引线端绝缘骨架的结构示意图；

图14为左端盖和油腔体的示意图；

图14-1为图14的剖视图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合实施例对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1所示，本发明公开了一种集中绕组扁线电机定子组件，包括：

定子铁芯模块1，其铁芯槽内设置有集成的多层扁线绕组；位于定子铁芯模块1的两侧分别设置有：

右端部连接模块2和左端部连接模块4，左、右端部连接模块4和2分别设置于定子铁芯模块1的左右两侧，用于实现定子铁芯模块1左、右端部的电气连接；所述右端部连接模块2和左端部连接模块4的两侧分别设置有右端盖3和左端盖5，用于对定子组件进行密封；

还包括冷却模块，所述冷却模块半嵌在定子组件中，用于实现对定子铁芯模块1及左、右端部连接模块4，2的绕组进行浸泡冷却。

本发明结构紧凑、灵活、可靠，且方便模块化生产。应用这种定子组件的电机能够满足功率密度大、振动噪音小、容易拓展生产应用等特点，因此非常适用于新能源汽车、伺服机器人、飞行器等领域。

实施例一

如图2，图2-1，图2-2所示，所述定子铁芯模块1由若干冲片101冲叠而成，所述冲片101上均匀的设置有若干矩形开口槽105，所述矩形开口槽105内插入直线导体模块103，所述直线导体模块103与矩形开口槽105的槽口形成一个倒三角轴向贯通的冷却通道106；所述直线导体模块103贯穿定子铁芯，其两端伸出定子铁芯与右端部连接模块2和左端部连接模块4连接。所述直线导体模块103为双层单齿绕组，即每个矩形开口槽105内均设置有两相绕组，分左右结构排布。

在本实施例中，矩形开口槽105设置有24个，其可以配合的转子为16级，且矩形开口槽105采用双层单齿绕组，每个槽内均设置有两相绕组，分左右结构排布。

本实施例中，直线导体模块103由若干导体102组成，每个矩形开口槽内设置有两根左右分布的导体。所述冲片101设置有7层，则相应的导体102也设置有7层，所有的导体数量为7*2＝14根。导体102的形状可以根据需求灵活设计。

实施例二

如图2-3所示，和实施例一不同的是，直线导体模块103由双层左右结构的导体102插入绝缘骨架104组成。导体插入绝缘骨架后形成一个整体的直线导体模块，然后再插入矩形开口槽105中。

在实施例中绝缘骨架104为轴向均匀拉伸的实体或者为轴承非均匀拉伸的实体，即具体的绝缘骨架104可以是带有均匀结构(均匀形状)的实体，也可以是带有不均匀结构(不均匀形状)的实体；当然也可以是硬质实体。

如实施例一中，不采用绝缘骨架，导体直接插入矩形开口槽内，亦适用本专利。

在实施一和二中，直线导体模块103插入矩形开口槽105中后，其两端均高出冲片101一段高度，作为与左、右端部连接模块4和2连接的接口。本专利中，直线导体模块103高出的具体没有具体的限制，只要高出一段距离方便焊接两侧的导体即可。当然，在极限情况下也可以完全嵌入绝缘骨架内。

在上述两个实施例中，定子的矩形开口槽数采用24槽，适合用于24槽16极或20极的电机，其并联支路数需要相应调整。除此之外，如果定子组件采用其它槽数Z，只要极数P、相数m满足单齿分数槽的原理定义，即Z/(P*m)为分数，且节距为1的极槽配合电机，均适用本专利。

本例中的导体(扁线)层数Nc为7，这是根据设计需求定义的，本专利部对层数无限制，即只要是采用双层左右结构单齿绕组的结构均适用本专利。

如图3所示，所述右端部连接模块(也为引出线端)2包括引线端绝缘骨架201和导体承载单元202，所述导体承载单元202半嵌入引线端绝缘骨架201内，形成右端部连接模块2用于实现绕组有端部的电气连接；

所述引线端绝缘骨架201一面为平面与定子铁芯模块1连接；另一面为非平面，形成绝缘槽，且与右端盖3配合形成右端部冷却腔体6，如图14-1所示的结构。

如图4所示，所述导体承载单元202包括端部连接导体2021、星点连接结构2022以及三相汇流环单元2023，如图5和图6所示，所述端部连接导体2021轴向阵列分布，且阵列个数与矩形开口槽105或者齿数相同；

如图7所示，所述星点连接结构2022包括导体连接单元20221和星点汇流环20222，所有所述矩形开口槽105内的最后一根导体102引出线均通过导体连接单元20221连接到星点汇流环20222上。

