扁线电机绕组技术解析（一）

神经蛙t6w6xsil 2022-05-16 发布于辽宁

展开全文

1 背景：

随着汽车驱动电机向高性能、高效率、高功率密度的发展，扁线电机由于其高槽满率、高散热效率及良好的NVH特性，目前已逐渐成为新能源汽车驱动电机推崇的对象。

扁线电机在新能源汽车上的应用起始于美国国家能源部主导的“先进集成驱动系统（DOE）”项目，该项目电机采用三项关键技术，一项是五相绕组、一项是双V磁极结构，另外一项就是扁线电机。在项目初期探索阶段，共产生了两种方案。一种是采用了波绕组+开口槽方案，采用径向嵌线，另外一种是轴向插线的技术，绕组从定子端面插入。两种方案各有优劣，径向嵌线需采用开口槽，会导致齿槽谐波增加，涡流损耗变大；轴向嵌线，插线容易，但插入后焊接端需要后扭曲、成型，焊接接头也多。

2011年DOE项目结题，同时第一款搭载扁线电机的Chevrolet 车型也完成发布。不同与普通的圆线电机，如（图1.1）该电机采用轴向插线的发卡绕组技术，采用半闭口平行槽结构。

图 1.1

这种发卡需要先插入，再用扭弯设备，将开口的一端扭弯成类似“蛙脚”的结构，将不同的蛙脚焊接起来，最后用环氧树脂包裹如（图1.2），实现绝缘增强，该技术使直流电阻下降30~40%。

图 1.2

虽然直流电阻降低，但是它存在缺陷：

1）绕组在高频时产生集肤效应和临近效应。随着转速升高，绕组的交流电阻增大，甚至还会超过圆线方案的电阻。如（图1.3）圆线方案电阻是扁线直流电阻的1.44倍。但当电机转速升高，频率升高时，扁线的交流电阻增加，在8000rpm时超过的圆线电阻。

图 1.3

2）靠近槽口的扁线会产生较大的涡流损耗，使得热量堆积，形成局部热导。如（图1.4）

图 1.4

为了改善上述缺陷通用在后续2014年的Chevrolet Spark和2017年的Chevrolet Blot做了更进一步的优化如（图1.5、1.6）这里就不展开讲了。

图 1.5

图 1.6

2 扁线电机种类及工艺

2.1 按照制造工艺：

2.2 按绕组方式：

（1）波绕组（2）叠绕组（3）集中绕组

2.3 按层数：

4pin、6pin、8pin、10pin、奇数pin

2.4 扁线绕组定子制造工艺

（1）Hair-Pin(如图2.1所示)

插绝缘纸→发卡成型 →插线→端部分离(扩口)→扭头→焊接→滴漆/涂粉→电测

（2）I-Pin

插绝缘纸→插线→端部分离(扩口)→扭头→焊接→滴漆/涂粉→电测

（3）连续波绕组

插绝缘纸→线成型/编线→下线→插槽楔→滴漆→电测

总结：

Hair-pin和I-pin最大区别在于多了一步发卡成型。Hair-pin需要通过劈拉、冲压或者折弯的方式先成型为U型，我们称成型端为皇冠端，另一端为焊接端。而I-pin两端都是焊接端，由于焊接会额外占用径向尺寸，故I-pin在各极相组串并联时会在一端产生异性pin从而占据径向尺寸，导致绕组一端会超定子内径从而使转子只能从常规端入轴。但I-pin的优势在于插线到焊接的工序相对容易，而Hair-pin插线后对线的位置度要求极高，整形困难。而且I-pin无需成型，对漆皮的考验相对较小，扁线的扁平率可以做到很大，以降低扁线的集肤效应。

3 扁线绕组结构原理：

绕组是构成电机的主要部件。电机就是通过感应绕组中的电势和通过绕组的电流来产生电磁功率和电磁转矩，从而达到能量转换的目的。不同的绕组匝数、导体截面、空间分布、连接方式、绝缘等级等绕组结构参数，所体现出的电磁性能、力能指标也不同。所以要分析扁线电机绕组结构的原理与运行，必须对绕组构成和连接规律有基本的了解。

