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        直流有刷電機測試解決方案壓縮機電機定子測試解決方案

        扁線電機繞組技術解析(一)

          作者:艾普智能點擊:2311發布時間:2022-05-31 08:13:12

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        一、扁線電機繞組技術背景

        隨著汽車驅動電機向高性能、高效率、高功率密度的發展,扁線電機由于其高槽滿率、高散熱效率及良好的NVH特性,目前已逐漸成為新能源汽車驅動電機推崇的對象。

        扁線電機在新能源汽車上的應用起始于美國國家能源部主導的“先進集成驅動系統(DOE)”項目,該項目電機采用三項關鍵技術,一項是五相繞組、一項是雙V磁極結構,另外一項就是扁線電機。在項目初期探索階段,共產生了兩種方案。一種是采用了波繞組+開口槽方案,采用徑向嵌線,另外一種是軸向插線的技術,繞組從定子端面插入。兩種方案各有優劣,徑向嵌線需采用開口槽,會導致齒槽諧波增加,渦流損耗變大;軸向嵌線,插線容易,但插入后焊接端需要后扭曲、成型,焊接接頭也多。

        2011年DOE項目結題,同時第一款搭載扁線電機的Chevrolet 車型也完成發布。不同與普通的圓線電機,如(圖1.1)該電機采用軸向插線的發卡繞組技術,采用半閉口平行槽結構。

        扁線電機繞組技術解析(一)—艾普智能.jpg

        圖1.1

        這種發卡需要先插入,再用扭彎設備,將開口的一端扭彎成類似“蛙腳”的結構,將不同的蛙腳焊接起來,最后用環氧樹脂包裹如(圖1.2),實現絕緣增強,該技術使直流電阻下降30~40%。

        扁線電機繞組技術解析(一)—艾普智能.jpg

        圖1.2

        雖然直流電阻降低,但是它存在缺陷:

        1、繞組在高頻時產生集膚效應和臨近效應。隨著轉速升高,繞組的交流電阻增大,甚至還會超過圓線方案的電阻。如(圖1.3)圓線方案電阻是扁線直流電阻的1.44倍。但當電機轉速升高,頻率升高時,扁線的交流電阻增加,在8000rpm時超過的圓線電阻。

        扁線電機繞組技術解析(一)—艾普智能.jpg

        圖1.3

        2、靠近槽口的扁線會產生較大的渦流損耗,使得熱量堆積,形成局部熱導。如(圖1.4)

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        圖1.4

        為了改善上述缺陷通用在后續2014年的Chevrolet Spark和2017年的Chevrolet Blot做了更進一步的優化如(圖1.5、1.6)這里就不展開講了。

        扁線電機繞組技術解析(一)—艾普智能.jpg

        圖1.5

        扁線電機繞組技術解析(一)—艾普智能.jpg

        圖1.6

        二、扁線電機種類及工藝

        1、按照制造工藝

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        2、按繞組方式

        (1)波繞組 (2)疊繞組 (3)集中繞組

        3、按層數

        4pin、6pin、8pin、10pin、奇數pin

        4、 扁線繞組定子制造工藝

        (1)Hair-Pin(如圖2.1所示)

        插絕緣紙→發卡成型 →插線→端部分離(擴口)→扭頭→焊接→滴漆/涂粉→電測

        (2)I-Pin

        插絕緣紙→插線→端部分離(擴口)→扭頭→焊接→滴漆/涂粉→電測

        (3)連續波繞組

        插絕緣紙→線成型/編線→下線→插槽楔→滴漆→電測  

          
         扁線電機繞組技術解析(一)—艾普智能.jpg

        總結:

        Hair-pin和I-pin最大區別在于多了一步發卡成型。Hair-pin需要通過劈拉、沖壓或者折彎的方式先成型為U型,我們稱成型端為皇冠端,另一端為焊接端。而I-pin兩端都是焊接端,由于焊接會額外占用徑向尺寸,故I-pin在各極相組串并聯時會在一端產生異性pin從而占據徑向尺寸,導致繞組一端會超定子內徑從而使轉子只能從常規端入軸。但I-pin的優勢在于插線到焊接的工序相對容易,而Hair-pin插線后對線的位置度要求極高,整形困難。而且I-pin無需成型,對漆皮的考驗相對較小,扁線的扁平率可以做到很大,以降低扁線的集膚效應。

