一种三相扁线电机电枢绕组
阅读说明：本技术 一种三相扁线电机电枢绕组 (Three-phase flat wire motor armature winding ) 是由 蔡甲春 彭建平 魏琼 汪聪 于 2021-07-19 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种三相扁线电机电枢绕组,包括铁芯、槽绝缘件和三相绕组；铁芯为圆环状结构,铁芯的内壁形成有多个安装槽；槽绝缘件包括多个绝缘单管,每一绝缘单管插设于对应的安装槽中；三相绕组包括3个单相绕组和中性点汇流条,每一单相绕组包括相支路绕组,相支路绕组包括两个串联的层绕组,两个层绕组分别沿不同方向绕设于铁芯上且均为波绕组,层绕组穿过铁芯的部分层叠设置于绝缘单管内,相支路绕组的首端和尾端均位于相支路绕组同一侧的外侧边缘,三个单相绕组对应的相支路绕组的尾端通过中性点汇流条电连接；本申请成型元件品种少,成型工艺难度小,元件成型设备和工装少,易于实现工业化。(The invention relates to a three-phase flat wire motor armature winding, which comprises an iron core, a slot insulating part and a three-phase winding, wherein the iron core is provided with a plurality of slots; the iron core is of a circular structure, and a plurality of mounting grooves are formed in the inner wall of the iron core; the groove insulating part comprises a plurality of insulating single tubes, and each insulating single tube is inserted into the corresponding mounting groove; the three-phase winding comprises 3 single-phase windings and a neutral point bus bar, each single-phase winding comprises a phase branch winding, each phase branch winding comprises two layer windings connected in series, the two layer windings are respectively wound on the iron core along different directions and are both wave windings, the part of each layer winding penetrating through the iron core is stacked in the insulating single tube, the head end and the tail end of each phase branch winding are both positioned on the outer side edge of the same side of the corresponding phase branch winding, and the tail ends of the phase branch windings corresponding to the three single-phase windings are electrically connected through the neutral point bus bar; the molding element has the advantages of few varieties, small molding process difficulty, few element molding equipment and tools and easy realization of industrialization.)
技术领域
本发明涉及扁线电枢绕组技术领域，具体涉及一种三相扁线电机电枢绕组。
背景技术
驱动电机电枢总成是新能源汽车驱动电机上的一个核心部件，其综合性能直接决定驱动电机驱动特性和使用可靠性，影响整车动力性及续航里程。