3.1 绕组分类

（1）按线圈层数：单层绕组、双层绕组、单双层绕组、多层绕组（扁线4pin、6pin、8pin等）

（2）按每极每相槽数q：整数槽绕组、分数槽绕组

（3）按绕法：叠绕组、同心绕组、波绕组、链式绕组、交叉式绕组

3.2 绕组构成原则：

（1）最大电势叠加原则：在一定的导体数下，合成的基波(工作波)电势和磁势最大。具体包括：单个线圈的两个线圈边合成的基波电势和磁势最大；各线圈串联以及各线圈组串联时得到的基波合成电势和磁势最大。

（2）非工作谐波最小原则：在一定导体数下，绕组合成磁动势和电动势在波形上力求接近正弦，力求获得较大的基波磁动势和电动势（较大的绕组系数），尽量使谐波含量少

（3）对称原则：每相绕组所占槽数、串联的导体数应相等，各相电阻和电抗要平衡。电枢的总槽数必须能够被相数整除，即Z1/m=整数对于多相绕组，各相电动势和磁动势要对称，电阻电抗要平衡。

（4）经济性原则：绕组产生的电势和磁势只与所连接的导体有关，与连接次序无关，因此绕组用铜量要省，电阻小，损耗小。

（5）工艺性原则：绝缘和机械强度要可靠，散热要好，绕组制造，安装，检修要方便

3.3 绕组结构与画法对比分析：

以驱动电机最常见的三相48槽8极电机为例，先来看下普通电机单层或双层绕组的画法：

（1）电机绕组基本数据：m=3，Z=48,2p=8

（2）计算每极每相槽数：q=48/8/3=2

（3）绘制槽电势星型图：

定子内圆周按转子旋转方向的顺序给六个槽依次编号(1#～48#)，如(图3.1)所示;

定子槽是分布在p·360º的电角度内，相邻两个槽内导体感应电势的相位差就是一个电槽距角，电槽距角α=360/Z*p=360/48*4=30º,则相邻两个槽内导体的感应电势的相位就相差30º电角度，各槽电势用相量图来表示如（图3.2），我们叫槽电势星型图。

槽电势星型图反映了各槽导体中感应电势的相位关系，根据星型图发现1#、13#、25#、37#槽内感应电势相位相同，所以我们可以把8极48槽电机看成由4个2极12槽单元电机构成。

（4）相带划分：

如图（3.3）对于三相绕组，每相的平均相带即为180º/3=60º，当然实际的相带可以是大小不等的，但平均相带仍然是60º。也就是说并不是1#、13#、25#、37#、2#、14#、26#、38#槽内的所有导线都是U相，可能因为线圈采用短距或者长距时使某些导体相位偏移1到2个槽距。

（5）绕组的构成：

一、单层绕组：

单层绕组一般只用于小容量电机，绕线工艺简单，无层间绝缘槽满率高，但绕组波形不够正弦，铁耗噪音较大。对于48槽8极电机来说，每极每相槽数q=2，故U相带中的两个槽(1#和2#)内导体分别与-U相带中的两个槽(7#和8#)内导体连接构成单线圈，但这里就有了三种选择:

a 叠绕组（交叉式绕组）：

如（图3.4）两个单线圈的节距相等，也称等绕组，两线圈的端部一个叠在另一个上面，因此称其为叠绕组。

由于叠绕组的两个单线圈中电势存在相位差，二者不能并联，必须串联，因此这种接法每相只能构成一个极相组，此绕法共4个极相组，因此最大并联支路数为4。绕组展开图（如图3.5），绕组电势图（如图3.6）。（如图3.7）根据仿真得到单匝线圈产生的基波磁动势安匝值为1.22，（如图3.8）根据仿真得到基波绕组因数=分布系数*短距系数1=0.9659

b 同心式绕组：

如（图3.9）两个单线圈的节距不同，2～7的线圈是一个短距线圈，1～8的线圈是一个长距线圈，二者组成了一个像同心圆一样的形状，因此称其为同心绕组。

同心式绕组的两个单线圈一个短距Y1=5，一个长距Y1=7，但平均跨距仍然是6。所以此绕法单匝线圈产生的基波磁动势安匝值为1.22，基波绕组因数0.9659与叠绕组相同。虽然电势相位相同，大小也相同，但由于两个线圈的端部跨距不同，导致两个线圈的直流电阻和端部漏抗就不同，它们之间也只能串联不能并联，最大并联支路数也为4。绕组展开图（如图3.10），绕组电势图（如图3.11）。因为绕组产生的电势和磁势只与所连接的导体有关，与连接次序无关，