        三、扁線繞組結構原理

        繞組是構成電機的主要部件。電機就是通過感應繞組中的電勢和通過繞組的電流來產生電磁功率和電磁轉矩,從而達到能量轉換的目的。不同的繞組匝數、導體截面、空間分布、連接方式、絕緣等級等繞組結構參數,所體現出的電磁性能、力能指標也不同。所以要分析扁線電機繞組結構的原理與運行,必須對繞組構成和連接規律有基本的了解。

        1、繞組分類

        (1)按線圈層數:單層繞組、雙層繞組、單雙層繞組、多層繞組(扁線4pin、6pin、8pin等)

        (2)按每極每相槽數q:整數槽繞組、分數槽繞組

        (3)按繞法:疊繞組、同心繞組、波繞組、鏈式繞組、交叉式繞組

        2、繞組構成原則

        (1) 最大電勢疊加原則:在一定的導體數下,合成的基波(工作波)電勢和磁勢最大。具體包括:單個線圈的兩個線圈邊合成的基波電勢和磁勢最大;各線圈串聯以及各線圈組串聯時得到的基波合成電勢和磁勢最大。

        (2)非工作諧波最小原則:在一定導體數下,繞組合成磁動勢和電動勢在波形上力求接近正弦,力求獲得較大的基波磁動勢和電動勢(較大的繞組系數),盡量使諧波含量少

        (3)對稱原則:每相繞組所占槽數、串聯的導體數應相等,各相電阻和電抗要平衡。電樞的總槽數必須能夠被相數整除,即Z1/m=整數對于多相繞組,各相電動勢和磁動勢要對稱,電阻電抗要平衡。

        (4)經濟性原則:繞組產生的電勢和磁勢只與所連接的導體有關,與連接次序無關,因此繞組用銅量要省,電阻小,損耗小。

        (5)工藝性原則:絕緣和機械強度要可靠,散熱要好,繞組制造,安裝,檢修要方便

        3、繞組結構與畫法對比分析 

        以驅動電機最常見的三相48槽8極電機為例,先來看下普通電機單層或雙層繞組的畫法:

        (1)電機繞組基本數據:m=3,Z=48,2p=8

        (2)計算每極每相槽數:q=48/8/3=2

        (3)繪制槽電勢星型圖:

        定子內圓周按轉子旋轉方向的順序給六個槽依次編號(1#~48#),如(圖3.1)所示;

        定子槽是分布在p?360o的電角度內,相鄰兩個槽內導體感應電勢的相位差就是一個電槽距角,電槽距角α=360/Z*p=360/48*4=30o,則相鄰兩個槽內導體的感應電勢的相位就相差30o電角度,各槽電勢用相量圖來表示如(圖3.2),我們叫槽電勢星型圖。

        扁線電機繞組技術解析(一)—艾普智能.jpg

        槽電勢星型圖反映了各槽導體中感應電勢的相位關系,根據星型圖發現1#、13#、25#、37#槽內感應電勢相位相同,所以我們可以把8極48槽電機看成由4個2極12槽單元電機構成。

        (4)相帶劃分:如圖(3.3)對于三相繞組,每相的平均相帶即為180o/3=60o,當然實際的相帶可以是大小不等的,但平均相帶仍然是60o。也就是說并不是1#、13#、25#、37#、2#、14#、26#、38#槽內的所有導線都是U相,可能因為線圈采用短距或者長距時使某些導體相位偏移1到2個槽距。

        (5)繞組的構成:

