CN220254232U - 高速电机的定子组件和高速电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高速电机的定子组件和高速电机，定子组件包括：定子铁芯；定子绕组，定子绕组安装于定子铁芯，每相绕组包括N条支路，每条支路包括多个定子线圈，多个定子线圈的匝数及并绕导体数相等，N条支路沿定子铁芯的周向互移α电角度，α＝360°/6N，N≥2，位于定子铁芯轴向同一侧的槽外线圈部沿定子铁芯的周向层叠布置。由此，通过将三相绕组的每相拆分为N条支路，并将所有槽外线圈部沿定子铁芯的周向方向层叠设置，使得支路的每个定子线圈更细，以减小定子线圈所占用的轴向空间，从而减小槽外线圈部的轴向尺寸，以缩短转子的轴向长度，提高转子动力学，并且多个定子线圈的规格相同，防止定子绕组产生环流。

Description

高速电机的定子组件和高速电机

技术领域

本实用新型涉及电机技术领域，尤其是涉及一种高速电机的定子组件和高速电机。

背景技术

随着技术、材料、控制技术等的发展，高速电机的惯用场合越来越多，对高速电机的性能要求也越来越高。而高速电机性能的提升与转子动力学有关，转子的轴向长度会对转子动力学产生影响。

相关技术中，由于定子绕组的端部长度长，导致与定子相配合的转子的轴向长度长，从而导致转子动力学差。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型的一个目的在于提出高速电机的定子组件，缩短定子绕组的端部长度以提高转子动力学。

根据本实用新型的高速电机的定子组件，包括：定子铁芯，所述定子铁芯具有定子槽；定子绕组，所述定子绕组安装于所述定子铁芯且包括三相绕组，每相绕组包括N条支路，每条支路包括依次串联的多个定子线圈，多个所述定子线圈的匝数及并绕导体数相等，N条所述支路沿所述定子铁芯的周向互移α电角度，α＝360°/6N，N≥2，其中，所述定子线圈包括位于所述定子槽内的槽内线圈部以及位于所述定子铁芯轴向两侧的槽外线圈部，位于所述定子铁芯轴向同一侧的所述槽外线圈部沿所述定子铁芯的周向层叠布置。

根据本实用新型的定子组件，通过将三相绕组的每相拆分为N条支路，并将所有槽外线圈部沿定子铁芯的周向方向层叠设置，使得支路的每个定子线圈更细，以减小定子线圈在轴向方向弯折时所占用的轴向空间，从而减小槽外线圈部的轴向尺寸，减小定子绕组的端部长度，以缩短转子的轴向长度，提高转子动力学，降低高速电机的电磁振动，保证高速电机的转速可以进一步提升，并且本申请的多个定子线圈的规格相同，防止定子绕组产生环流现象，同时可以防止定子线圈发生短路。

根据本实用新型的定子组件，对应同一相绕组的N条所述支路串联或并联。

根据本实用新型的定子组件，三相所述绕组的一端连接成公共中性点。

根据本实用新型的定子组件，所述槽外线圈部由周向一端向周向另一端沿所述定子铁芯的径向向内倾斜延伸。

根据本实用新型的定子组件，位于同一所述定子槽内的多个所述定子线圈的所述槽内线圈部沿所述定子铁芯的径向层叠布置。

根据本实用新型的定子组件，所述定子线圈包括多层叠绕线圈，多层所述叠绕线圈沿所述定子铁芯的径向层叠布置。

根据本实用新型的定子组件，所述定子线圈为预制线圈。

根据本实用新型的定子组件，所述定子铁芯的槽数为24槽、36槽、48槽、72槽或96槽；所述定子组件的极数为2极、4极或6极。

本实用新型的另一个目的在于提出一种高速电机。

根据本实用新型的高速电机，包括上述的高速电机的定子组件。

所述高速电机与上述的定子组件相对于相关技术所具有的优势相同，在此不再赘述。

根据本实用新型的一些实施例，所述高速电机的转速为20000～60000r/min。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本实用新型实施例所述的三相绕组的每相绕组包括两条支路的并联原理图；

