RU2794201C1 - Magnetic system of an electric machine with a multilayer ultra-compact winding - Google Patents

Magnetic system of an electric machine with a multilayer ultra-compact winding Download PDF

Info

Publication number
RU2794201C1
RU2794201C1 RU2022114336A RU2022114336A RU2794201C1 RU 2794201 C1 RU2794201 C1 RU 2794201C1 RU 2022114336 A RU2022114336 A RU 2022114336A RU 2022114336 A RU2022114336 A RU 2022114336A RU 2794201 C1 RU2794201 C1 RU 2794201C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
stator
coil
coils
winding
layer
Prior art date
Application number
RU2022114336A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Дмитрий Максимович Филиппов
Original Assignee
Дмитрий Максимович Филиппов
Filing date
Publication date
Application filed by Дмитрий Максимович Филиппов filed Critical Дмитрий Максимович Филиппов
Application granted granted Critical
Publication of RU2794201C1 publication Critical patent/RU2794201C1/en
Priority to PCT/RU2023/050126 priority Critical patent/WO2023229500A1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: electrical engineering.
SUBSTANCE: devices for electromechanical power conversion. The device is a magnetic system of a three-phase synchronous electric machine with permanent magnets (2), a rotor (1), which can be located both outside the stator (3) and inside it. The stator (3) contains a distributed three-phase winding, the coils of which can be placed in slots 2, 4, 8, etc. of layers. The groove (4) of the stator (2) is open. The stator winding coils are made in such a way that the frontal parts have a rigid shape, and the working sections remain flexible and capable of deformation sufficient to ensure that the coil is immersed in the stator grooves without damaging the wire insulation layer.
EFFECT: increase in power efficiency, specific characteristics, as well as a simplification of production process and an increase in the reliability and durability of electrical machines.
5 cl, 21 dwg

Description

Предлагаемые технические решения и группа изобретений относятся к устройствам электромеханического преобразования энергии.The proposed technical solutions and a group of inventions relate to electromechanical energy conversion devices.

Известно множество вариантов магнитных систем электрических машин с сосредоточенной обмоткой. Такой тип обмотки описан, например, в следующих патентах: US6870292B2, US20170324307A1, US20160226346A1, US20160344246A1, US8664818B2, JP3603784B2, JP6079012B2, KR20170094261A, WO2005117243A1, EP1727261B2, EP1727261B1, EP2306622B1 и др. Ключевой особенностью магнитных систем с сосредоточенной обмоткой является то, что каждая катушка обмотки намотана на отдельный зубец таким образом, что обе секции катушки располагаются в соседних пазах.There are many variants of magnetic systems of electrical machines with a lumped winding. This type of winding is described, for example, in the following patents: US6870292B2, US20170324307A1, US20160226346A1, US20160344246A1, US8664818B2, JP3603784B2, JP6079012B2, KR20170094261A, WO2241117, WO2241112 2, EP1727261B1, EP2306622B1, etc. A key feature of lumped-wound magnetic systems is that each coil winding is wound on a separate tooth in such a way that both sections of the coil are located in adjacent grooves.

На основании множества научных исследований доказано, что магнитное поле, создаваемое в зазоре электрических машин с сосредоточенной обмоткой статора, обладает асинхронными пространственными гармониками, которые вызывают наведение в постоянных магнитах ротора вихревых токов, а также пульсации электромагнитного момента, что приводит к снижению энергоэффективности таких электрических машин. Также большую роль в конструкции магнитных систем с сосредоточенной обмоткой играет форма зубца, которая, как правило, предполагает наличие характерного полюсного наконечника. В соответствии с этим паз у магнитных систем электрических машин с сосредоточенной обмоткой, как правило, является полузакрытым, что значительно усложняет и удорожает процедуру намотки. Намотка катушек в этом случае осуществляется непосредственно на зубец. С целью обеспечения низкого сопротивления обмотки намотка чаще всего осуществляется многожильным проводом (или несколькими параллельными проводниками), что существенно уменьшает плотность упаковки провода в пазу и, как следствие, снижает удельные характеристики машины. Кроме того, указанный способ намотки достаточно сложно автоматизируется и требует либо применения монофункционального дорогостоящего обмоточного оборудования, либо использования ручного труда квалифицированного специалиста-обмотчика.Based on many scientific studies, it has been proven that the magnetic field created in the gap of electrical machines with a lumped stator winding has asynchronous spatial harmonics, which cause induction of eddy currents in the permanent magnets of the rotor, as well as pulsations of the electromagnetic torque, which leads to a decrease in the energy efficiency of such electrical machines . Also a big role in the design of magnetic systems with a concentrated winding is played by the shape of the tooth, which, as a rule, implies the presence of a characteristic pole piece. In accordance with this, the groove in the magnetic systems of electrical machines with concentrated winding is, as a rule, semi-closed, which greatly complicates and increases the cost of the winding procedure. In this case, the coils are wound directly on the tooth. In order to ensure low winding resistance, winding is most often carried out with a stranded wire (or several parallel conductors), which significantly reduces the packing density of the wire in the groove and, as a result, reduces the specific characteristics of the machine. In addition, this method of winding is quite difficult to automate and requires either the use of monofunctional expensive winding equipment, or the use of manual labor by a qualified specialist winder.

В связи с вышеизложенным в настоящей заявке предлагается конструкция магнитной системы электрических машин с распределённой обмоткой и открытым пазом. Трёхфазная распределённая обмотка может быть уложена в пазы статора магнитной системы в 2, 4, 8 и т. д. слоёв. Шаг намотки катушек может составлять 2 и более зубцов.In connection with the foregoing, this application proposes the design of the magnetic system of electric machines with a distributed winding and an open slot. The three-phase distributed winding can be laid into the grooves of the stator of the magnetic system in 2, 4, 8, etc. layers. The coil winding pitch can be 2 or more teeth.

