CN110098681B - 一种盘式电机绕组 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种盘式电机绕组。所述盘式电机绕组采用变截面结构，径向截面自内向外逐渐增大。单元绕组加工工艺包括，但不限于，线切割、弯折、焊接。变截面单元绕组间通过递进式连接方式相连，实现分层排布，构成绕组基础件。绕组基础件可包覆绝缘材料、高强度支撑材料等提高绝缘水平与结构强度。不同螺旋方向的绕组基础件可依据实际绕组排布原理连接构成各相定子绕组，提供所需方向的时变磁场。所述盘式电机绕组结构适应性强，可适用于有槽及无槽盘式电机。本发明所述盘式电机绕组结构简单、强度大、热性能优良且绕组空间利用率高，可提升盘式电机功率密度、转矩密度。

Description

一种盘式电机绕组
技术领域
本发明属于电机设计与制造领域，特别涉及一种盘式电机绕组。
背景技术
永磁盘式电机的整体结构紧凑，相较于径向磁场电机，有利于转矩密度的提高。盘式电机轴向尺寸短，外径大，机体呈扁平式，常用于轴向尺寸和体积限制较大的应用场合。
盘式电机具有体积小、重量轻、转矩密度和功率密度高的优势，但冷却与散热能力有限。若绕组的温度过高，会致使绝缘破损；若永磁体温度过高，会引发性能下降甚至造成不可逆退磁，直接影响电机效率、可靠性及使用寿命。如何合理提高盘式电机热性能是亟待解决的关键性技术难题。
通常提高盘式电机温度特性的途径有两种，其一为主动冷却，主要包括：利用电机端盖位置的风扇加强空气对流；利用各类循环液冷结构加强热传导。主动冷却方法虽然可大幅提升电机转矩密度、功率密度等性能，但需外设冷却设备，增加电机***的总质量，在对体积、重量要求较高的场合并不适用。其二通过电机拓扑结构增强散热能力。如借助异性转轴使气隙空气流速加快，增强空气对流。
现有技术条件较少从电机绕组这一主要发热源入手，来寻求突破载流量、损耗、温升限制的方式。以往电枢绕组有效空间的利用率偏低，相关发明一直在寻求先进的拓扑结构试图解决这类问题。一种较为经济的解决方案为多股小截面裸导线并绕。但这种方法带来新的问题，要求重新考虑平衡每根导体感应电动势，若在多股平行细导线之间将产生环流，会引起环流损耗的增加。另一种为箔绕组的方案。这种方法无法有效减少电枢涡流损耗，且适用容量较小。
盘式无铁芯永磁电机的绕组一般为圆盘状，绕组的有效边沿径向分布。其绕组形式主要分为线绕式绕组和PCB绕组。绕线式绕组线圈的平整度较低，可能出现轴向跳动的现象，线圈的制造精度难以保证；同时，绕线式绕组的制造成本较高。PCB绕组的形状相对自由，可以灵活的排布形式来改善电机的性能。PCB绕组分布相对分散，绕组空间利用率有限，并且在缺少定子铁心的情况下，每一匝绕组所交链的磁场情况不尽相同，难以对绕组整体进行统一的分析。限于材料与制造工艺，PCB绕组只适用于容量较小的情况。
以上现有技术中，未能提出提高绕组空间利用率、温度特性，并可适用于有槽、无槽的盘式电机绕组拓扑结构。
发明内容
针对现有技术的上述缺点或优化需求，本发明的目的在于提供一种新型盘式电机绕组，以提升盘式电机绕组的空间利用率与载流量，并改善盘式电机绕组的温度特性，进一步提高盘式电机的功率密度、转矩密度。
为达到本发明的上述目的，主要通过下述技术方案实现：
一种盘式电机绕组，其各相绕组包括一个或多个可产生同向或反向磁场的螺旋型绕组基础件。绕组基础件由单元绕组利用递进式连接方式相连，并实现分层排布。单元绕组基础件采用变截面结构，径向截面自内向外逐渐增大。
作为优选，所述变截面结构单元绕组，靠近盘式电机中心的截面较小，远离中心的截面较大。在径向上，绕组截面由内向外呈递增趋势，单元绕组在径向上的等效电阻则呈递减趋势。靠近内侧的等效电阻较大，损耗较为严重；靠近外侧的等效电阻较小，损耗较小，绕组的温度场因损耗分布不均匀而产生阶梯状的分布。因导体的导热作用良好，阶梯状的温度分布会在导热作用下趋于均匀。相较于线径不变的绕组结构，在相同的最高温升限制下，可提升绕组电流密度。