图2为本实用新型实施例所述的三相绕组的每相绕组包括两条支路且支路为并联的A相展开图；

图3为本实用新型实施例所述的定子组件的结构示意图；

图4为相关技术中三相绕组的A相展开图；

图5为相关技术中定子组件的结构示意图。

附图标记：

定子组件100、定子铁芯110、定子槽111、定子绕组120、定子线圈121、槽内线圈部1211、槽外线圈部1212。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

下面的内容根据需要融合在撰写的过程中去写，以便对相关内容进行解释：

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“轴向”、“径向”、“周向”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

下面参考图1-图3描述根据本实用新型实施例的高速电机的定子组件100。

根据本实用新型的高速电机的定子组件100，包括：定子铁芯110和定子绕组120，定子铁芯110具有定子槽111，定子绕组120安装于定子铁芯110且包括三相绕组，每相绕组包括N条支路，每条支路包括依次串联的多个定子线圈121，多个定子线圈121的匝数及并绕导体数相等，N条支路沿定子铁芯110的周向互移α电角度，α＝360°/6N，N≥2。

其中，如图2所示，定子线圈121包括位于定子槽111内的槽内线圈部1211以及位于定子铁芯110轴向两侧的槽外线圈部1212，位于定子铁芯110轴向同一侧的槽外线圈部1212沿定子铁芯110的周向层叠布置。具体地，定子线圈121包括两个槽内线圈部1211和两个槽外线圈部1212，槽外线圈部1212连接两个槽内线圈部1211的端部，以构成环形的定子线圈121。制造过程中可以通过多根导体并绕、绕制多匝形成环形的定子线圈121。

具体地，定子线圈121的槽内线圈部1211与定子槽111嵌设配合，以使得由定子线圈121构成的定子绕组120可以安装在定子铁芯110上。定子线圈121还包括槽外线圈部1212，槽外线圈部1212沿轴向方向伸出定子铁芯110，并设置于定子铁芯110在轴向方向上的两侧。

进一步地，如图2所示，定子绕组120包括三相绕组，三相绕组的每相拆分为N条相同相的支路，并每条支路包含多个定子线圈121，多个定子线圈121的匝数以及并绕形成定子线圈121的导体数量相同，防止定子绕组120产生环流现象，防止定子线圈121发生短路，同时，可以提高定子线圈121尺寸的统一性，便于确定定子槽111的尺寸，使得定子槽111的尺寸统一，提高定子铁芯110的加工便利性。

在相关技术中，如图4所示，定子绕组的三相绕组中每相绕组仅包括一条支路，该支路包括多个定子线圈，且每个定子线圈由多根导体并绕多匝形成。

而在本申请中，三相绕组的每相绕组拆分为N条支路，N≥2，将N条支路的多个定子线圈121分别嵌入定子槽111中，并使定子绕组120的所有槽外线圈部1212沿定子铁芯110的周向方向层叠设置。可以理解的是，并绕根数和绕线匝数增加会增大定子线圈121的等效截面积，在节距、直线段伸出定子铁芯的长度、崁线工艺等因素下，必然导致定子绕组的端部长度增加，使转子轴向长度增加进而导致转子动力学恶化。

与相关技术中仅包括一条支路相比，本申请拆分为多支路后每条支路的定子线圈121并绕导体数或者绕线匝数更少，因此定子线圈121的等效截面积减小(即每个定子线圈121更细)。将三相绕组的每相绕组拆分为N条支路的方式可以使得定子线圈121在定子铁芯110轴向两侧所占用的轴向空间小，也就是说，在定子线圈121崁线时通过减少并绕导体的数量或定子线圈121的匝数，减小单个定子线圈121的长度，从而减小槽外线圈部1212的轴向尺寸，并且多个槽外线圈部1212在轴向上互不干涉，由此减小定子绕组120的端部尺寸，以缩短转子的轴向长度，提高转子动力学，有利于降低高速电机的电磁振动，保证高速电机的转速可以进一步提升。

其中，N可以为2、3、4等，以N＝2为例进行说明，如图1所示，三相绕组的每相绕组拆分为两条支路，同相的两条支路可以沿定子铁芯110的周向方向互移30°电角度，以保证同相的两条支路磁势矢量方向相同。

相关技术中，随着功率的增加，通过增加并绕导体根数的方式增加线圈的等效截面积，以保持电流密度和热负荷不变，然而在相同崁线工艺等条件下，如此设置会导致定子绕组端部长度增加，从而导致转子的轴向长度增加，影响转子动力学。