Известны патенты: US20140015348A1, WO2005050816A2 и US20140145540A1. В WO2005050816A2 и US20140145540A1 приведены случаи магнитных систем с наружным ротором, что более близко к предлагаемому в настоящей заявке варианту. В указанных прототипах представлены варианты реализации двухслойной обмотки в магнитных системах с открытым пазом статора. Такая геометрия паза позволяет существенно упростить и удешевить процедуру изготовления обмотки. Предварительно изготовленные катушки погружаются в пазы статора магнитной системы. Такой способ обеспечивает максимально плотное заполнение паза обмоточным проводом. Благодаря открытой форме паза упрощается процедура покрытия стенок паза изоляционным слоем, а также прокладки изоляции между катушками, относящимися к разным фазам и расположенными в одном пазу, что увеличивает надёжность и долговечность статорной обмотки. Каждая катушка имеет две секции: одна секция располагается в верхнем слое двухслойной обмотки, вторая — в нижнем. Такой способ укладки обеспечивается приданием катушкам специальной пространственной геометрии.Known patents: US20140015348A1, WO2005050816A2 and US20140145540A1. In WO2005050816A2 and US20140145540A1, cases of magnetic systems with an external rotor are given, which is closer to the variant proposed in this application. In these prototypes, implementation options for a two-layer winding in magnetic systems with an open stator slot are presented. Such a groove geometry makes it possible to significantly simplify and reduce the cost of the winding manufacturing procedure. Prefabricated coils are immersed in the slots of the stator of the magnetic system. This method ensures the most dense filling of the groove with a winding wire. Due to the open shape of the groove, the procedure for covering the walls of the groove with an insulating layer is simplified, as well as laying insulation between coils belonging to different phases and located in the same groove, which increases the reliability and durability of the stator winding. Each coil has two sections: one section is located in the upper layer of the two-layer winding, the second - in the lower one. This method of laying is provided by giving the coils a special spatial geometry.

Недостаток предложенных в прототипах технических решений заключается в том, что катушкам двухслойной обмотки придаётся такая геометрия, при которой две секции одной катушки располагаются на разных уровнях (в разных слоях). Это приводит, во-первых, к тому, что лобовая часть таких катушек имеет довольно сложную форму, изготовить которую можно только на специальном оборудовании, а во-вторых, усложняется процедура заполнения паза катушками такой формы. В патенте WO2005050816A2 предлагается применять так называемые формированные (формованные) катушки, которые имеют довольно жёсткую форму. С одной стороны, жёсткость формы обеспечивает высокое качество катушек: все проводники уложены в строгой последовательности и катушка занимает минимально возможный объём. Однако, с другой стороны, при таком исполнении катушек, возникает сложность их погружения в пазы статора, поскольку в машинах радиального потока расстояние между любыми двумя пазами неизбежно уменьшается при движении от края статора к его оси. В связи с этим в WO2005050816A2 предложена специальная форма паза, которая предполагает наличие в пазу ступеней, благодаря чему становится возможным предварительно сформованную жёсткую катушку погрузить в пазы без её деформации. Для того чтобы погрузить такую катушку в пазы, требуется совершить восемь пошаговых действий. Предложенное в WO2005050816A2 техническое решение приводит, во-первых, к тому, что процедура изготовления статорной обмотки становится сложной, и она не поддаётся автоматизации, во-вторых, к тому, что снижается коэффициент заполнения паза.The disadvantage of the technical solutions proposed in the prototypes is that the coils of the two-layer winding are given such a geometry in which two sections of the same coil are located at different levels (in different layers). This leads, firstly, to the fact that the frontal part of such coils has a rather complex shape, which can be made only on special equipment, and secondly, the procedure for filling the groove with coils of this shape becomes more complicated. Patent WO2005050816A2 proposes the use of so-called shaped (formed) coils, which have a rather rigid shape. On the one hand, the rigidity of the form ensures the high quality of the coils: all conductors are laid in a strict sequence and the coil occupies the smallest possible volume. However, on the other hand, with this design of the coils, it becomes difficult to immerse them in the stator slots, since in radial flow machines the distance between any two slots inevitably decreases when moving from the edge of the stator to its axis. In this regard, in WO2005050816A2, a special shape of the groove is proposed, which assumes the presence of steps in the groove, due to which it becomes possible to immerse a preformed rigid coil into the grooves without its deformation. In order to immerse such a coil into the grooves, eight step-by-step actions are required. The technical solution proposed in WO2005050816A2 leads, firstly, to the fact that the procedure for manufacturing the stator winding becomes complicated and cannot be automated, and secondly, to the fact that the fill factor of the slot is reduced.

В настоящей заявке предлагается применить обмотку, каждая катушка которой выполнена бескаркасным способом (предварительно сформованные катушки) таким образом, что её лобовые части имеют жёсткую форму, а рабочие участки остаются гибкими и способными к незначительной деформации, достаточной для обеспечения погружения катушки в пазы статора без повреждения изоляционного слоя провода. При этом катушка имеет такую форму, что обе её секции располагаются на одинаковом расстоянии от оси двигателя. Предложенное техническое решение позволяет при сохранении максимально простой геометрии паза статора магнитной системы добиться максимально возможного заполнения паза при минимально возможной лобовой части обмотки, не создавая опасности повреждения изоляционного слоя обмоточного провода катушек при их погружении в пазы.In this application, it is proposed to use a winding, each coil of which is made in a frameless way (preformed coils) in such a way that its end parts have a rigid shape, and the working areas remain flexible and capable of slight deformation, sufficient to ensure that the coil is immersed in the stator slots without damage. wire insulating layer. In this case, the coil has such a shape that both of its sections are located at the same distance from the axis of the engine. The proposed technical solution allows, while maintaining the most simple geometry of the stator groove of the magnetic system, to achieve the maximum possible filling of the groove with the minimum possible frontal part of the winding, without creating a risk of damage to the insulating layer of the winding wire of the coils when they are immersed in the grooves.