传统驱动电机绕组采用圆形漆包导线，由于槽满率偏低使电机功率密度偏低。扁线电机采用的导体截面是矩形的漆包线，俗称扁线，因扁线在电枢槽内排列更加紧密有利于减少槽内导体之间缝隙，使电枢绕组到铁芯之间热流传导热阻相应降低，提升了绕组散热能力；同时因较大幅度提高电枢槽满率，增大了槽中导体铜面积，从而提高电机输出能力；扁线电枢显著优势体现在电机功率密度更高，电机体积更紧凑、更节约材料。反映在整车上，扁线电机能提供更强劲的动力和加速性能，更长的续航里程和更优越的NVH性能。
扁线绕组成型方式多样，分S型成型和劈拉成型。元件插入方式也分从非出线端插入和从出线端插入两种方式。从出线端插入需多种成型元件，包括出线半元件、基本元件和异形元件。电枢电气连接采用两侧焊接方式，接线端焊接接线片、引出线和汇流条。另一端则在元件插入后再进行适当角度扭型，将对应焊接元件边扭型至同一位置，然后通过焊接进行电气连接；此种插入方式因采用出线半元件、基本元件和异形元件，元件品种多，电枢元件成型、插入复杂，汇流条占用空间大，工艺性差。因采用异形元件，电枢绕组元件成型过程曲率大、弯折应力过大，极易造成漆皮撕裂现象；同时因扁铜线机械性能的差异和成型工艺不稳定的影响，极易造成异形元件成型同其他元件形状不一致性，导致电枢多层元件之间间隙不均匀，极易造成电枢端部电晕发生、甚至形成匝间短路，造成电枢早期失效故障。为了减少此类风险，可在绕组端部多层元件的两元件之间放置一层绝缘纸进行匝间绝缘处理，同时提升耐电晕性能。由于端部层间增加绝缘纸，使元件层与层之间径向间隙被绝缘纸阻隔，影响电机端部喷油冷却效果；此方法仅适用于间接冷却的电机，不适用于直接冷却油冷电机。但由于扁线电机层数过多，元件之间放置绝缘纸本身就非常困难，此种方法工艺性较差。
发明内容
基于上述表述，本发明提供了一种三相扁线电机电枢绕组，以解决现有技术中扁线电枢绕组机械性能差且成型工艺不稳定的技术问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种三相扁线电机电枢绕组，包括铁芯、槽绝缘件和三相绕组；
所述铁芯为圆环状结构，所述铁芯的内壁沿其径向向外侧延伸形成有多个安装槽，多个所述安装槽沿所述铁芯的轴线周向间隔均匀分布且贯穿所述铁芯的两个侧端面；
所述槽绝缘件包括多个与所述安装槽一一对应的绝缘单管，每一所述绝缘单管沿所述安装槽的长度方向插设于对应的所述安装槽中；
所述三相绕组包括3个单相绕组和中性点汇流条，每一所述单相绕组包括相支路绕组，所述相支路绕组包括两个串联的层绕组，两个层绕组分别沿不同方向绕设于所述铁芯上且均为波绕组，所述层绕组穿过铁芯的部分层叠设置于所述绝缘单管内，所述相支路绕组的首端和尾端均位于所述相支路绕组同一侧的外侧边缘，三个所述单相绕组对应的所述相支路绕组的尾端通过中性点汇流条电连接。
与现有技术相比，本申请的技术方案具有以下有益技术效果：
本申请提供的三相扁线电机电枢绕组，成型元件品种少，成型工艺难度小，元件成型设备和工装少，易于实现工业化；元件一致性好，节省层间绝缘，层绕组内部同层元件和相邻两层元件之间电气间隙大，形成端部多层网状结构，增大了绕组端部元件散热表面积有利于电机端部散热冷却，另外，由于相支路绕组的首端和尾端均位于所述相支路绕组同一侧的外侧边缘，三个所述单相绕组对应的所述相支路绕组的尾端通过中性点汇流条电连接，使每个绕组的非出线端扭型高度低，减小了电枢长度节省铜材，中性点汇流条的位置分布合理，待焊接区域小、占用空间小，电枢引出线布置灵活。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步的，所述层绕组包括从外至内层叠设置的元件单元绕组，所述元件单元绕组由多个线圈元件依次电气连接形成，位于外侧的元件单元绕组的终止端与位于内侧的相邻元件单元绕组的起始端电气连接。
进一步的，每一所述线圈元件包括第一引出端、上元件边、下元件边、连接部和第二引出端，所述第一引出端和所述第二引出端分别对应连接于所述上元件边和所述下元件边的同一端，所述连接部两端分别对应连接所述上元件边和所述下元件边的另一端，所述上元件边和所述下元件边分别插设于不同的所述绝缘单管中，且分别位于相邻的两个层中，所述连接部的中部扭折形成S形。
进一步的，每一所述元件单元绕组包括M个线圈元件，M为不小于4的偶数，M个线圈元件的上元件边和下元件边分别位于2M个安装槽内。
进一步的，每一单相绕组包括两个相支路绕组，同一单相绕组的两个相支路绕组并联且间隔一个槽距设置。
进一步的，两个相邻的相支路绕组在所述铁芯上空两个安装槽，每一所述相支路绕组的首端连接对应相的接线汇流条。
进一步的，同一所述相支路绕组内两个串联的层绕组通过换向汇流条连接，所述换向汇流条位于相支路绕组的内侧边缘。
进一步的，所述安装槽的槽口位置处设有槽楔，以用于所述绝缘单管的位置加固；所述安装槽的槽口为倒角式槽口，所述槽口的形状与所述槽楔相匹配。