本申请通过将三相绕组的每相拆分为N条支路，并将每条支路的多个槽外线圈部1212沿定子铁芯110的周向方向层叠设置，以减小槽外线圈部1212的轴向尺寸，缩短转子的轴向长度，提高转子动力学，降低高速电机的电磁振动，保证高速电机的转速可以进一步提升。

需要说明的是，“长度”指的是轴向方向上的尺寸。

根据本实用新型的定子组件100，通过将三相绕组的每相拆分为N条支路，并将所有槽外线圈部1212沿定子铁芯110的周向方向层叠设置，使得支路的每个定子线圈121更细，以减小定子线圈121在轴向方向弯折时所占用的轴向空间，从而减小槽外线圈部1212的轴向尺寸，减小定子绕组120的端部长度，以缩短转子的轴向长度，提高转子动力学，降低高速电机的电磁振动，保证高速电机的转速可以进一步提升，并且本申请的多个定子线圈121的规格相同，防止定子绕组120产生环流现象，同时可以防止定子线圈121发生短路。

在本实用新型的一些实施例中，对应同一相绕组的N条支路串联或并联。

具体地，三相绕组的每相绕组分别拆分为N条相同相的支路，N条支路的磁势矢量方向相同，以使得相同相的N条支路可以通过串联或并联的方式电连接，从而构成三相绕组的每相绕组，进而可以实现三相输出。

进一步地，通过将所有槽外线圈部1212沿定子铁芯110的周向方向层叠设置，减小定子线圈121的槽外线圈部1212的轴向尺寸，同时定子绕组系数、定子铁芯110的轴向尺寸以及反电势均不变，可以实现减小定子绕组120的端部长度，从而缩短转子的轴向尺寸，提高转子动力学。

在本实用新型的一些实施例中，三相绕组的一端连接成公共中性点。

具体地，以N为2为例进行说明，三相绕组的每相绕组包括两条支路，分别为A1、A2、B2、B2、C1、C2六条支路，其中，A1和A2为同相，B1和B2为同相，C1和C2为同相，A1支路、B1支路和C1支路的一端相连构成Y型绕组，同样地，A2支路、B2支路和C2支路的一端相连构成Y型绕组，同时两个Y型绕组的支路连接点可以相连，从而将三相绕组构造为同相支路并联的双Y型绕组，并且双Y型绕组的公共中性点为六条支路的公共连接点，如图1和图2中的N点所示。

相关技术中，高速永磁电机采用矢量控制，变频器采用PWM(脉宽调制)控制，导致输入电压PWM波含有大量的时间谐波，高速永磁电机定子绕组采用短距等方式削弱各次谐波，但削弱效果差，随着高速电机转速的提高，转子仍存在退磁的风险。

本申请的双Y型绕组可以消除6n±1次谐波(n为自然数)，尤其是5、7次谐波(5、7次谐波在空间上相差180°而相互抵消)，对输入电压具有很好的滤波作用，可以充分降低谐波含量，降低转子的损耗，并且可以降低转子退磁的风险。

可选地，三相绕组的每相绕组的连接方式还可以为：A1支路、B1支路和C1支路的一端相连构成Y型绕组，A2支路连接在A1支路的另一端以与A1串联，同样地，B2支路连接在B1支路的另一端以与B1串联，C2支路连接在C1支路的另一端以与C1串联，从而将三相绕组构造为同相支路串联的结构，三相绕组的公共中性点为A1支路、B1支路和C1支路的公共连接点，此种结构也可以减小定子绕组120的端部长度，从而减小转子长度，降低高速电机工作时发生抖动的风险。

在本实用新型的另一些实施例中，A1支路与A2支路串联构成A相绕组，B1支路与B2支路串联构成B向绕组，C1支路与C2支路串联构成C相绕组，A相绕组、B相绕组以及C相绕组依次相连以构成三角形结构，此种结构也可以减小定子绕组120的端部长度，从而减小转子长度，降低高速电机工作时发生抖动的风险。

在本实用新型的一些实施例中，槽外线圈部1212由周向一端向周向另一端沿定子铁芯110的径向向内倾斜延伸。

具体地，槽外线圈部1212沿定子铁芯110的周向方向层叠排布，并且沿槽内线圈部1211向槽外线圈部1212延伸的方向，槽外线圈部1212向靠近定子铁芯110轴线的方向倾斜延伸，以利于减小槽外线圈部1212的轴向尺寸，从而减小定子绕组120的端部长度，进而可以实现减小与定子组件100相配合的转子的轴向长度。