Существенным признаком группы изобретений является магнитная система электрической машины, статор которой имеет открытый глубокий паз, а катушка статорной обмотки такова, что её лобовые части имеют жёсткую форму, а рабочие участки остаются гибкими, и способными к незначительной деформации, достаточной для обеспечения погружения катушки в пазы статора без повреждения изоляционного слоя провода, при этом сечение катушки в рабочем участке, расположенном внутри паза статора, имеет форму прямоугольника и равно сечению катушки в лобовой части, расположенной за пределами статорного пакета, таким образом, что высота прямоугольного сечения в рабочем участке катушки равна ширине прямоугольного сечения в лобовой части катушки, а ширина прямоугольного сечения в рабочем участке катушки равна высоте прямоугольного сечения в лобовой части катушки.An essential feature of the group of inventions is the magnetic system of an electric machine, the stator of which has an open deep groove, and the stator winding coil is such that its frontal parts have a rigid shape, and the working sections remain flexible and capable of slight deformation, sufficient to ensure that the coil is immersed in the grooves of the stator without damaging the insulating layer of the wire, while the cross section of the coil in the working section located inside the stator groove has the shape of a rectangle and is equal to the section of the coil in the frontal part located outside the stator package, so that the height of the rectangular section in the working section of the coil is equal to the width rectangular section in the frontal part of the coil, and the width of the rectangular section in the working section of the coil is equal to the height of the rectangular section in the frontal part of the coil.

Перечень фигур (чертежей):List of figures (drawings):

На фиг. 1 представлен изометрический вид устройства «в разрезе».In FIG. 1 is an isometric sectional view of the device.

На фиг. 2 показан внешний вид катушки предлагаемой геометрии.In FIG. 2 shows the appearance of the coil of the proposed geometry.

На фиг. 3 показан вид «сверху» катушки.In FIG. 3 shows a top view of the coil.

На фиг. 4 показан вид «сбоку» катушки.In FIG. 4 shows a side view of the coil.

На фиг. 5 показан первый шаг укладки части катушек в пазы статора в первом слое четырёхслойной обмотки.In FIG. 5 shows the first step of laying part of the coils in the stator slots in the first layer of the four-layer winding.

На фиг. 6 показана ориентация катушек C1Z1, A1X1, A2X2, B3Y3, C3Y3.In FIG. 6 shows the orientation of coils C1Z1, A1X1, A2X2, B3Y3, C3Y3.

На фиг. 7 показан второй шаг укладки части катушек в пазы статора в первом слое четырёхслойной обмотки.In FIG. 7 shows the second step of laying part of the coils into the stator slots in the first layer of the four-layer winding.

На фиг. 8 показана ориентация катушек B1Y1, B2Y2, C2Z2, A3X3, A4X4.In FIG. 8 shows the orientation of coils B1Y1, B2Y2, C2Z2, A3X3, A4X4.

На фиг. 9 показано итоговое расположение части катушек, уложенных в первом слое четырёхслойной обмотки.In FIG. 9 shows the final arrangement of a part of the coils laid in the first layer of a four-layer winding.

На фиг. 10 показан результат укладки части катушек во втором слое четырёхслойной обмотки.In FIG. 10 shows the result of laying a part of the coils in the second layer of a four-layer winding.

На фиг. 11 показана ориентация катушек C'1Z'1, A'1X'1, A'2X'2, B'3Y'3.In FIG. 11 shows the orientation of coils C'1Z'1, A'1X'1, A'2X'2, B'3Y'3.

На фиг. 12 показана ориентация катушек B'1Y'1, B'2Y'2, C'2Z'2, A'3X'3, A'4X'4.In FIG. 12 shows the orientation of coils B'1Y'1, B'2Y'2, C'2Z'2, A'3X'3, A'4X'4.

На фиг. 13 показан первый шаг укладки части катушек в пазы статора в третьем слое четырёхслойной обмотки.In FIG. 13 shows the first step of laying part of the coils in the stator slots in the third layer of the four-layer winding.

На фиг. 15 показан второй шаг укладки части катушек в пазы статора в третьем слое четырёхслойной обмотки.In FIG. 15 shows the second step of laying part of the coils in the stator slots in the third layer of the four-layer winding.

На фиг. 14 показана ориентация катушек C3Z3, C4Z4, A5X5, B5Y5, B6Y6.In FIG. 14 shows the orientation of coils C3Z3, C4Z4, A5X5, B5Y5, B6Y6.

На фиг. 16 показана ориентация катушек B4Y4, C5Z5, C6Z6, A6X6.In FIG. 16 shows the orientation of the coils B4Y4, C5Z5, C6Z6, A6X6.

На фиг. 17 показано итоговое расположение части катушек, уложенных в пазы статора в третьем слое четырёхслойной обмотки.In FIG. 17 shows the final arrangement of a part of the coils laid in the stator slots in the third layer of the four-layer winding.

На фиг. 18 показано расположение части катушек, уложенных в пазы статора в четвёртом слое четырёхслойной обмотки.In FIG. 18 shows the location of a part of the coils laid in the stator slots in the fourth layer of the four-layer winding.

На фиг. 19 показана ориентация катушек C'3Z'3, C'4Z'4, A'5X'5, B'5Y'5, B'6Y'6.In FIG. 19 shows the orientation of coils C'3Z'3, C'4Z'4, A'5X'5, B'5Y'5, B'6Y'6.