        3.1單層繞組

        單層繞組一般只用于小容量電機,繞線工藝簡單,無層間絕緣槽滿率高,但繞組波形不夠正弦,鐵耗噪音較大。對于48槽8極電機來說,每極每相槽數q=2,故U相帶中的兩個槽(1#和2#)內導體分別與-U相帶中的兩個槽(7#和8#)內導體連接構成單線圈,但這里就有了三種選擇:

        A 疊繞組(交叉式繞組)

        如(圖3.4)兩個單線圈的節距相等,也稱等繞組,兩線圈的端部一個疊在另一個上面,因此稱其為疊繞組。

        由于疊繞組的兩個單線圈中電勢存在相位差,二者不能并聯,必須串聯,因此這種接法每相只能構成一個極相組,此繞法共4個極相組,因此最大并聯支路數為4。繞組展開圖(如圖3.5),繞組電勢圖(如圖3.6)。(如圖3.7)根據仿真得到單匝線圈產生的基波磁動勢安匝值為1.22,(如圖3.8)根據仿真得到基波繞組因數=分布系數*短距系數1=0.9659。

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        扁線電機繞組技術解析(一)—艾普智能.jpg

        B 同心式繞組:

        如(圖3.9)兩個單線圈的節距不同,2~7的線圈是一個短距線圈,1~8的線圈是一個長距線圈,二者組成了一個像同心圓一樣的形狀,因此稱其為同心繞組。

        同心式繞組的兩個單線圈一個短距Y1=5,一個長距Y1=7,但平均跨距仍然是6。所以此繞法單匝線圈產生的基波磁動勢安匝值為1.22,基波繞組因數0.9659與疊繞組相同。雖然電勢相位相同,大小也相同,但由于兩個線圈的端部跨距不同,導致兩個線圈的直流電阻和端部漏抗就不同,它們之間也只能串聯不能并聯,最大并聯支路數也為4。繞組展開圖(如圖3.10),繞組電勢圖(如圖3.11)。因為繞組產生的電勢和磁勢只與所連接的導體有關,與連接次序無關。

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        C 鏈式繞組:

        如圖(3.12)兩個單線圈的節距相同,2~7的線圈是一個短距線圈,1~8的線圈同樣是一個短距線圈,只不過其端部的跨接與2~7線圈相反,二者組成了一個像鏈條環一樣的形狀,因此稱之為鏈式繞組。

        鏈式繞組的兩個單線圈一模一樣,且都是短距線圈,節距都是Y1=5,其電勢大小相等、相位相同,直流電阻和電抗也相同,它們之間即可以串聯也可以并聯,故此繞法最大并聯支路數為8。而且這種接法比前兩種的繞組端部跨距短,因此這種繞組端部用銅量會小,可以節省成本,所以我們最常見的單層繞組也才用此繞法。

        扁線電機繞組技術解析(一)—艾普智能.jpg

        3.2雙層繞組

        雙層繞組的鐵芯槽內每槽均嵌放有兩個線圈元件邊,當線圈元件的一個線圈邊嵌放在某一槽的上層,其另一個線圈邊放在另一槽內的上層。因此雙層繞組的總線圈個數等于總槽數。

        由于是雙層繞組,一個槽內有兩層導體,所以節距有多種選擇。當節距與極距相等時,線圈獲得的基波電勢最大,此時Y1=τ;但按照非工作諧波最小原則,Y1=τ卻并不是一個最好的選擇,因為這個選擇獲得的感應電勢通常會存在很大的諧波,因此通常都采用短距,即選取Y1<τ且Y1≈τ為宜,當Y1≈(5/6)τ時可以同時有效削弱五次和七次諧波。下面都以短距繞組為例。