在本实用新型的一些实施例中，位于同一定子槽111内的多个定子线圈121的槽内线圈部1211沿定子铁芯110的径向层叠布置。

具体地，同一定子槽111内设置有多个定子线圈121，并且多个定子线圈121的槽内线圈部1211在定子槽111内沿径向方向排布，以使得定子线圈121的布线有序，并且便于槽外线圈部1212弯折，同时可以防止多个定子线圈121的槽外线圈部1212在发生弯折时因相互干涉而产生轴向堆叠，减小槽外线圈部1212在轴向方向上的尺寸，从而减小定子绕组120的端部长度。

其中，同一定子槽111内的多个定子线圈121可对一个同一相绕组不同支路或者对应不同相绕组，以上述N为2为例进行说明，A1支路的定子线圈121和B1支路的定子线圈121可以设置在同一定子槽111内，或A1支路的定子线圈121和C1支路的定子线圈121设置在同一定子槽111内。

在本实用新型的一些实施例中，定子线圈121包括多层叠绕线圈，多层叠绕线圈沿定子铁芯110的径向层叠布置。

具体地，多层叠绕线圈沿定子铁芯110的径向方向层叠布置，例如：定子线圈121采用双层叠绕时，定子线圈121包括两个叠绕线圈，两个叠绕线圈设于相同定子槽111内，且每个定子槽111内的叠绕线圈沿径向层叠，以便于叠绕线圈的布线。并且，多层叠绕的方式使每个叠绕线圈的等效截面积小于定子线圈121的总等效截面积，以减小叠绕线圈的长度、减小定子绕组120的端部长度，从而实现缩短转子轴向长度。

在本实用新型的一些实施例中，定子线圈121为预制线圈。

预制线圈为：在安装于定子铁芯110上之前绕制完成的线圈。具体地，可以将导体在模具上缠绕形成定子线圈121，再将定子线圈121嵌入定子槽111以安装在定子铁芯110上。定子线圈121沿定子铁芯110轴向方向延伸的直线部分的尺寸大于定子铁芯110的轴向长度，相应地，定子槽111的槽绝缘长，以保证定子线圈121与定子铁芯110之间的绝缘效果，提高绝缘通过率。由此，定子组件100在减小定子绕组120的端部长度的同时可以保证绝缘通过率。

相关技术中，通常采用背绕式绕组减小定子绕组的端部长度，但由于背绕式绕组为将导体直接缠绕在定子铁芯上，所得到定子线圈在弯折处的圆角变化大，导致定子线圈与定子铁芯之间的绝缘效果差，并且定子线圈的直线部分少，槽绝缘短，绝缘通过率低。

而本申请通过将定子线圈121构造为预制线圈以解决绝缘通过率低的问题。

在本实用新型的一些实施例中，定子铁芯110的槽数为24槽、36槽、48槽、72槽或96槽；定子组件100的极数为2极、4极或6极。

例如，定子组件100的极、槽配合可以为：2极24槽、2极36槽、2极48槽、2极72槽或2极96槽；也可以为4极24槽、4极36槽、4极48槽、4极72槽或4极96槽等；同样地，当定子组件100为6极时槽数也可以结合实际工况进行选择，在此不做具体限定，需要说明的是，更高的极数(如8极、10极等)不适合高速永磁电机。

下面以定子组件100构造为2极24槽、三相绕组的每相绕组构造为由两条支路并联形成的绕组为例说明支路的设置方式。

结合图1和图2，两个相邻设置的定子槽111的槽距角β满足如下公式：β＝360°*p/Z，其中，p定义为定子组件100的极对数，Z定义为槽数，当定子组件100构造为2极24槽时，定子槽111的槽距角β＝15°，2条支路沿定子铁芯110的周向互移30°，根据定子绕组分相原理，因此当A1支路的引线端设置在1号槽中时，A2支路的引线端设置在3号槽中，并且A1支路和A2支路并联连接以构成三相绕组中的A相。