На фиг. 20 показана ориентация катушек B'4Y'4, C'5Z'5, C'6Z'6, A'6X'6.In FIG. 20 shows the orientation of coils B'4Y'4, C'5Z'5, C'6Z'6, A'6X'6.

На фиг. 21 показан эскиз магнитной системы электрической машины без обмотки, статор которой имеет 72 зубца, а количество полюсов составляет 32.In FIG. 21 shows a sketch of the magnetic system of an unwinding electric machine whose stator has 72 teeth and the number of poles is 32.

На фигурах 1 и 21 изображено устройство, которое представляет собой магнитную систему трёхфазной синхронной электрической машины с постоянными магнитами (2), ротор (1), который может располагаться как снаружи статора (3), так и внутри статора. Статор (3) содержит распределённую трёхфазную обмотку, катушки которой могут быть уложены в пазы в 2, 4, 8 и т. д. слоёв. Паз (4) у статора (2) является открытым. Изобретение применимо в тяговых электрических двигателях, например, встроенных в колесо транспортного средства, в моментных двигателях, для приведения во вращательное движение различных исполнительных механизмов, в качестве альтернаторов в системах электроснабжения, в том числе в области распределённой и возобновляемой энергетики, в линейных двигателях и линейных генераторах и других приложениях. Предложенная конструкция магнитной системы и её электрическая схема позволяют повысить энергоэффективность, удельные характеристики, а также упростить технологию изготовления и увеличить надёжность и долговечность электрических машин.Figures 1 and 21 show a device that is a magnetic system of a three-phase synchronous electric machine with permanent magnets (2), a rotor (1), which can be located both outside the stator (3) and inside the stator. The stator (3) contains a distributed three-phase winding, the coils of which can be laid in slots in 2, 4, 8, etc. layers. The groove (4) at the stator (2) is open. The invention is applicable in traction electric motors, for example, those built into a vehicle wheel, in torque motors for driving various actuators, as alternators in power supply systems, including in the field of distributed and renewable energy, in linear motors and linear generators and other applications. The proposed design of the magnetic system and its electrical circuit make it possible to increase energy efficiency, specific characteristics, as well as simplify the manufacturing technology and increase the reliability and durability of electrical machines.

На фигуре 2 показан внешний вид предварительно сформованной катушки предлагаемой геометрии, из которого хорошо видно, что сечение катушки в рабочем участке, расположенном внутри паза статора, имеет форму прямоугольникаFigure 2 shows the appearance of a preformed coil of the proposed geometry, from which it is clearly seen that the section of the coil in the working area located inside the stator groove has the shape of a rectangle

На фигурах 3 и 4 показаны виды катушки «сверху» и «сбоку». Ключевой особенностью данной катушки является то, что ширина лобовой части равна высоте рабочего участка катушки b, а высота лобовой части равна ширине рабочего участка a. Такая геометрия позволяет укладывать катушки в один слой таким образом, что толщина этого слоя не будет превышать b. Как видно из фиг. 3 у катушки одно основание является плоским, а второе фигурным. Figures 3 and 4 show top and side views of the coil. The key feature of this coil is that the width of the frontal part is equal to the height of the working area of the coil b, and the height of the frontal part is equal to the width of the working area a. This geometry allows coils to be laid in one layer in such a way that the thickness of this layer does not exceed b. As can be seen from FIG. 3 at the coil, one base is flat, and the second is curly.

Рассмотрим пример укладки катушек в пазы статора. Consider an example of laying coils in the stator slots.

Перед укладкой катушек пазы статора покрываются слоем изоляции из электротехнического картона, синтофлекса или другого подходящего изоляционного материала. Толщина слоя изоляции определяется рабочим напряжением, на которое рассчитана электрическая машина.Before laying the coils, the stator slots are covered with a layer of insulation made of electrical cardboard, synthoflex or other suitable insulating material. The thickness of the insulation layer is determined by the operating voltage for which the electrical machine is designed.

На фиг. 5 показан первый шаг укладки части катушек в пазы статора в первом слое четырёхслойной обмотки.In FIG. 5 shows the first step of laying part of the coils in the stator slots in the first layer of the four-layer winding.

На фиг. 7 показан второй шаг укладки части катушек в пазы статора в первом слое четырёхслойной обмотки.In FIG. 7 shows the second step of laying part of the coils into the stator slots in the first layer of the four-layer winding.

На фиг. 9 показано итоговое расположение части катушек, уложенных в пазы статора в первом слое четырёхслойной обмотки.In FIG. 9 shows the final arrangement of a part of the coils laid in the stator slots in the first layer of the four-layer winding.

На фигурах 6 и 8 видно, что катушки C1Z1, A1X1, A2X2, B3Y3 обращены к оси двигателя плоским основанием, катушки B1Y1, B2Y2, C2Z2, A3X3, A4X4 обращены к оси двигателя фигурным основанием.Figures 6 and 8 show that the coils C1Z1, A1X1, A2X2, B3Y3 face the motor axis with a flat base, the coils B1Y1, B2Y2, C2Z2, A3X3, A4X4 face the motor axis with a figured base.

На фиг. 10 показано расположение части катушек, уложенных в пазы статора во втором слое четырёхслойной обмотки. Отметим, что второй слой катушек полностью повторяет первый слой, т. е. над катушкой фазы A, лежащей в первом слое, располагается катушка той же фазы А, лежащая во втором слое. Причём эти катушки сориентированы в пространстве одинаковым образом. Аналогичное условие соблюдается при установке катушек в пазы статора во втором слое двух других фаз.In FIG. 10 shows the location of part of the coils laid in the stator slots in the second layer of the four-layer winding. Note that the second layer of coils completely repeats the first layer, i.e., above the coil of phase A, which lies in the first layer, there is a coil of the same phase A, which lies in the second layer. Moreover, these coils are oriented in space in the same way. A similar condition is observed when installing coils in the stator slots in the second layer of the other two phases.

