一种高转矩密度车用永磁同步发卡电机绕组、定子及电机的制作方法

1.本发明涉及汽车电驱系统技术领域，尤其涉及一种高转矩密度车用永磁同步发卡电机绕组、定子及电机。


背景技术：

2.永磁同步电机作为新能源汽车的驱动系统，为提高车辆的动力性、经济性，驱动电机不断朝着高转矩密度的方向发展。随着工艺和电机设计技术的进步，铜满率高的发卡绕组电机得到了越来越多的应用。发卡电机定子绕组端部热功耗传热路径同传统永磁同步电机，其主要传热路径为：绕组端部
→
铁芯处绕组
→
铁芯
→
机壳
→
冷却液。为提高电机转矩密度，加大定子相电流，此时绕组铜耗高，绕组端部传热路径长，传热热阻大，超过绝缘材料最高耐受温度；在电机峰值转矩工况下，因时间较短，电机持续发热，达不到要求的峰值转矩工作时间。因此，如何降低发卡电机铜耗，减小传热过程中的热阻，是值得研究并解决的问题。
3.基于以上考虑，本文的主要任务在于提供一种能降低电机绕组铜耗，提高绕组铜材热导率，降低端部绕组传热热阻的永磁同步发卡电机的绕组、定子及电机。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种高转矩密度车用永磁同步发卡电机绕组、定子及电机，其定子的构成操作更加简单，由于外层铜
‑
石墨烯合金的高电导率和内层石墨烯
‑
铜复合散热膜的高热导率，其绕组铜耗低，端部绕组传递到冷却液的传热热阻低，可以提高电机的转矩密度和电流密度，以及可以延长峰值转矩的工作时间，并且由于内层石墨烯
‑
铜复合散热膜的使用减小了绝缘漆的使用量，加速了定子电枢的端部热功耗通过电子铁芯中部向冷却液的传递，大大降低了电机本体的温升。
5.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
6.一种高转矩密度车用永磁同步发卡电机绕组、定子及电机，包括电机本体，所述电机本体包括机壳与定子电枢，所述定子电枢为发卡式绕组，所述发卡式绕组由一定规律数量的发卡式线圈组成，所述发卡式线圈由单发卡绕组在焊点处焊接构成，所述单发卡绕组包括内层与外层，所述机壳的内壁放置有电子铁芯，所述机壳的内部设置有冷却液腔，所述发卡式线圈的外表面设置有绝缘层，所述绝缘层包括绝缘漆与绝缘膜。
7.优选地，所述单发卡绕组为矩形扁线，所述内层的材质为铜
‑
石墨烯合金。
8.优选地，外层的材质为石墨烯
‑
铜复合散热膜，所述电子铁芯的内侧面设置有卡槽。
9.优选地，所述卡槽包括轭部与齿部，所述机壳的外表面且位于机壳的两端均设置有卡圈。
10.优选地，所述卡圈的内侧面卡接有端盖，所述端盖的内侧面且沿轴线设置有轴孔。
11.优选地，所述端盖靠近机壳的一侧设置有与卡圈配合的凸环，所述机壳的壁厚小
于电子铁芯的壁厚。
12.本发明与现有技术相比，其有益效果为：
13.1、设置有发卡式线圈，由单发卡绕组在焊点处焊接构成的发卡式线圈，能够根据一定规律组成发卡式线圈从而构成定子电枢的绕组，操作起来较普遍的缠绕式绕组更加简单。
14.2、设置有内层，由铜
‑
石墨烯合金制成的内层具有高电导率，提高了单发卡绕组的导电性能，降低了发卡式绕组的热功耗，同时铜
‑
石墨烯合金的热导率与常温下纯铜热导率相近，导热性能未受影响。
15.3、设置有外层，由石墨烯
‑
铜复合散热膜制成的外层具有良好的柔韧性能，易于加工及安装使用，且材料可靠性高无老化问题，以及具有高的热导率，端部绕组传递到冷却液的传热热阻低。
16.4、设置有绝缘漆，绝缘漆的热导率远小于散热膜的平面热导率和法向热导率，由于散热膜的使用减小了绝缘漆的使用量，加速了定子电枢的端部热功耗通过电子铁芯中部向冷却液的传递，大大降低了电机本体的温升。
附图说明
17.图1为本发明提出的一种高转矩密度车用永磁同步发卡电机绕组、定子及电机的电机本体立体示意图；
18.图2为本发明提出的一种高转矩密度车用永磁同步发卡电机绕组、定子及电机的定子电枢示意图；
19.图3为本发明提出的一种高转矩密度车用永磁同步发卡电机绕组、定子及电机的卡槽示意图；
20.图4为本发明提出的一种高转矩密度车用永磁同步发卡电机绕组、定子及电机的发卡式绕组示意图；
21.图5为本发明提出的一种高转矩密度车用永磁同步发卡电机绕组、定子及电机的发卡式线圈示意图；
22.图6为本发明提出的一种高转矩密度车用永磁同步发卡电机绕组、定子及电机的单发卡绕组外观示意图；
23.图7为本发明提出的一种高转矩密度车用永磁同步发卡电机绕组、定子及电机的单发卡绕组截面示意图；