c 链式绕组：

如图（3.12）两个单线圈的节距相同，2～7的线圈是一个短距线圈，1～8的线圈同样是一个短距线圈，只不过其端部的跨接与2～7线圈相反，二者组成了一个像链条环一样的形状，因此称之为链式绕组。

链式绕组的两个单线圈一模一样，且都是短距线圈，节距都是Y1=5，其电势大小相等、相位相同，直流电阻和电抗也相同，它们之间即可以串联也可以并联，故此绕法最大并联支路数为8。而且这种接法比前两种的绕组端部跨距短，因此这种绕组端部用铜量会小，可以节省成本，所以我们最常见的单层绕组也才用此绕法。

二、双层绕组：

双层绕组的铁芯槽内每槽均嵌放有两个线圈元件边，当线圈元件的一个线圈边嵌放在某一槽的上层，其另一个线圈边放在另一槽内的上层。因此双层绕组的总线圈个数等于总槽数。

由于是双层绕组，一个槽内有两层导体，所以节距有多种选择。当节距与极距相等时，线圈获得的基波电势最大，此时Y1=τ；但按照非工作谐波最小原则，Y1=τ却并不是一个最好的选择，因为这个选择获得的感应电势通常会存在很大的谐波，因此通常都采用短距，即选取Y1＜τ且Y1≈τ为宜，当Y1≈(5/6)τ时可以同时有效削弱五次和七次谐波。下面都以短距绕组为例

双层绕组按绕法又分为：叠绕组、波绕组、混合绕组、分数槽绕组。

a 叠绕组：

绕法与单层叠绕组类似。如果把一个线圈的一个线圈边放在1#槽的上层(简称上层边)，则另一个线圈边就放在6#槽的下层(简称下层边)；线圈的上层边放在2#槽的上层，则下层边就放在7#槽的下层；余类推，共可以构成48个单线圈。可以发现采用短距绕组时，并不是每个槽里都是同一相导线。如2号槽其上层为U相但下层为-W相，所以采用短距时需要考虑层间绝缘问题。如（图3.13）再把每极下同一个相带中的2个槽内线圈依次串联起来，6#线圈的尾端连接2#线圈的首端，这样构成一个极相组；8个极相组之间可以串联或者并联，故最大并联支路为8。并联支路数越多线头和线尾越多，工艺就越复杂。最后我们把UVW的线尾星接或者角接，同相线头并联出线，就形成了完成的绕组

双层叠绕组：绕组电势图如（图3.14），如（图3.15）因为是双层绕组故单匝绕组磁动势应为2.375/2=1.1875比单层绕组单匝磁动势1.21略小，这也正引证了之前说的最大电势叠加原则。如（图3.16），绕组系数为0.933比单层绕组系数0.965略小，但5/7次谐波0.066也远小于单层绕组0.258。

b 波绕组：

波绕组就是任何两个串联线圈沿线制方向像波浪似地前进。主要特点是一个线圈和相邻同性磁极下的线圈相串联。我们用合成节距Y表示波绕组的连接规律，合成节距Y是指每串联一个线圈绕组沿绕制方向前进的槽数。由于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。

本例中：同一线圈两边跨距Y1=5，前一个线圈的尾端到后一个线圈首端跨距Y2=7，合成节距Y=极距2τ=48/4=5+7=12.