На фиг. 11 показана ориентация катушек C'1Z'1, A'1X'1, A'2X'2, B'3Y'3.In FIG. 11 shows the orientation of coils C'1Z'1, A'1X'1, A'2X'2, B'3Y'3.

На фиг. 12 показана ориентация катушек B'1Y'1, B'2Y'2, C'2Z'2, A'3X'3, A'4X'4.In FIG. 12 shows the orientation of coils B'1Y'1, B'2Y'2, C'2Z'2, A'3X'3, A'4X'4.

На фиг. 13 показан первый шаг укладки части катушек в пазы статора в третьем слое четырёхслойной обмотки.In FIG. 13 shows the first step of laying part of the coils in the stator slots in the third layer of the four-layer winding.

На фиг. 15 показан второй шаг укладки части катушек в пазы статора в третьем слое четырёхслойной обмотки.In FIG. 15 shows the second step of laying part of the coils in the stator slots in the third layer of the four-layer winding.

На фигурах 14 и 16 показаны ориентации катушек C3Z3, C4Z4, A5X5, B5Y5, B6Y6, а также катушек B4Y4, C5Z5, C6Z6, A6X6 соответственно.Figures 14 and 16 show the orientations of coils C3Z3, C4Z4, A5X5, B5Y5, B6Y6 and coils B4Y4, C5Z5, C6Z6, A6X6, respectively.

На фиг. 17 показано итоговое расположение части катушек, уложенных в пазы статора в третьем слое четырёхслойной обмотки.In FIG. 17 shows the final arrangement of a part of the coils laid in the stator slots in the third layer of the four-layer winding.

На фиг. 18 показано расположение части катушек, уложенных в пазы статора в четвёртом слое четырёхслойной обмотки. Отметим, что четвёртый слой катушек полностью повторяет третий слой, то есть над катушкой фазы А, лежащей в третьем слое, располагается катушка той же фазы А, лежащая в четвёртом слое. Причём эти катушки сориентированы в пространстве одинаковым образом. Аналогичное условие соблюдается при установке в пазы статора катушек в четвёртом слое двух других фаз.In FIG. 18 shows the location of a part of the coils laid in the stator slots in the fourth layer of the four-layer winding. Note that the fourth layer of coils completely repeats the third layer, that is, above the coil of phase A, which lies in the third layer, there is a coil of the same phase A, which lies in the fourth layer. Moreover, these coils are oriented in space in the same way. A similar condition is observed when installing coils in the stator slots in the fourth layer of two other phases.

На фигурах 19 и 20 показаны ориентации катушек C'3Z'3, C'4Z'4, A'5X'5, B'5Y'5, B'6Y'6, а также катушек B'4Y'4, C'5Z'5, C'6Z'6, A'6X'6 соответственно.Figures 19 and 20 show the orientations of coils C'3Z'3, C'4Z'4, A'5X'5, B'5Y'5, B'6Y'6 and coils B'4Y'4, C'5Z '5, C'6Z'6, A'6X'6 respectively.

На фигурах 5, 7, 9, 10, 13, 15, 17, 18 обозначены цифрами номера зубцов. Будем считать, что паз, находящийся слева от зубца, имеет такой же номер, как и зубец.In figures 5, 7, 9, 10, 13, 15, 17, 18 numbers of teeth are indicated. We assume that the groove to the left of the tooth has the same number as the tooth.

Из фигур 9, 10, 17, 18 видно, что в некоторых пазах располагаются катушки в четырёх слоях, принадлежащие разным фазам, а в некоторых пазах располагаются катушки в четырёх слоях, принадлежащие одной фазе. Так, в пазах под номерами 1, 4, 7, 10, 13, 16 в первом и втором слоях и в третьем и четвёртом слоях располагаются катушки, принадлежащие разным фазам. Поэтому для этих пазов рекомендуется между вторым и третьим слоями прокладывать слой изоляции из электротехнического картона, синтофлекса или другого подходящего изоляционного материала. В пазах 2, 3, 5, 6, 8, 9, 11, 12, 14, 15, 17, 18 в первом и втором слоях и в третьем и четвёртом слоях располагаются катушки, принадлежащие к одной фазе. Поэтому в этих пазах между вторым и третьим слоями необходимость прокладывать слой изоляции отсутствует. В некоторых случаях, например, когда рабочее напряжение, на которое рассчитана электрическая машина, невелико, изоляцию между слоями можно не прокладывать ни в каком из пазов.From figures 9, 10, 17, 18 it can be seen that in some grooves there are coils in four layers belonging to different phases, and in some grooves there are coils in four layers belonging to one phase. So, in the grooves numbered 1, 4, 7, 10, 13, 16 in the first and second layers and in the third and fourth layers there are coils belonging to different phases. Therefore, for these grooves, it is recommended to lay an insulation layer of electrical cardboard, synthoflex or other suitable insulating material between the second and third layers. In grooves 2, 3, 5, 6, 8, 9, 11, 12, 14, 15, 17, 18 in the first and second layers and in the third and fourth layers there are coils belonging to the same phase. Therefore, in these grooves between the second and third layers, there is no need to lay a layer of insulation. In some cases, for example, when the operating voltage for which the electrical machine is designed is low, the insulation between the layers may not be laid in any of the grooves.