24.图8为本发明提出的一种高转矩密度车用永磁同步发卡电机绕组、定子及电机的电机本体剖视图；
25.图9为本发明提出的一种高转矩密度车用永磁同步发卡电机绕组、定子及电机的a
‑
a截面示意图。
26.图中：1、电机本体；2、机壳；3、定子电枢；4、发卡式绕组；5、发卡式线圈；6、焊点处；7、内层；8、外层；9、电子铁芯；10、冷却液腔；11、循环口；12、卡槽；13、轭部；14、齿部；15、绝缘层；16、绝缘漆；17、绝缘膜；18、卡圈；19、端盖；20、轴孔；21、凸环；22、单发卡绕组。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
28.参照图1
‑
9，一种高转矩密度车用永磁同步发卡电机绕组、定子及电机，包括电机本体1，电机本体1包括机壳2与定子电枢3，定子电枢3为发卡式绕组4，发卡式绕组4由一定规律数量的发卡式线圈5组成，发卡式线圈5由单发卡绕组22在焊点处6焊接构成，由单发卡绕组22在焊点处6焊接构成的发卡式线圈5，构成定子电枢3的绕组的操作，较普遍的缠绕式绕组更加简单，单发卡绕组22包括内层7与外层8，由石墨烯
‑
铜复合散热膜制成的外层8具有良好的柔韧性能，易于加工及安装使用，且材料可靠性高无老化问题，以及具有高的热导率，散热膜厚度应能保证石墨烯
‑
铜复合散热膜截面热阻比内层铜
‑
石墨烯合金热阻低，根据热阻计算公式：则必须满足：其中l为单发卡绕组22导通长度，k1、k2分别为外层8、内层7的热导率，a1、a2分别为外层8、内层7的截面积，其中a1＝2at 2bt
‑
4t2，a2＝(a
‑
2t)(b
‑
2t)，其中a、b、t分别为单发卡绕组22矩形截面长、宽、散热膜厚，得到单发卡绕组22矩形截面散热膜厚度关系式(α)：
[0029][0030]
以单发卡绕组22截面3.4
×
1.7mm2为例，得到石墨烯
‑
铜复合散热膜厚度0.12mm至0.85mm，如取厚度为0.3mm，根据单发卡绕组2截面尺寸，通过关系式(α)计算得到散热膜厚度，可充分发挥石墨烯
‑
铜复合散热膜高热导率的优势，当电机本体1工作在额定工况下，由于铜
‑
石墨烯的高电导率和石墨烯
‑
铜复合散热膜高热导率，其绕组铜耗低，端部绕组传递到冷却液腔10中冷却液的传热热阻低，可以提高电机本体1的转矩密度和电流密度，当电机本体1工作在峰值转矩下，由于铜
‑
石墨烯的高电导率和石墨烯
‑
铜复合散热膜高热导率，其绕组铜耗低，端部绕组传递到冷却液的传热热阻低，可以延长峰值转矩的工作时间，机壳2的内壁放置有电子铁芯9，机壳2的内部设置有冷却液腔10，冷却液腔10用于储存冷却液，机壳2的外表面靠近冷却液腔10的一侧设置有循环口11，循环口11可用于将冷却液流通至外部散热翅片的管道中，加速冷却液的散热，使冷却液达到循环使用的条件更快速，保持电机本体1的高效工作状态，发卡式线圈5的外表面设置有绝缘层15，绝缘层15防止定子电枢3通电后，电流会经过电子铁芯9到达机壳2表面，避免漏电导致发生安全事故，绝缘层15包括绝缘漆16与绝缘膜17，散热膜的厚度减小了绝缘漆16的使用量，而绝缘漆16的热导率0.21w/(m
·
k)，远小于散热膜的平面热导率和法向热导率，也加速了定子电枢3的端部热功耗通过电子铁芯9中部向冷却液的传递，大大降低了电机本体1的温升。
[0031]
本发明中，单发卡绕组22为矩形扁线，内层7的材质为铜
‑
石墨烯合金，由铜
‑
石墨烯合金制成的内层7具有高电导率，电导率(iacs)大于等于101％，提高了单发卡绕组22的导电性能，降低了发卡式绕组4的热功耗，同时铜
‑
石墨烯合金的热导率大于等于383w/(m
·
k)与常温下纯铜热导率385w/(m
·
k)相近，导热性能未受影响。
[0032]
本发明中，外层8的材质为石墨烯
‑
铜复合散热膜，由石墨烯
‑
铜复合散热膜制成的
外层8具有高热导率，平面热导率1200
‑
1600w/(m
·
k)，远大于铜的热导率，法向热导率20
‑
50w/(m
·
k)，同时，散热膜的厚度减小了绝缘漆16的使用量，而绝缘漆16的热导率0.21w/(m
·
k)，远小于散热膜17的平面热导率和法向热导率，也加速了定子电枢3的端部热功耗通过电子铁芯9中部向冷却液的传递，大大降低了电机本体1的温升，同等温升情况下，可以实现更高的转矩密度和功率密度，且由铜
‑
石墨烯合金制成的内层7还具有抗氧化、耐腐蚀性能优异的特点，电子铁芯9的内侧面设置有卡槽12。