根据本实用新型的高速电机，包括上述的高速电机的定子组件100。其中，高速电机可以构造为高速永磁电机。

具体地，高速电机的转速高，并且随着高速电机转速的提高，转子体积小，散热面积小，通过对定子组件100进行结构设计，以缩短定子绕组120的端部长度，缩短转子的长度，从而可以保证高速电机工作时的性能。

由于根据本实用新型实施例的定子组件100具有上述有益的技术效果，因此根据本实用新型的高速电机，通过将三相绕组的每相拆分为N条支路，并将所有槽外线圈部1212沿定子铁芯110的周向方向层叠设置，使得支路的每个定子线圈121更细，以减小定子线圈121在轴向方向弯折时所占用的轴向空间，从而减小槽外线圈部1212的轴向尺寸，减小定子绕组120的端部长度，以缩短转子的轴向长度，提高转子动力学，降低高速电机的电磁振动，保证高速电机的转速可以进一步提升，并且本申请的多个定子线圈121的规格相同，防止定子绕组120产生环流现象，同时可以防止定子线圈121发生短路。在本实用新型的一些实施例中，高速电机的转速为20000～60000r/min。

下面结合对比例和实施例1，描述根据本实用新型的有益效果。

实施例1：如图1至图3所示，极数为2，槽数为24，每相支路数为2形成双Y型绕组，转速为24000rpm的磁悬浮高速永磁电机；

对比例：如图4和图5所示，极数为2，槽数为24，每相支路数为1形成Y型三相绕组，转速为24000rpm的磁悬浮高速永磁电机。

对实施例1和对比例的定子绕组端部长度的对比。

其中，结合图2和图3，实施例1将三相绕组的每相绕组拆分为两条支路，X1和X2分别为定子绕组120两端的长度，X3为定子铁芯110的轴向长度，其中，X1＝49mm，X2＝54mm，X3＝98.5mm，定子绕组120的端部长度X1+X2约占定子组件100总长度(X1+X2+X3)的51％。

结合图4和图5，L1和L2分别为对比例的定子绕组两端的长度，L3为对比例的定子铁芯的轴向长度，其中，L1＝55mm，L2＝60mm，L3＝98.5mm，定子绕组的端部长度(L1+L2)约占定子组件总长度(L1+L2+L3)的53.9％。

由此本申请的定子绕组120的端部长度明显缩短，从而可以有效减小高速电机的轴向长度。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种高速电机的定子组件，其特征在于，包括：

定子铁芯，所述定子铁芯具有定子槽；

定子绕组，所述定子绕组安装于所述定子铁芯且包括三相绕组，每相绕组包括N条支路，每条支路包括依次串联的多个定子线圈，多个所述定子线圈的匝数及并绕导体数相等，N条所述支路沿所述定子铁芯的周向互移α电角度，α＝360°/6N，N≥2，其中，

所述定子线圈包括位于所述定子槽内的槽内线圈部以及位于所述定子铁芯轴向两侧的槽外线圈部，位于所述定子铁芯轴向同一侧的所述槽外线圈部沿所述定子铁芯的周向层叠布置。

2.根据权利要求1所述的高速电机的定子组件，其特征在于，对应同一相绕组的N条所述支路串联或并联。

3.根据权利要求1所述的高速电机的定子组件，其特征在于，三相所述绕组的一端连接成公共中性点。

4.根据权利要求1所述的高速电机的定子组件，其特征在于，所述槽外线圈部由周向一端向周向另一端沿所述定子铁芯的径向向内倾斜延伸。

5.根据权利要求1所述的高速电机的定子组件，其特征在于，位于同一所述定子槽内的多个所述定子线圈的所述槽内线圈部沿所述定子铁芯的径向层叠布置。

6.根据权利要求1所述的高速电机的定子组件，其特征在于，所述定子线圈包括多层叠绕线圈，多层所述叠绕线圈沿所述定子铁芯的径向层叠布置。

7.根据权利要求1所述的高速电机的定子组件，其特征在于，所述定子线圈为预制线圈。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的高速电机的定子组件，其特征在于，所述定子铁芯的槽数为24槽、36槽、48槽、72槽或96槽；所述定子组件的极数为2极、4极或6极。

9.一种高速电机，其特征在于，包括根据权利要求1-8中任一项所述的高速电机的定子组件。

10.根据权利要求9所述的高速电机，其特征在于，所述高速电机的转速为20000～60000r/min。