可选的，所述变截面单元绕组制造方式包括，但不限于，由整块导电材料经线切割制成、或由多段导体材料焊接而成、或由整段导体弯折而成，保证单元绕组的电气绝缘间隙可控。
可选的，绕组基础件由变截面单元绕组在圆周任意位置进行分层连接，包括有效段（磁场覆盖部分）及无效段（内外端部）。
可选的，单元绕组的截面包括，但不限于，矩形截面或圆形截面。
作为优选，所述绕组基础件由单元绕组连接而成，保证绕组基础件的结构一致性。
可选的，所述绕组基础件的绕线方式为螺旋式结构。依据不同的设计需求与特定的绕组排布方式，同相相邻连接的绕组基础件螺旋方向可分为三类：同为顺时针螺旋方向、同为逆时针螺旋方向、螺旋方向相反。同相相邻绕组基础件产生的磁场方向可分为两类：同向或异向。
作为优选，同相相邻绕组基础件之间的连接可在绕组内端部或外端部实现。
可选的，所述盘式电机绕组适用于有槽盘式电机和无槽盘式电机。
作为优选，应用于无槽盘式电机的变截面单元绕组中心间隙小，采用递进式连接，较难在端部实现，以有效段连接为佳；应用于无槽盘式电机的变截面单元绕组中心间隙大，以无效段连接为佳。
可选的，单元绕组间的架设部均为良导体，其材料包括，但不限于，与单元绕组相同的导体材料。
可选的，盘式电机定子由一个或多个相绕组构成，相绕组由一个或多个绕组基础件构成。
作为优选，单元绕组中心空隙、单元绕组之间、绕组基础件之间可充入绝缘材料，以提高导体之间的绝缘水平。
作为优选，所述的绕组基础件包括，但不限于，使用碳纤维、芳纶纤维等高强度材料编织、包覆、绑扎提升结构强度，防止出现因电磁力较大引起的导体形变。
通过本发明所设计的技术方案与现有技术相比，一种盘式绕组能够取得下列突出实质性特点和显著技术进步：
1.本发明提供的盘式电机绕组，采用变截面单元绕组结构，能够实现损耗场的阶梯状分布，并借由导体良好的导热性能，使温度场由阶梯状分布趋于均匀分布。
2.本发明提供的盘式电机绕组结构，可在有限空间内，提升绕组空间利用率；并在相同最高温升限制下，增大电流密度，改善盘式电机功率密度、转矩密度等。
3.本发明提供的盘式电机绕组结构的截面面积远远大于传统绕组的截面面积，能够在相同空间内，进一步提升绕组载流量与盘式电机瞬时过载倍数。
4.本发明提供的绕组基础件，由多个单元绕组与架设部或多个单元绕组与桥接部构成，便于一体化生产与加工，降低对电机工艺技术的需求。
5.本发明提供的单元绕组材料由硬质导体材料构成时，绕组截面面积较大，抗拉强度较高，可降低对支撑材料的需求；同时，绝缘间隙易于调节，可降低对绝缘材料的要求。
附图说明
图1位本发明提供的单元绕组侧视图；
图2为本发明提供的单绕组基础件侧视图；
图3为本发明提供的单绕组基础件侧视透视图；
图4为本发明提供可实施的相绕组（双绕组）侧视图；
图5为本发明提供可实施的相绕组（三绕组）侧视图；
图6为本发明提供可实施的相绕组（三绕组）侧视透视图。
具体实施方式
为使本发明的目的、设计方案、制造方式及优点更为清晰明了，下面结合附图和优选实施例对本发明进行详细阐述。下列描述内容仅用于解释本发明的内容，但不作限定本发明之用途。且附图仅为示意图，用于展示同本发明相关的结构设计。基于本发明所述内容，本领域相关从业人员在没有做出创造性劳动的所有类似应用均视为本发明保护范围。
实施例一：
参见图1至图6，本盘式电机绕组,其特征在于：各相绕组采用变截面结构，径向截面自内向外逐渐增大；变截面单元绕组间通过递进式连接方式相连，实现分层排布，构成绕组基础件；绕组基础件包覆绝缘材料或高强度支撑材料，以提高绝缘水平与结构强度；不同螺旋方向的绕组基础件依据实际绕组排布原理连接构成各相定子绕组，提供所需方向的时变磁场；所述盘式电机绕组结构适应性强，适用于有槽及无槽盘式电机。本发明所述盘式电机绕组结构简单、强度大、热性能优良且绕组空间利用率高，可提升盘式电机功率密度、转矩密度。
实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：所述盘式电机绕组的单元绕组（图1）为变截面绕组，即靠近绕组内圆处截面较小，靠近绕组外圆处截面较大。