Все катушки, относящиеся к одной фазе, могут быть соединены между собой последовательно. Однако не все катушки, относящиеся к одной фазе, могут быть соединены параллельно. Рассмотрим на примере фазы С возможные способы соединения катушек. Катушки C1Z1 и C'1Z'1 могут быть соединены между собой как последовательно, так и параллельно. Аналогично катушки C3Z3 и C'3Z'3 могут быть соединены между собой как последовательно, так и параллельно и C4Z4 и C'4Z'4 могут быть соединены между собой как последовательно, так и параллельно. Однако общая катушка для C1Z1 и C'1Z'1 и общая катушка для C3Z3 и C'3Z'3, и общая катушка для C4Z4 и C'4Z'4 могут быть соединены между собой только последовательно. Также катушки C2Z2 и C'2Z'2 могут быть соединены между собой как последовательно, так и параллельно, катушки C5Z5 и C'5Z'5 могут быть соединены между собой как последовательно, так и параллельно, и катушки C6Z6 и C'6Z'6 могут быть соединены между собой как последовательно, так и параллельно. Однако общая катушка для C2Z2 и C'2Z'2 и общая катушка для C5Z5 и C'5Z'5, и общая катушка для C6Z6 и C'6Z'6 могут быть соединены между собой только последовательно. Таким образом, получаем две группы катушек: 1) C1Z1, C'1Z'1, C3Z3, C'3Z'3, C4Z4, C'4Z'4, и 2) C2Z2, C'2Z'2, C5Z5, C'5Z'5, C6Z6, C'6Z'6. Данные группы катушек могут быть соединены между собой как последовательно, так и параллельно.All coils belonging to the same phase can be connected in series. However, not all coils belonging to the same phase can be connected in parallel. Consider, using the example of phase C, possible ways to connect coils. Coils C1Z1 and C'1Z'1 can be connected either in series or in parallel. Similarly, coils C3Z3 and C'3Z'3 can be connected to each other in series or in parallel, and C4Z4 and C'4Z'4 can be connected to each other in series or in parallel. However, the common coil for C1Z1 and C'1Z'1 and the common coil for C3Z3 and C'3Z'3 and the common coil for C4Z4 and C'4Z'4 can only be connected in series. Also, coils C2Z2 and C'2Z'2 can be connected to each other both in series and in parallel, coils C5Z5 and C'5Z'5 can be connected to each other both in series and in parallel, and coils C6Z6 and C'6Z'6 can be connected to each other both in series and in parallel. However, the common coil for C2Z2 and C'2Z'2 and the common coil for C5Z5 and C'5Z'5 and the common coil for C6Z6 and C'6Z'6 can only be connected in series. Thus, we get two groups of coils: 1) C1Z1, C'1Z'1, C3Z3, C'3Z'3, C4Z4, C'4Z'4, and 2) C2Z2, C'2Z'2, C5Z5, C'5Z '5, C6Z6, C'6Z'6. These groups of coils can be connected to each other both in series and in parallel.

Аналогичное правило соединения катушек относится к фазам А и В.A similar rule for connecting coils applies to phases A and B.

На фигурах 9, 10, 17, 18 показано расположение катушек статора, состоящего из восемнадцати пазов и зубцов. Такая электрическая машина будет иметь восемь полюсов. Если симметричным образом продолжить укладку катушек, то можно получить статор, состоящий из 36 пазов (это 16-полюсная машина), 54 пазов (это 24- полюсная машина), 72 пазов (это 32- полюсная машина) и т. д.Figures 9, 10, 17, 18 show the location of the stator coils, consisting of eighteen slots and teeth. Such an electric machine will have eight poles. If we continue to stack the coils in a symmetrical manner, we can get a stator consisting of 36 slots (this is a 16-pole machine), 54 slots (this is a 24-pole machine), 72 slots (this is a 32-pole machine), etc.

На фиг. 21 показан эскиз магнитной системы электрической машины без обмотки, статор которой имеет 72 зубца, а количество полюсов составляет 32.In FIG. 21 shows a sketch of the magnetic system of an unwinding electric machine whose stator has 72 teeth and the number of poles is 32.

Применение предлагаемой обмотки позволяет:The use of the proposed winding allows:

1. Повысить энергоэффективность электрических машин с постоянными магнитами по сравнению со случаем применения сосредоточенной обмотки в таких машинах; результат достигается тем, что уменьшается паразитное влияние некоторых гармоник поля, что приводит к уменьшению потерь на вихревые токи в постоянных магнитах ротора, а также к уменьшению пульсаций электромагнитного момента и, как следствие, к уменьшению шумов и вибраций при работе электрической машины.1. To increase the energy efficiency of electric machines with permanent magnets in comparison with the case of using lumped winding in such machines; the result is achieved by reducing the parasitic effect of some field harmonics, which leads to a decrease in eddy current losses in the permanent magnets of the rotor, as well as to a decrease in the ripple of the electromagnetic torque and, as a result, to a decrease in noise and vibration during the operation of the electric machine.

2. Повысить энергоэффективность электрических машин с постоянными магнитами по сравнению со случаем применения сосредоточенной обмотки в таких машинах; результат достигается тем, что уменьшается число пар полюсов в электрической машине и, как следствие, уменьшается рабочая частота тока в обмотке статора при достижении заданной скорости вращения ротора, что приводит к снижению потерь в стали статора электрической машины.2. To increase the energy efficiency of electric machines with permanent magnets in comparison with the case of using lumped winding in such machines; The result is achieved by reducing the number of pole pairs in the electric machine and, as a result, the operating frequency of the current in the stator winding decreases when a given rotor speed is reached, which leads to a decrease in losses in the stator steel of the electric machine.

3. Повысить удельные характеристики электрических машин с постоянными магнитами по сравнению со случаем применения сосредоточенной обмотки в таких машинах; результат достигается тем, что возрастает коэффициент заполнения паза статора и, как следствие, возрастает число ампер-витков в каждой катушке, вращающий момент и полезная мощность электрической машины без увеличения её габаритов.3. To increase the specific characteristics of electric machines with permanent magnets in comparison with the case of using lumped winding in such machines; the result is achieved by increasing the filling factor of the stator slot and, as a result, increasing the number of ampere-turns in each coil, the torque and the useful power of the electric machine without increasing its dimensions.