[0033]
本发明中，卡槽12包括轭部13与齿部14，卡槽12用于安装定子电枢3的整体，齿部14防止定子电枢3掉落，机壳2的外表面且位于机壳2的两端均设置有卡圈18。
[0034]
本发明中，卡圈18的内侧面卡接有端盖19，端盖19的内侧面且沿轴线设置有轴孔20，轴孔20是转子中心轴的输出端安装的地方。
[0035]
本发明中，端盖19靠近机壳2的一侧设置有与卡圈18配合的凸环21，卡圈18与凸环21的配合使得端盖19的安装更加紧密，不易在电机本体1的运行过程中发生晃动，机壳2的壁厚小于电子铁芯9的壁厚。
[0036]
使用时，电机本体1通电后，定子电枢3产生磁场，转子会做切割磁场的运动而发生转动，电机本体1开始运行，使转子中心轴输出端能够带动外部设备运转，同时电机本体1的内部产生大量的热量，定子电枢3的端部绕组铜耗传递路径为：发卡式绕组4端部
→
电子铁芯9处绕组
→
电子铁芯9
→
机壳2
→
冷却液腔10，加大定子电枢3的电流时，此时发卡式绕组4铜耗高，发卡式绕组4的端部传热路径长，传热热阻大，超过绝缘材料最高耐受温度；在电机本体1峰值转矩工况下，因时间较短，电机本体1持续发热，达不到要求的峰值转矩工作时间，本发明单发卡绕组22等的矩形截面采用内层7铜
‑
石墨烯合金、外层8石墨烯
‑
铜复合散热膜方案，铜
‑
石墨烯合金电导率(iacs)大于等于101％，热导率大于等于383w/(m
·
k)，导电性能略强于铜，热功耗更低，因此可以进一步加大电流，石墨烯
‑
铜复合散热膜平面热导率1200
‑
1600w/(m
·
k)，单发卡绕组22的端部热功耗经由石墨烯
‑
铜复合散热膜经途中所示箭头方向递至截面a
‑
a处，因石墨烯
‑
铜复合散热膜的高平面热导率，此轴向传热热阻大大降低，如图8中，当热量传递到a
‑
a截面时，经绝缘漆16、绝缘膜17传递至齿部14的过程中，由于石墨烯
‑
铜复合散热膜的厚度0.3mm(以3.4
×
1.7mm2单发卡绕组22为例)，则绝缘漆16的浸漆厚度变薄(假设原厚度为0.8mm)至0.5mm，而石墨烯
‑
铜复合散热膜的法向热导率(20
‑
25w/(m
·
k))远远大于绝缘漆16的热导率(0.2w/(m
·
k))，此径向传热热阻大大降低，传递至齿部14的热功耗，然后经过轭部13、机壳2传递到冷却液腔10，经冷却液的强迫对流带走，铜
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石墨烯合金的高电导率，降低了定子电枢3的热功耗，石墨烯
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铜复合散热膜的高平面热导率和法向热导率，减小了发卡式绕组4端部至冷却液腔10的传热热阻，加速了发卡式绕组4端部的散热速度，降低了发卡式绕组4的端部温升，整体降低了定子电枢3的温升，可以进一步加大定子电枢3的输入相电流，增加电机本体1的转矩密度，当电机本体1工作在峰值转矩下，由于铜
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石墨烯的高电导率和石墨烯
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铜复合散热膜的高热导率，其定子电枢3损耗低，定子电枢3端部传递到冷却液腔10的传热热阻低，降低了电机本体1峰值工况下的绕组温升，可以延长峰值转矩的工作时间，外层8的石墨烯
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铜复合散热膜虽具有高的热导率，散热膜厚度t应能保证石墨烯
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铜复合散热膜截面热阻比内层7铜
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石墨烯合金热阻低，可充分发挥石墨烯
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铜复合散热膜高热导率的优势，此外，由单发卡绕组22在焊点处6焊接构成的发卡式线圈5，构成定子电枢3的绕组的操作，较普遍的缠绕式绕组更加简单。
[0037]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。