所述端部连接导体2021的径向方向的层数比每槽导体数Nc少1(需要注意的是最后一层的端部连接导体2021与星点连接已经连为一个整体)，主要是跨层连接齿两边相邻槽的直线导体，如图5所示，每根连接导体跨2层，上端与上层的直线导体连接，下端与临槽的下层直线导体连接。端部连接导体2021的结构示意图如图6所示，轴向阵列分布，阵列个数与定子槽(矩形开口槽)或齿数相同，以此实现所有直线导体的连接设计。星点连接结构2022为星点连接结构，如图7所示，本实施例中绕组设计为1个星型连接点，所以所有槽的最后一根直线导体引出线均通过端部连接导体2021的最后一层导体连接单元20221连接到星点汇流环20222上。如图8所示，三相汇流环单元2023由三相汇流环、三相引出线及三相连接导体构成，其中20231～3分别为U、V、W三相汇流环单元。20234～6分别为三相连接线，本实施例中24槽16极电机采用8支路设计，所以每个线圈即每槽唯一的一根进线直线导体会通过三相连接导体分别连接到三相汇流环上，实现8路并联。三相汇流环在连接完最后一个并联支路后，通过三相引出线20237～9引出。

在本实施例中，三相引出线20237～9为径向引出，亦可以轴向引出。电机采用8支路设计，同样也适合1、2、4等支路设计。三相绕组采用星型连接，如采用三角形连接，亦适用本专利。

如图9所示，为端部绕组连接好后，从右端部连接模块(引出线端)看的整理示意图。

至此，整个右端部连接模块均已完成连接。所有连接以焊接为主，如所述导体102与端部连接导体2021之间的连接，二者均采用同种导电材料时，可以采用直接焊接连接方式，如果采用不同的导电材料，则需要进行过渡焊接。

如图10所示，所述引线端绝缘骨架201包括端部连接导体通道2011、槽口导通口2012、星点汇流环通道2013、直线导体模块103的导体端部通道2014、UVW三相汇流环单元通道2015、UVW三相引出线通道2016和槽口槽楔2017；所述直线导体模块的导体102从导体端部通道2014伸出与端部连接导体2021连接，所述槽口槽楔2017径向插入冷却通道的楔口106a。

如图12-图13所示，所述左端部连接模块(非引出线端)4包括非引线端绝缘骨架401和直线导体模块连接单元402，所述非引线端绝缘骨架401一面为平面与定子铁芯模块1相连，另一面为非平面，形成绝缘槽，且与左端盖5配合形成左端部冷却腔体7，如图14-1所示的图结构；所述直线导体模块连接单元402用于直线导体模块左端导体的连接；所述直线导体模块连接单元402半嵌入非引线端绝缘骨架401内，形成一个整体模块，用于实现绕组左端部的电气连接。

如图13所示，所述非引线端绝缘骨架401包括绝缘骨架本体4011，所述绝缘骨架本体4011上设置有导体安放槽4012，所述导体安放槽4012径向方向的层数与导体102的层数相同；轴向阵列分布，且阵列个数与矩形开口槽105或齿数相同，以实现所有导体102在非引线端的连接；

所述绝缘骨架本体4011上还预留有沟壑4013。

所述导体安放槽4012的槽层数与连接导体层数一致，即其径向方向的层数与每槽导体层数Nc相同，主要是同层连接齿两边相邻槽的直线导体，每根连接导体跨2层，上端与上层的直线导体连接，下端与临槽的同层直线导体连接。轴向阵列分布，阵列个数与定子槽或齿数相同，以此实现所有直线导体在非引出线端的连接设计。沟壑4013可以安装温度传感器，也可以作为冷却液通道。

如图11为左、右端部连接模块与定子铁芯模块1的连接整体示意图。

如图1和图14所示，所述左端盖5上设置有冷却液入口501，所述左端盖5与左端部连接模块4配合后在定子铁芯模块1的左边形成左端部冷却腔体7；冷却液(比如冷却油)从冷却液入口501进入腔体，一方面对左端部绕组进行浸泡冷却，另一方面，当液压形成后会通过冷却通道进入定子铁芯模块1，最后汇入右端部冷却腔体6。

所述右端盖3上设置有冷却液出口301，所述右端盖3与右端部连接模块2配合后在定子铁芯模块1的右边形成右端部冷却腔体6。

左边腔体结构及形成原理与右边腔体基本一致。冷却液进入左边冷却腔体之后会对左边端部绕组及其外围进行浸泡冷却，然后对定子铁芯模块以及右边冷却腔体进行冷却，并最终通过出口流出定子组件，与外围油冷系统循环。

即：左右端部冷却腔体通过倒三角冷却通道106联通，左端冷却腔体7底部设置有冷却液入口501，右端冷却腔体6的上部设置有冷却液出口301。油路循环流通，左进右出，以此实现对左右两个端部绕组以及槽内绕组的直接冷却。

同时本发明还公开了一种电机，应用上述的定子组件。

至此，本发明的技术方案基本完整描述，主要的设计点为：一、对定子组件进行模块化设计，方便定子组件的组装，二、设计一种新型的扁线绕组以及连接结构，以实现定子组件结构紧凑、灵活、可靠，方便模块化生产。三，同时对直线绕组关键部位进行冷却。