采用上述技术方案后，绕组相邻元件电位梯度较小，尤其是电枢内侧端部出槽口部位元件电位降低较多，有效地降低了槽口绝缘的电场强度。尽管槽口部位元件弯折造成表面不均匀的电场分布，因槽口绝缘局部电场强度较低，有效抑制局部放电风险，提升绕组绝缘安全性能和电机绕组运行可靠性采用非均匀气隙设计，改善了气隙磁场分布，降低了气隙磁阻变化梯度，降低了电机齿槽转矩，提升NVH性能。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种三相扁线电机电枢绕组的结构示意图；
图2为铁芯的俯视示意图；
图3为安装槽机器内部元件的安装结构示意图；
图4为图1的侧视图；
图5为元件单元绕组的结构示意图；
图6为线圈元件的结构示意图；
图7为相邻元件单元绕组的连接结构示意图；
图8为同一相支路绕组内两个层绕组的连接示意图；
图9为相支路绕组的电路连接简图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、铁芯；2、三相绕组；3、绝缘单管；11、安装槽；12、槽楔；21、相支路绕组；22、层绕组；23、中性点汇流条；24、换向汇流条；25、接线汇流条；221、元件单元绕组；222、线圈元件；221a、普通焊点；221b、移位焊点；2221、第一引出端；2222、上元件边；2223、连接部；2224、下元件边；2225、第二引出端。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
可以理解，空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可以用于描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。此外，器件也可以包括另外地取向(譬如，旋转90度或其它取向)，并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。
在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。
如图1所示，本申请提供了一种三相扁线电机电枢绕组，其包括铁芯1、槽绝缘件和三相绕组2。
其中，参见图2和图3，所述铁芯1为圆环状结构，所述铁芯1的内壁沿其径向向外侧延伸形成有多个安装槽11，多个所述安装槽11沿所述铁芯1的轴线周向间隔均匀分布且贯穿所述铁芯1的两个侧端面。
所述槽绝缘件包括多个与所述安装槽11一一对应的绝缘单管3，每一所述绝缘单管3沿所述安装槽11的长度方向插设于对应的所述安装槽11中。
在本实施例中，铁芯上形成有96个安装槽11，对应的，绝缘单管3的数目也为96个。
优选的，所述安装槽11的槽口位置处设有槽楔12，以用于所述绝缘单管3的位置加固；其中，所述安装槽11的槽口为倒角式槽口，所述槽口的形状与所述槽楔相匹配。
结合图4所示，三相绕组2包括三个单相绕组和中性点汇流条23，具体的，每一所述单相绕组包括相支路绕组21，所述相支路绕组21包括两个串联的层绕组22，两个层绕组22分别沿不同方向绕设于所述铁芯1上且均为波绕组，可以理解的是，本申请所提及的不同方向，指的是，沿电流流通的方向，一个层绕组为从外侧向里侧依次层叠绕设，另一个层绕组为从里侧向外侧依次层叠绕设，这样就形成了两个沿不同方向绕设的层绕组22，也称作为正向层绕组和反向层绕组。
优选的，同一所述相支路绕组21内两个串联的层绕组22通过换向汇流条24连接，所述换向汇流条24位于相支路绕组21的内侧边缘。
结合图5和图7，所述层绕组22穿过铁芯1的部分层叠设置于所述绝缘单管3内，具体的，所述层绕组22包括从外至内层叠设置的元件单元绕组221，所述元件单元绕组221由多个线圈元件222依次电气连接形成，位于外侧的元件单元绕组221的终止端与位于内侧的相邻元件单元绕组221的起始端电气连接。
其中，绝缘单管3内部层叠元件单元绕组221的层数可以根据实际情况进行增减，另外，每个元件单元绕组221内部线圈元件222的数目也可以根据实际情况设计确定。
其中，如图6所示，线圈元件222作为绕组的基本组成单元，其包括第一引出端2221、上元件边2222、连接部2223、下元件边2224和第二引出端2225，所述第一引出端2221和所述第二引出端2225分别对应连接于所述上元件边2222和所述下元件边2224的同一端，所述连接部2223两端分别对应连接所述上元件边2222和所述下元件边2224的另一端，所述上元件边2222和所述下元件边2224分别插设于不同的所述绝缘单管3中，且分别位于相邻的两个层中，所述连接部2223的中部扭折形成S形。
在本申请的实施例中，每一所述元件单元绕组221包括8个线圈元件222，8个线圈元件222的上元件边2222和下元件边2223分别位于16个安装槽内。
其中绕组型式为波绕组，元件单元绕组221绕行一周后回到起始安装槽位置，即元件单元绕组221的首端和末端位于同一圆周方向空间位置，首末端紧紧相邻，首端位于下层，末端位于上一层。