4. Упростить технологию изготовления статорных обмоток электрических машин с постоянными магнитами по сравнению со случаем применения сосредоточенной обмотки в таких машинах; результат достигается тем, что применяется открытый паз статора, в который погружается предварительно изготовленная на оправках катушка (в электрических машинных с сосредоточенной обмоткой паз является полузакрытым, поэтому погрузить в такой паз катушку целиком не получается, приходится протягивать витки катушки по одному проводнику).4. To simplify the technology of manufacturing stator windings of electric machines with permanent magnets in comparison with the case of using a lumped winding in such machines; the result is achieved by using an open stator groove, into which a coil pre-made on mandrels is immersed (in electric machine machines with a concentrated winding, the groove is half-closed, therefore it is not possible to immerse the entire coil in such a groove, it is necessary to stretch the coil turns along one conductor).

5. Увеличить надёжность и долговечность электрических машин с постоянными магнитами; результат достигается тем, что при погружении предварительно изготовленных катушек, у которых лобовые части имеют жёсткую форму, а рабочие участки остаются гибкими и способными к незначительной деформации, в открытый паз не происходит повреждений изоляционного слоя обмоточного провода, из которого изготовлена катушка (это позволяет избежать скорого старения провода, увеличить его ресурс, а также избежать пробоев изоляции и коротких замыканий).5. Increase the reliability and durability of electric machines with permanent magnets; The result is achieved by the fact that when prefabricated coils are immersed, in which the frontal parts have a rigid shape, and the working sections remain flexible and capable of slight deformation, no damage occurs to the insulating layer of the winding wire from which the coil is made (this avoids an early aging of the wire, increase its resource, as well as avoid insulation breakdowns and short circuits).

Перечисленные выше преимущества в равной степени относятся к 2-х, 4-х и 8-мислойным обмоткам.The advantages listed above apply equally to 2-, 4- and 8-layer windings.

В случае организации 2-х слоёв в статорной обмотке размер лобовой части обмотки будет на 27% превышать размер лобовой части 4-хслойной обмотки и на 47% превышать размер лобовой части 8-мислойной обмотки, следовательно, её сопротивление (по сравнению со случаем 4-х или 8-ми слоёв) будет выше, что приведет к увеличению потерь в обмотке, однако в случае 2-хслойной обмотки трудоёмкость изготовления обмотки наименьшая (так как число катушек наименьшее). То есть чем меньше слоёв, тем проще изготовление, но выше джоулевы потери в обмотке. Компромиссным вариантом можно считать 4 слоя (этот вариант подробно представлен на фигурах).In the case of organizing 2 layers in the stator winding, the size of the frontal part of the winding will be 27% larger than the size of the frontal part of the 4-layer winding and 47% larger than the size of the frontal part of the 8-layer winding, therefore, its resistance (compared to the case of 4- x or 8 layers) will be higher, which will lead to an increase in losses in the winding, however, in the case of a 2-layer winding, the complexity of manufacturing the winding is the smallest (since the number of coils is the smallest). That is, the fewer layers, the easier it is to manufacture, but the higher the Joule losses in the winding. 4 layers can be considered a compromise option (this option is presented in detail in the figures).

Claims (5)

1. Статорная катушка, имеющая лобовые части и рабочие участки, отличающаяся тем, что ее лобовые части имеют жесткую форму, а рабочие участки остаются гибкими и способными к деформации, достаточной для обеспечения погружения катушки в пазы статора без повреждения изоляционного слоя провода, при этом сечение катушки в рабочем участке, расположенном внутри паза статора, имеет форму прямоугольника и равно сечению катушки в лобовой части, расположенной за пределами статорного пакета, таким образом, что высота прямоугольного сечения в рабочем участке катушки равна ширине прямоугольного сечения в лобовой части катушки, а ширина прямоугольного сечения в рабочем участке катушки равна высоте прямоугольного сечения в лобовой части катушки.1. A stator coil having frontal parts and working sections, characterized in that its frontal parts have a rigid shape, and the working sections remain flexible and capable of deformation sufficient to ensure that the coil is immersed in the stator grooves without damaging the insulating layer of the wire, while the cross section coil in the working section located inside the stator groove has the shape of a rectangle and is equal to the section of the coil in the frontal part located outside the stator package, so that the height of the rectangular section in the working section of the coil is equal to the width of the rectangular section in the frontal part of the coil, and the width of the rectangular section in the working section of the coil is equal to the height of the rectangular section in the frontal part of the coil. 2. Магнитная система электрической машины, включающая в себя ротор с постоянными магнитами и статор с открытым пазом и трехфазной обмоткой, катушки которой уложены в пазы в четное количество слоев, отличающаяся тем, что обе секции каждой катушки многофазной многослойной статорной обмотки расположены в пазах статорного пакета с шагом не менее двух зубцов таким образом, что находятся на одинаковом расстоянии от оси вращения ротора и подключены в электрическую схему так, что на 4 полюса ротора приходится не менее 9 зубцов статора, при этом каждая статорная катушка выполнена по п. 1.2. The magnetic system of an electric machine, including a rotor with permanent magnets and a stator with an open slot and a three-phase winding, the coils of which are laid in the slots in an even number of layers, characterized in that both sections of each coil of the multi-phase multilayer stator winding are located in the slots of the stator pack with a pitch of at least two teeth in such a way that they are at the same distance from the axis of rotation of the rotor and are connected to the electrical circuit so that there are at least 9 stator teeth per 4 poles of the rotor, while each stator coil is made according to claim 1. 3. Магнитная система по п. 2, отличающаяся тем, что катушки уложены в пазы в 2 слоя, 4 слоя или 8 слоев.3. The magnetic system according to claim 2, characterized in that the coils are laid in grooves in 2 layers, 4 layers or 8 layers. 4. Способ увеличения надежности и долговечности электрических машин с постоянными магнитами, состоящий в том, что используются катушки по п. 1, у которых лобовые части имеют жесткую форму, а рабочие участки остаются гибкими и способными к деформации, достаточной для обеспечения погружения катушки в пазы статора без повреждения изоляционного слоя провода.4. A method for increasing the reliability and durability of electric machines with permanent magnets, consisting in the fact that coils according to claim 1 are used, in which the frontal parts are rigid, and the working areas remain flexible and capable of deformation sufficient to ensure that the coil is immersed in the grooves stator without damaging the insulation layer of the wire. 5. Способ изготовления статорных обмоток электрических машин с постоянными магнитами, состоящий в том, что применяется открытый паз статора, в который погружаются предварительно изготовленные на оправках катушки, причем каждая статорная катушка выполнена по п. 1.5. A method for manufacturing stator windings of electric machines with permanent magnets, consisting in the fact that an open stator slot is used, into which coils pre-made on mandrels are immersed, each stator coil being made according to claim 1.
RU2022114336A 2022-05-27 2022-05-27 Magnetic system of an electric machine with a multilayer ultra-compact winding RU2794201C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2023/050126 WO2023229500A1 (en) 2022-05-27 2023-05-26 Magnetic system of an electrical machine with a multi-layered ultra-compact winding