        雙層繞組按繞法又分為:疊繞組、波繞組、混合繞組、分數槽繞組。
        A 疊繞組

        繞法與單層疊繞組類似。如果把一個線圈的一個線圈邊放在1#槽的上層(簡稱上層邊),則另一個線圈邊就放在6#槽的下層(簡稱下層邊);線圈的上層邊放在2#槽的上層,則下層邊就放在7#槽的下層;余類推,共可以構成48個單線圈??梢园l現采用短距繞組時,并不是每個槽里都是同一相導線。如2號槽其上層為U相但下層為-W相,所以采用短距時需要考慮層間絕緣問題。如(圖3.13)再把每極下同一個相帶中的2個槽內線圈依次串聯起來,6#線圈的尾端連接2#線圈的首端,這樣構成一個極相組;8個極相組之間可以串聯或者并聯,故最大并聯支路為8。并聯支路數越多線頭和線尾越多,工藝就越復雜。最后我們把UVW的線尾星接或者角接,同相線頭并聯出線,就形成了完成的繞組。

        扁線電機繞組技術解析(一)—艾普智能.jpg

        雙層疊繞組:繞組電勢圖如(圖3.14),如(圖3.15)因為是雙層繞組故單匝繞組磁動勢應為2.375/2=1.1875比單層繞組單匝磁動勢1.21略小,這也正引證了之前說的最大電勢疊加原則。如(圖3.16),繞組系數為0.933比單層繞組系數0.965略小,但5/7次諧波0.066也遠小于單層繞組0.258。

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        B 波繞組

        波繞組就是任何兩個串聯線圈沿線制方向像波浪似地前進。主要特點是一個線圈和相鄰同性磁極下的線圈相串聯。我們用合成節距Y表示波繞組的連接規律,合成節距Y是指每串聯一個線圈繞組沿繞制方向前進的槽數。由于波繞組是依次把同極下線圈串聯,每次前進約一對極距(2τ),對整數槽波繞組來說,合成節距y通常選為一對極距(Z/p)。但當合成節距這樣選擇時,在繞組串聯p個線圈(沿定子繞了一周)后,繞組將回到原來出發的槽號而自行閉合。也就無法將屬于同一相的線圈連接起來,為了把所有屬于同一相的線圈全部連接起來,每繞完一圈之后,必須人為地前進或后退一個槽,才能使繞組繼續地繞下去。

        本例中:同一線圈兩邊跨距Y1=5,前一個線圈的尾端到后一個線圈首端跨距Y2=7,合成節距Y=極距2τ=48/4=5+7=12.

        如(圖3.17)支路1,U相N極下線圈串聯順序如下:

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

        如(圖3.18)支路2,U相S極下線圈串聯順序如下:

        (1#下層-44#上層)-(37#下層-32#上層)-(25#下層-20#上層)-(13#下層-8#上層)

        (48#下層-43#上層)-(36#下層-31#上層)-(24#下層-19#上層)-(11#下層-7#上層)

        當波繞組采用Y=2τ時的連接規律是:繞組沿電樞表面繞行q圈,把所有上層邊的N極下屬一相的線圈按一定順序串聯起來,構成相繞組的一半,然后再沿電樞表面繞行q圈,把所有上層邊的S極下屬于同一相的線圈也按同樣的規律串聯起來,構成相繞組的另一半。這兩半之間既可串聯,也可并聯,當串聯時則得a=1,如果并聯則得a=2

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        需要說明的是,雙層疊繞組的連接規律是把一個極下的同相線圈串聯起來構成一個極相組,8個極每相就可以構成8個極相組,因此疊繞組的最大并聯支路數是8。而波繞組同極下線圈相互串聯,當采用Y=2τ時,每相就只能構成兩個極相組。

        但并不是波繞組最大并聯支路數只能是2。當采用Y=2τ+1時,便可得到2p(8)條并聯支路。

        如(圖3.19)(圖3.20):Y1=7,Y2=6,合成節距Y=7+6=13.