如（图3.17）支路1，U相N极下线圈串联顺序如下：

（1#上层-6#下层）-（13#上层-18#下层）-（25#上层-30#下层）-（37#上层-42#下层）（2#上层-7#下层）-（14#上层-19#下层）-（26#上层-31#下层）-（38#上层-43#下层）

如（图3.18）支路2，U相S极下线圈串联顺序如下：

（1#下层-44#上层）-（37#下层-32#上层）-（25#下层-20#上层）-（13#下层-8#上层）

（48#下层-43#上层）-（36#下层-31#上层）-（24#下层-19#上层）-（11#下层-7#上层）

当波绕组采用Y=2τ时的连接规律是：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

需要说明的是，双层叠绕组的连接规律是把一个极下的同相线圈串联起来构成一个极相组，8个极每相就可以构成8个极相组，因此叠绕组的最大并联支路数是8。而波绕组同极下线圈相互串联，当采用Y=2τ时，每相就只能构成两个极相组。

但并不是波绕组最大并联支路数只能是2。当采用Y=2τ+1时，便可得到2p（8）条并联支路。

如(图3.19)（图3.20）：Y1=7，Y2=6，合成节距Y=7+6=13.

支路1：支路2：

（1#上层-8#下层）-（14#上层-21#下层）（27#上层-34#下层）-（40#上层-47#下层）

支路3：支路4：

（13#上层-20下层）-（26#上层-33#下层）（39#上层-46#下层）-（4#上层-11#下层）

支路5：支路6：

（25#上层-32下层）-（38#上层-45#下层）（3#上层-10#下层）-（16#上层-23#下层）

支路7：支路8：

（37#上层-44下层）-（2#上层-9#下层）（15#上层-22#下层）-（28#上层-35#下层）

虽然使用长距绕组Y1=7,合成节距Y=6可以时波绕组改为8路并联，但其槽内各导体相位发生变化，导致绕组系数只有0.808。

c 叠绕组与波绕组对比：

叠绕组短距时可以节省端部用铜，但线圈组(极相组)之间的连线(简称极间连线)较多，由于极间连线较多，也使得端部引接线排列比较杂乱。嵌线时最后几个线圈嵌线比较困难。

波绕组的合成节距Y=Y1+Y2≈2τ，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。波绕组的线圈通常是单匝线圈，且线圈组(极相组)之间的连线(简称极间连线)较少，故引接线排列整齐美观。

三、四层扁线绕组

四层绕组绕线方式和双层绕组相似，常规绕制也是分为叠绕组和波绕组，也有一些厂家会做特殊绕法如同心绕组、同层绕组、叠波混绕等等，这个会在下一篇针对各厂专利再进行逐一分析。本章内容只讲述常规的绕法。以8极48槽，整距绕组Y1=6为例

a 叠绕组：

如（图3.21）（图3.22）四层叠绕可以看成是匝数为2的双层绕组，绕法与双层叠绕一致，最外层向最内侧导体分别a/b/c/d，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，其最大并联支路数为2p=8。如（图3.23）当采用整距绕组时，一个槽内所有导体相位相同,U相支路线圈路径如下：

支路1：

（1#a-7#b）-（1#c-7#d）-（2#a-8#b）-（2#c-8#d）

支路2：

（13#b-7#a）-（13#d-7#c）-（14#b-8#a）-（14#d-8#c）

支路3：

（13#a-19#b）-（13#c-19#d）-（14#a-20#b）-（14#c-20#d）

支路4：

（25#b-19#a）-（25#d-19#c）-（26#b-20#a）-（26#d-20#c）

支路5：

（25#a-31#b）-（25#c-31#d）-（26#a-32#b）-（26#c-32#d）

支路6：

（37#b-31#a）-（37#d-31#c）-（38#b-32#a）-（38#d-32#c）

支路7：

（37#a-43#b）-（37#c-43#d）-（38#a-44#b）-（38#c-44#d）

支路8：

（1#b-43#a）-（1#d-43#c）-（2#b-44#a）-（2#d-44#c）

该绕组如果U相引出线端为1#a/13#b/13#a/25#b/25#a-/37#b/37#a/1#b，那么中心线端为8#d/8#c/20#d/20#c/32#d/32#c/44#d/44#c。并联支路为8时，引出线和中心线端分布整个圆周，且不在同一层，接线时跨距较长，接线复杂。当采用短距时，槽内导体相位发生变化，如（图3.24）

图3.24

b 波绕组：

如（图3.25）（图3.26）,四层波绕组绕制方式和双层相似，也依次把同极下线圈串联，每次前进约一对极距，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。U相支路线圈路径如下：

支路1：