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2023102761A Division RU2801463C1 (en) 2023-02-07 Magnetic system of an electric machine with a multilayer ultra-compact winding

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2794201C1 true RU2794201C1 (en) 2023-04-12

Family

ID=

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1280672A1 (en) * 1983-03-21 1986-12-30 Научно-Исследовательский Проектно-Конструкторский И Технологический Институт Тяжелого Электромашиностроения Харьковского Завода "Электротяжмаш" Им.В.И.Ленина Winding coil for electric machine
SU1473012A1 (en) * 1986-12-02 1989-04-15 Ташкентский институт инженеров железнодорожного транспорта Dc electric machine stator
WO2005050816A2 (en) * 2003-11-24 2005-06-02 Tm4 Inc. Dynamoelectric machine stator and method for mounting prewound coils thereunto
RU2316878C2 (en) * 2003-08-09 2008-02-10 Данфосс А/С Method for manufacturing electric motor winding
US20140015348A1 (en) * 2012-07-13 2014-01-16 Sinoelectric Powertrain Corporation Electric motors with double layer formed coil lapped winding
US20140145540A1 (en) * 2011-04-05 2014-05-29 ELAPHE, company for the development and sale of electric vehicles and energy resources iskih Ltd. Compact multiphase wave winding of a high specific torque electric machine

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1280672A1 (en) * 1983-03-21 1986-12-30 Научно-Исследовательский Проектно-Конструкторский И Технологический Институт Тяжелого Электромашиностроения Харьковского Завода "Электротяжмаш" Им.В.И.Ленина Winding coil for electric machine
SU1473012A1 (en) * 1986-12-02 1989-04-15 Ташкентский институт инженеров железнодорожного транспорта Dc electric machine stator
RU2316878C2 (en) * 2003-08-09 2008-02-10 Данфосс А/С Method for manufacturing electric motor winding
WO2005050816A2 (en) * 2003-11-24 2005-06-02 Tm4 Inc. Dynamoelectric machine stator and method for mounting prewound coils thereunto
US20140145540A1 (en) * 2011-04-05 2014-05-29 ELAPHE, company for the development and sale of electric vehicles and energy resources iskih Ltd. Compact multiphase wave winding of a high specific torque electric machine
US20140015348A1 (en) * 2012-07-13 2014-01-16 Sinoelectric Powertrain Corporation Electric motors with double layer formed coil lapped winding

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11843295B2 (en) Flat-wire continuous wave-wound staggered winding and stator comprising the same
US10320255B2 (en) Wave winding having a low cogging torque, stator and electric machine comprising a wave winding of said type
US8471428B2 (en) Rotating electrical machine
EP4135165B1 (en) Motor stator, motor, and vehicle
JP6094149B2 (en) Wave winding of three-phase rotating electric machine
JP5235634B2 (en) Manufacturing method of rotating electrical machine
US10756587B2 (en) Polyphase AC electric motor
RU2794201C1 (en) Magnetic system of an electric machine with a multilayer ultra-compact winding
RU2801463C1 (en) Magnetic system of an electric machine with a multilayer ultra-compact winding
JP5072502B2 (en) Rotating motor
JP6089593B2 (en) Wave winding of three-phase rotating electric machine
EP3340439B1 (en) Voltage balanced winding pattern for an electric machine with a minimal number of connections and method for assembly of such winding
WO2023229500A1 (en) Magnetic system of an electrical machine with a multi-layered ultra-compact winding
CN214412445U (en) Motor stator winding, motor stator and motor
TWI548180B (en) Variable frequency motor device
CN114552810A (en) Stator module, motor with same and vehicle
JP5997558B2 (en) Rotating electric machine
JP5172439B2 (en) Rotating electric machine stator and rotating electric machine
CN112703663A (en) Toothed coil and method for producing a toothed coil
EP4231506A1 (en) Flat wire stator and motor
CN219372124U (en) Winding structure of flat wire motor stator
US20230198330A1 (en) Rotating electric machine
CN214543852U (en) Motor stator winding, motor stator and motor
US20220149686A1 (en) Armature winding of rotating electrical machine, and rotating electrical machine
US11901782B2 (en) Magnetically active unit of a rotating multiphase electric machine