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永磁同步电机扁线6层定子绕制嵌线技术研究

2024-05-21 27 上传者：管理员

摘要：驱动电机关乎着汽车的动力性能和能源转换效率，永磁同步扁线电机因其大扭矩、恒功率、强磁场等优势逐步成为新能源汽车的首选。文章通过分析扁线多层电机的性能参数，以永磁同步扁线6层定子电机为例，采用叠绕组和波绕组两种绕制方式展开绕组绘制图，对6层定子绕组接线方式进行了细致分析，得出叠绕短距绕制时节省端部用铜，但引接线比较杂乱且最后线圈嵌线较困难；波绕组虽引接线整齐美观，但短距绕制时不能节省端部用铜量，据此解读了扁线电机定子绕组的嵌线技术，力求解决职业院校教学中的难点和汽车维修技术上的难题。

关键词：
定子绕组
嵌线技术
扁线电机
永磁同步电机
驱动电
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我国驱动电机制造技术不断提高，伴随着对驱动电机“小、轻、高”的要求不断提高，由扁铜线绕制的驱动电机深受国内外厂家的青睐[1]。许多学者在研究定子绕组嵌线技术上，主要以三相异步电机为例，绕制方法大多选择单层链式、同心式、交叉式进行研究，通过将嵌线规律整理成口诀，便于记忆和学习，对职业院校教学和汽车维修行业都产生一定的影响[2,3,4]。本文在此基础上，通过对扁线多层电机的性能参数分析，以永磁同步扁线6层电机为例，突破以往的绕制方式，选取叠绕组和波绕组展开绕组绘制图，并对多层绕组连接方式进行了细致分析，据此解读扁线电机定子绕组的嵌线技术，用以解决职业院校难以教学、新能源汽车维修教学难以实施，嵌线技术难以掌握的困境。

1、永磁同步扁线多层电机的优势

永磁同步电机因其具有低速大扭矩、高速恒功率、调速范围宽等工作特性，被广泛应用于新能源汽车驱动系统[5]。扁铜线是永磁同步电机中常用的定子绕组，该绕组能在空间不变的前提下达到70%的槽满率，填充的铜可以增加20%～30%，从而产生更强的磁场强度[6]。随着扁线层数的增加，驱动电机的效率和输出功率也会产生相应变化。永磁同步扁线电机综合了大扭矩、恒功率、强磁场的优势，在新能源汽车中应用广泛。

2、扁线多层电机对电机性能的影响

多层绕组是指一个槽内有多个导体，根据不同工况下永磁同步电机的性能参数可以得出，槽内导体的数量与电机输出转矩、功率密度具有相关性，如图1所示[7]。

从图中峰值特性曲线可以看出，4层、6层、8层的相同峰值持续时间可以表示为4层<6层<8层；恒扭矩区输出功率在低速区可以表示为4层>6层>8层，高速区可以表示为8层>6层>4层。峰值功率、峰值扭矩是电动汽车用驱动电机系统的重要输入输出特性，峰值功率影响前半段加速，峰值扭矩影响后半段加速。由图1可以得出，扁线6层电机相同峰值持续时间优于扁线4层电机，恒扭矩输出功率在低速区、高速区是优于扁线4层电机，虽然与扁线8层电机的工作特性还有些许差距，但已经可以满足新能源汽车驱动电机功率密度、能量密度的相关要求。

图1 4/6/8层电机功率、扭矩对比图

3、永磁同步电机扁线6层定子绕制实例

3.1电机基本参数

以正弦波永磁同步电机为例进行分析与探究，如表1所示。

表1电机基本参数

3.2定子绕组结构与画法分析

永磁同步扁线电机三相定子绕组的线圈个数为3的倍数，有利于线圈在定子绕组中的平均分配[8]。本文绕组结构分析以叠绕式和波绕式两种形式为例。

3.2.1扁线电机绕组的安排

一对极下的各槽导体组成了360°的星形相量图。第二对极下的槽导体基波电动势相量与第一对极的重合在一起[9]。电机有P对极，星形相量图就重复P次。由此可得，48槽扁线电机可以看成4个2极12槽单层电机。

3.2.2槽距角a

定子内圆周按转子旋转方向的顺序给各个槽依次编号（1-48），其关系式为

式中，a为槽距角；P为极对数；Q为定子槽数。

本例中，P=4,Q=48，带入关系式可得：a=4×360°/48=30°，即槽距角为30°。因此，1号槽导体的基波感应电动势在时间上滞后于24号槽基波感应电动势30°电角度，其余槽以此类推。

3.2.3每极每相槽数q

每极下每相所占有的区域为相带。每个相带含有的槽数为每极每相槽数，其关系式为

式中，q为每极每相槽数；P为极对数；m为相数。

本例中，P=4,m=3，带入关系式可得：q=48/2×4×3=2，即每极每相槽数为2。实际的相带可以是大小不等的，但平均相带仍然是60°。

3.2.4线圈极距τ、节距y1

多层绕组是指在每个槽中放置多个线圈边，每个线圈边为一层，绕组线圈一边置于槽的上层，另一边则置于另一个槽的下层，所以线圈总数等于槽数。

两个极相之间的槽距称为极距，用τ表示，其关系式为

式中，τ为极距；Q为定子槽数；P为极对数。

本例中，Q=48,P=4，带入关系式可得：τ=48/2×4=6，即极距为6。

两根导体在定子表面所跨的距离称为节距，用y1表示。电机定子绕组设计要综合考虑对两者的削弱效果，取线圈节距y1=5/6τ。本例中，极距τ=6，用槽数表示的节距为y1=5/6×6=5，即一根线圈两边所跨的槽数为5个槽。