所述单元绕组的截面包括，但不限于，矩形绕组、圆形绕组等。
所述单元绕组包括，但不限于，由整块导电材料经线切割制成、或由多段导体材料焊接而成、或由整段导体弯折而成，单元绕组中心间隙可由实际所需爬电距离与绝缘水平决定。
特别地，所述单元绕组可由递进式连接方式构成绕组基础件（图2）。
所述递进式连接方式为若干单元绕组（201）和架设部（202）递进连接而成，使绕组基础件呈螺旋式结构。连接固定方式包括，但不限于，焊接或粘结。
特别地，递进连接位置可在单元绕组圆周任意位置实现。
所述单元绕组构成的螺旋式绕组基础件结构，其螺旋方向包括顺时针螺旋与逆时针螺旋。
所述盘式电机定子各相绕组由一个或多个绕组基础件连接而成。
同相相邻绕组基础件的螺旋方向包括：同为顺时针螺旋方向、同为逆时针螺旋方向、螺旋方向相反。
所述单元绕组中心空隙、单元绕组之间、绕组基础件之间可充入绝缘材料，以提高导体之间的绝缘水平。
所述的绕组基础件包括，但不限于，使用碳纤维、芳纶纤维等高强度材料编织、包覆、绑扎提升结构强度，防止出现因电磁力较大引起的导体形变。
实施例三，本实施例与实施例二基本相同，特别之处如下：
本盘式电机绕组结构及其制造方法可适用于有槽盘式电机。单元绕组中心空隙尺寸由定子槽结构决定。
上述内容以本实施例为启示提出的一种较优实例，相关技术人员可改变多处细节应用本发明涉及的技术内容，而这种更改不认为属脱离本发明范畴的应用。本发明涉及的技术性范围不限于具体实施方式中的内容，必要时根据权利要求书进行确定。

Claims (13)

1.一种盘式电机绕组，其特征在于：各相绕组采用变截面结构，径向截面自内向外逐渐增大；变截面单元绕组间通过递进式连接方式相连，实现分层排布，构成绕组基础件；所述递进式连接方式为若干单元绕组(201)和架设部(202)递进连接而成，架设部(202)设置在相邻的单元绕组(201)之间，使绕组基础件呈螺旋式结构；绕组基础件包覆绝缘材料或高强度支撑材料，以提高绝缘水平与结构强度；不同螺旋方向的绕组基础件依据实际绕组排布原理连接构成各相定子绕组，提供所需方向的时变磁场；所述盘式电机绕组结构适应性强，适用于有槽及无槽盘式电机。
2.根据权利要求1所述的盘式电机绕组，其特征在于：所述变截面单元绕组靠近盘式电机轴心的截面较小，远离轴心的截面较大；绕组截面在径向由内向外呈递增趋势，减小了绕组总电阻。
3.根据权利要求1所述的盘式电机绕组，其特征在于：所述变截面单元绕组由整块导电材料切割、或由多段导电材料焊接、或由整段导电材料弯折制成。
4.根据权利要求1所述的盘式电机绕组，其特征在于：所述绕组基础件由若干单元绕组可在单元绕组圆周任意位置实现分层连接。
5.根据权利要求1所述的盘式电机绕组，其特征在于：所述单元绕组间的连接工艺包括焊接或弯折。
6.根据权利要求1所述的盘式电机绕组，其特征在于：在所述单元绕组的中心空隙、单元绕组之间、绕组基础件之间添加绝缘材料，以提高导体之间的绝缘水平。
7.根据权利要求1所述的盘式电机绕组，其特征在于：所述的绕组基础件包括使用碳纤维、或芳纶纤维高强度材料编织、包覆、绑扎以提升结构强度，防止出现因电磁力较大引起的硬质导体形变。
8.根据权利要求1所述的盘式电机绕组，其特征在于：所述绕组基础件螺旋方向为顺时针方向或逆时针方向。
9.根据权利要求1所述的盘式电机绕组，其特征在于：所述绕组基础件由一个或多个线圈构成，各相定子绕组由一个或多个绕组基础件构成，各相相邻绕组基础件依据绕组排布原理对磁场方向的要求进行同向连接或反向连接。
10.根据权利要求1所述的盘式电机绕组，其特征在于：导体截面是任意形状。
11.根据权利要求10所述的盘式电机绕组，其特征在于：所述导体截面是矩形截面或圆形截面。
12.根据权利要求1所述的盘式电机绕组，其特征在于：所述单元绕组可通过任意方式设置。
13.根据权利要求12所述的盘式电机绕组，其特征在于：所述单元绕组采用有效段分匝或分层方式设置，以减少集肤效应。
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