所描述的实施例只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。

Claims (10)

1.一种集中绕组扁线电机定子组件，其特征在于，包括：

定子铁芯模块(1)，其铁芯槽内设置有集成的多层扁线绕组；位于定子铁芯模块(1)的两侧分别设置有：

右端部连接模块(2)和左端部连接模块(4)，左、右端部连接模块(4，2)分别设置于定子铁芯模块(1)的左右两侧，用于实现定子铁芯模块(1)左、右端部的电气连接；所述右端部连接模块(2)和左端部连接模块(4)的两侧分别设置有右端盖(3)和左端盖(5)，用于对定子组件进行密封；

还包括冷却模块，所述冷却模块半嵌在定子组件中，用于实现对定子铁芯模块(1)及左、右端部连接模块(4，2)的绕组进行浸泡冷却。

2.根据权利要求1所述的定子组件，其特征在于，所述定子铁芯模块(1)由若干冲片(101)冲叠而成，所述冲片(101)上均匀的设置有若干矩形开口槽(105)，所述矩形开口槽(105)内插入直线导体模块(103)，所述直线导体模块(103)与矩形开口槽(105)的槽口形成一个倒三角轴向贯通的冷却通道(106)；

所述直线导体模块(103)贯穿定子铁芯，其两端伸出定子铁芯与右端部连接模块(2)和左端部连接模块(4)连接；

所述直线导体模块(103)为双层单齿绕组，即每个矩形开口槽(105)内均设置有两相绕组，分左右结构排布。

3.根据权利要求2所述的定子组件，其特征在于，所述直线导体模块(103)由双层左右结构的导体(102)插入绝缘骨架(104)组成。

4.根据权利要求1所述的定子组件，其特征在于，所述右端部连接模块(2)包括引线端绝缘骨架(201)和导体承载单元(202)，所述导体承载单元(202)半嵌入引线端绝缘骨架(201)内，形成右端部连接模块(2)用于实现绕组有端部的电气连接；

所述引线端绝缘骨架(201)一面为平面与定子铁芯模块(1)连接；另一面为非平面，形成绝缘槽，且与右端盖(3)配合形成右端部冷却腔体(6)。

5.根据权利要求4所述的定子组件，其特征在于，所述导体承载单元(202)包括端部连接导体(2021)、星点连接结构(2022)以及三相汇流环单元(2023)，所述端部连接导体(2021)轴向阵列分布，且阵列个数与矩形开口槽(105)或者齿数相同；

所述星点连接结构(2022)包括导体连接单元(20221)和星点汇流环(20222)，所有所述矩形开口槽(105)内的最后一根导体(102)引出线均通过导体连接单元(20221)连接到星点汇流环(20222)上。

6.根据权利要求5所述的定子组件，其特征在于，所述引线端绝缘骨架(201)包括端部连接导体通道(2011)、槽口导通口(2012)、星点汇流环通道(2013)、直线导体模块(103)的导体端部通道(2014)、UVW三相汇流环单元通道(2015)、UVW三相引出线通道(2016)和槽口槽楔(2017)；所述直线导体模块的导体(102)从导体端部通道(2014)伸出与端部连接导体(2021)连接，所述槽口槽楔(2017)径向插入冷却通道的楔口(106a)。

7.根据权利要求1所述的定子组件，其特征在于，所述左端部连接模块(4)包括非引线端绝缘骨架(401)和直线导体模块连接单元(402)，所述非引线端绝缘骨架(401)一面为平面与定子铁芯模块(1)相连，另一面为非平面，形成绝缘槽，且与左端盖(5)配合形成左端部冷却腔体(7)；所述直线导体模块连接单元(402)用于直线导体模块左端导体的连接；所述直线导体模块连接单元(402)半嵌入非引线端绝缘骨架(401)内，形成一个整体模块，用于实现绕组左端部的电气连接。

8.根据权利要求7所述的定子组件，其特征在于，所述非引线端绝缘骨架(401)包括绝缘骨架本体(4011)，所述绝缘骨架本体(4011)上设置有导体安放槽(4012)，所述导体安放槽(4012)径向方向的层数与导体(102)的层数相同；轴向阵列分布，且阵列个数与矩形开口槽(105)或齿数相同，以实现所有导体(102)在非引线端的连接；

所述绝缘骨架本体(4011)上还预留有沟壑(4013)。

9.根据权利要求1所述的定子组件，其特征在于，所述左端盖(5)上设置有冷却液入口(501)，所述左端盖(5)与左端部连接模块(4)配合后在定子铁芯模块(1)的左边形成腔体；所述右端盖(3)上设置有冷却液出口(301)，所述右端盖(3)与右端部连接模块(2)配合后在定子铁芯模块(1)的右边形成腔体。

10.一种电机，其特征在于，包括：如权利要求1-12任一项所述的定子组件。