3.2.5画基波电动势星形相量图

基波电动势星形相量图反映了各槽导体中感应电势的相位关系，根据星形相量图可以发现1、13、25、37槽内感应电势相位相同，亦可将8极48槽电机看成是由4个2极12槽单元电机构成，如图2所示。

图2星形相量图

3.2.6绕组的并联支路数

每相有8个极相组，根据实际需要，可以将绕组并联，也可以串联起来。并联绕组的电动势等于一个线圈组的电动势，而总电流则是每一个并联支路电流的两倍[10]。并联支路数最少为1，单层绕组最大并联支路数A=P，双层绕组并联支路数最多A=2P。

3.3扁线电机绕组绘制图

扁线6层定子绕组绕线方式与双层绕组相似，常规绕制分为叠绕组和波绕组两种形式。

3.3.1叠绕组（仅以U相为例）

6层叠绕可以看成是匝数为3的双层绕组[11]，绕法与双层叠绕一样，由最外层向最内侧导体编号为a、b、c、d、e、f，每极下同一个相带中的2个槽内线圈依次串联起来构成一个极相组，最大并联支路数为2×P=8。当采用整距叠绕时，一个槽内所有导体相位相同，U相支路线圈绕制支路如下所示，绘制图如图3所示。接线图如图4所示，接线图中O代表电流流入，X代表电流流出。

图3整距叠绕组绘制图

图4整距叠绕组电动势图（y1=6)

3.3.2波绕式（仅以U相N极为例）

波绕组是指任何两个串联线圈沿线制方向像波浪似地前进。波绕组是依次把同极下线圈串联，每次前进约一对极距（2τ），对整数槽波绕组来说，合成节距Y通常选为一对极距（Z/P）。但当合成节距这样选择时，在绕组串联P个线圈（沿定子绕了一周）后，绕组将回到原来出发的槽号而自行闭合。也就无法将属于同一相的线圈连接起来，为了把所有属于同一相的线圈全部连接起来，每绕完一圈之后，必须人为地前进或后退一个槽，才能使绕组继续地绕下去。U相N极线圈绕制支路如下所示，线圈绘制如图5所示

图5整距波绕组绘制图

3.4扁线电机绕组接线方式

3.4.1整距波绕组

扁线绕组为保证端部整齐美观，引出线相对集中，更有利于Busbar布置，通常采用波绕组接线形式[12]。以永磁同步电机扁线6层为例，电机为4极48槽，将层数由外径向内径依次编号分别为a、b、c、d、e、f，按照绕线次序和并联支路分类，绕组结构A=2，每条支路共6个子绕线段，1根桥接线。

仅以U相N极为例，每极由两个线圈组成，在接线中，将线圈数记为支路1和支路2，线圈接线路径如下所示。

3.4.2短距波绕组

为有效地削弱5次谐波和7次谐波，实际采用时通常使用短距绕法。在前文确定了线圈整距、节距，得出短距节距y1=5，则同一个线圈两边跨距为5，前一个线圈尾端到后一个线圈首端跨距y2=7，合成节距Y=y1+y2=2τ，表示为Y=y1+y2=5+7=12。当波绕组采用Y=2τ时的连接规律为绕组沿电枢表面绕行q圈，把所有上层边的N极下属一相的线圈按一定顺序串联起来构成相绕组的一半，然后再沿电枢表面绕行q圈，把所有上层边的S极下属于同一相的线圈也按同样的规律串联起来，构成相绕组的另一半。这两半之间既可串联，也可并联，当串联时则得A=1，如果并联则得A=2。

按照绕线次序和并联支路分类，绕组结构A=2，以U相N极为例，每条支路共6个子绕线段、1根桥接线，线圈接线路径如下所示。

3.4.3叠绕组和波绕组绕制方式对比

叠绕组短距时可以节省端部用铜，但极相组之间的连线较多，由于极间连线较多，也使得端部引接线排列比较杂乱[13]。嵌线时最后几个线圈嵌线比较困难。波绕组的合成节距关系式为

式中，Y为合成节距；τ为极距；y1为同一个线圈两边跨距；y2为前一个线圈尾端到后一个线圈首端跨距。当y1减小时，y2必然增大，即一端端部缩短时另一端端部必然增大，故短距不能节省端部用铜[14]。波绕组的线圈通常是单匝线圈，且极相组之间的极间连线较少，故引接线排列整齐美观。

4、结语

本文通过对扁线多层电机的性能参数分析，以永磁同步电机扁线6层电机为例，阐述了扁线6层定子绕组的绘图方法，并以叠绕组和波绕组为例展开绕组绘制图，对6层定子绕组的连接方式进行了细致分析。通过对定子绕组的嵌线技术分析，力求解决定子绕组难以教学、新能源汽车维修实训难以实施、嵌线技术难以掌握的困境，同时也能更好地满足驱动电机高速化、高材料、高效率的趋势。

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