        支路1:                                支路2:

        (1#上層-8#下層)-(14#上層-21#下層)    (27#上層-34#下層)-(40#上層-47#下層)  

        支路3:                                支路4:

        (13#上層-20下層)-(26#上層-33#下層)  (39#上層-46#下層)-(4#上層-11#下層)

        支路5:                                支路6:

        (25#上層-32下層)-(38#上層-45#下層)  (3#上層-10#下層)-(16#上層-23#下層)

        支路7:                                支路8:

        (37#上層-44下層)-(2#上層-9#下層)    (15#上層-22#下層)-(28#上層-35#下層)

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        雖然使用長距繞組Y1=7,合成節距Y=6可以時波繞組改為8路并聯,但其槽內各導體相位發生變化,導致繞組系數只有0.808。

        C 疊繞組與波繞組對比

        疊繞組短距時可以節省端部用銅,但線圈組(極相組)之間的連線(簡稱極間連線)較多,由于極間連線較多,也使得端部引接線排列比較雜亂。嵌線時最后幾個線圈嵌線比較困難。

        波繞組的合成節距Y=Y1+Y2≈2τ,當Y1減小時,Y2必然增大,即一端端部縮短時另一端端部必然增大,故短距不能節省端部用銅。波繞組的線圈通常是單匝線圈,且線圈組(極相組)之間的連線(簡稱極間連線)較少,故引接線排列整齊美觀。

        3.3 四層扁線繞組

        四層繞組繞線方式和雙層繞組相似,常規繞制也是分為疊繞組和波繞組,也有一些廠家會做特殊繞法如同心繞組、同層繞組、疊波混繞等等,這個會在下一篇針對各廠專利再進行逐一分析。本章內容只講述常規的繞法。以8極48槽,整距繞組Y1=6為例。

        A 疊繞組

        如(圖3.21)(圖3.22)四層疊繞可以看成是匝數為2的雙層繞組,繞法與雙層疊繞一致,最外層向最內側導體分別a/b/c/d,每極下同一個相帶中的2個槽內線圈依次串聯起來,構成一個極相組,其最大并聯支路數為2p=8。如(圖3.23)當采用整距繞組時,

        一個槽內所有導體相位相同,U相支路線圈路徑如下:
        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)

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        該繞組如果U相引出線端為1#a/13#b/13#a/25#b/25#a-/37#b/37#a/1#b,那么中心線端為8#d/8#c/20#d/20#c/32#d/32#c/44#d/44#c。并聯支路為8時,引出線和中心線端分布整個圓周,且不在同一層,接線時跨距較長,接線復雜。當采用短距時,槽內導體相位發生變化,如(圖3.24)

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        圖3.24

        B 波繞組

        如(圖3.25)(圖3.26)。四層波繞組繞制方式和雙層相似,也依次把同極下線圈串聯,每次前進約一對極距,為了把所有屬于同一相的線圈全部連接起來,每繞完一圈之后,必須人為地前進或后退一個槽。U相支路線圈路徑如下:

        支路1:

        (1#a-7#b)-(13#a-19#b)-(25#a-31#b)-(37#a-43#b)-(2#a-8#b)-(14#a-208#b)-(26#a-32#b)-(38#a-44#b)

        支路2:

        (1#b-7#a)-(13#b-19#a)-(25#b-31#a)-(37#b-43#a)-(2#b-8#a)-(14#b-208#a)-(26#b-32#a)-(38#b-44#a)

        支路3:

        (1#c-7#d)-(13#c-19#d)-(25#c-31#d)-(37#c-43#d)-(2#c-8#d)-(14#c-208#d)-(26#c-32#d)-(38#c-44#d)

        支路4:

        (1#d-7#c)-(13#d-19#c)-(25#d-31#c)-(37#d-43#c)-(2#d-8#c)-(14#d-208#c)-(26#d-32#c)-(38#d-44#c)

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        3.4 總結

        (1)不管是4層扁線繞組還是6層、8層,繞制方法和原理都和雙層繞組一樣。

        (2)電勢大小及繞組分布系數與端部連接次序無關,當節距固定時,無論是采用波繞組還是疊繞組電勢磁、勢都是相等的。

        (3)扁線繞組為保證端部整齊美觀,引出線相對集中,更有利于busbar布置通常采用波繞組形式。

        (4)扁線電機有些廠家采用特殊繞法其目的減少線型種類、過橋線數量、星角接點數量,時工藝更加簡單。


        艾普智能專注全球電機測試,以上信息來自網絡,如有侵權請聯系作者更改。


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