具体的，最外层的起始线圈元件222的下元件边2223作为出线元件边，位于第一层，该线圈元件222的上元件边2222位于第二层，且该线圈元件222的第一引出端2221与下一线圈元件222的第二引出端2225焊接，下一线圈元件222的下元件边2223位于第一层，依次类推，串联共8个线圈元件构成元件单元绕组221，对于非出现槽内的元件边，总是保证由位于偶数层的前一线圈元件222的上元件边2222焊接位于奇数层的后一线圈元件222的下元件边2223，我们规定，像这样在同一元件单元绕组221内部进行电气连接的焊点为普通焊点221a。
其中，每一层最末端的线圈元件222的上层边2222位于偶数层，相邻内侧元件单元绕组221的起始线圈元件222的下元件边2223位于奇数层，对应的第一引出端2221和第二引出端2225焊接，即形成了外侧的元件单元绕组221与相邻内侧的元件单元绕组221之间的连接，其中，我们规定，像这样由每一元件单元绕组221末端线圈元件222的下元件边2223连接向下一奇数层的下一元件单元绕组221起始线圈元件222的上元件边2222的焊点，即连接相邻元件单元绕组221的焊点为移位焊点221b，移位焊点221b出现在元件单元绕组221的首末端，即出线元件边对应的元件边之间，实现相邻元件单元绕组221之间的跨越以进行电气连接。
因而可知，为了实现元件单元绕组221的连接和层绕组22的成型，每一个元件单元绕组221需要7个普通焊点221a和1个移位焊点221b。
在本申请的实施例中，层绕组22由四个元件单元绕组221依次串联形成。
例如，在本申请优选的实施例中，如图8所示，每个层绕组22包括4个层叠设置的元件单元绕组221，同一相支路绕组21内的两个层绕组22间隔安装于所述铁芯上，换向汇流条24的一端连接前一层绕组22末端线圈元件222的上元件边2222和后一层绕组22末端线圈元件222的上元件边2222，进而实现了两个层绕组22的串联。
为了保证不同相的层绕组22可以有效串联，可以对层绕组22在铁芯圆环上的分布位置做适应性变化，例如在本实施例中，两个层绕组之间的距离可以设置为两种形式，一种为长距采用长汇流条连接，另一种为短距采用短汇流条连接，具体的，长汇流条与短汇流条相邻，短汇流条相对长汇流条短2个槽距，且位于长汇流条的内侧。
本实施例的相支路绕组21的电路连接简图如图9所示，另外，所述相支路绕组21的首端和尾端均位于所述铁芯1同一侧的外侧边缘，三个所述单相绕组对应的所述相支路绕组21的尾端通过中性点汇流条电连接。
按照上述方法连接后，每个单相绕组的末端即为中性点，且均位于该单相绕组的的外侧边缘，因而三个单相绕组的末端可以采用同一根中性点汇流条电连接。
在本申请优选的实施例中，每一单相绕组包括两个相支路绕组21，同一单相绕组的两个相支路绕组21并联且间隔一个槽距设置，这样两个相支路绕组21的出线元件边相邻设置，两个相邻的相支路绕组21在所述铁芯1上空两个安装槽11，每一所述相支路绕组21的首端连接对应相的接线汇流条25，组成对称的三相绕组，这样就构成了扁线电枢绕组。
本实施例提供的三相扁线电机电枢绕组至少具有如下优点：
(1)三相绕组采用的基本元件少，只由线圈元件、中性点汇流条、换向汇流条和接线汇流条组成，成型工艺难度小，元件成型设备和工装少，易于实现工业化量产。
(2)所有的线圈元件的引出端位于铁芯同侧，可以实现线圈元件的同侧插入，取消异形元件的使用，元件成型品种数量大大减少，成型模具费用显著降低，工艺难度可大幅度降低，有效提高扁线绕组成型工艺性。
(3)元件一致性好，节省层间绝缘，且由于线圈元件的连接部全部位于铁芯的同一侧，三相绕组的端部同层元件和相邻两层元件之间电气间隙大，形成端部多层网状结构，增大了绕组端部元件散热表面积，有利于电机端部散热冷却，具体的，如配合电机冷却油介质对绕组端部直接冷却，网状孔有利于冷却油从绕组端部外侧向内侧流动，从而改善冷却效果，可极大地提高了电机持续功率和功率密度，有效地实现电机轻量化。
(4)绕组非引出端扭型高度低，减小了电枢长度节省铜材，中性点汇流条、换向汇流条和接线汇流条的焊接分布区域小、占用空间小，电枢引出线布置灵活。
(5)该结构绕组相邻元件电位梯度较小，尤其是电枢内侧端部出槽口部位元件电位降低较多，有效地降低了槽口绝缘的电场强度；因槽口绝缘局部电场强度较低，有效抑制局部放电风险，提升绕组绝缘安全性能和电机绕组运行可靠性。
(6)采用非均匀气隙设计，改善了气隙磁场分布，降低了气隙磁阻变化梯度，降低了电机齿槽转矩，提升NVH性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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