一种定子结构及扁线电机的制作方法

1.本实用新型属于扁线电机技术领域，特别涉及一种定子结构及采用该定子结构的扁线电机。


背景技术：

2.目前，扁线电机被广泛应用于新能源电动汽车领域中，其通过减小扁线导体横截面积、增加每槽扁线导体层数的方法，可以降低电机高速区间由于磁场高频变化导致集肤效应而产生的扁线涡流损耗，从而提高电机效率。
3.然而，在上述降低电机高速区间扁线涡流损耗的方法中存在以下问题：减小扁线导体横截面积会导致直流电阻增加而减小扁线绕组的优势，进而降低电机在低速低扭区和汽车巡航工况的效率。
4.另外，由于扁线绕组匝数同时受定子槽数、转子极数、每槽扁线导体层数和并联支路数影响，因此在电机输出性能确定后，每槽扁线导体层数存在设计局限性，不便调整。在此情况下，为了实现需求匝数，在增加扁线导体层数的同时，可能需要设计不同槽数的定子铁芯和不同极数的转子铁芯，从而不利于新能源车用电机的平台化和通用化设计。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本实用新型公开了一种全新形式的定子结构及扁线电机，以克服上述问题或者至少部分地解决上述问题。
6.为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
7.一种定子结构，包括定子铁芯、定子绕组和避让层；所述定子铁芯具有内筒腔，并且在所述定子铁芯的端面设有多个沿周向间隔布置的铁芯槽，所述铁芯槽与所述内筒腔之间通过槽口连通；所述定子绕组具有绕制在所述铁芯槽的多层扁线导体；沿所述定子铁芯的径向，所述避让层位于所述槽口与首层所述扁线导体之间。
8.可选的，所述避让层采用与所述定子铁芯相同的材质；所述避让层位于所述铁芯槽的内部，并且固定在所述槽口与首层所述扁线导体之间通道的两侧。
9.可选的，所述避让层作为所述定子铁芯的一部分，构成所述铁芯槽以及所述槽口与首层所述扁线导体之间的通道。
10.可选的，所述避让层位于所述铁芯槽中所述槽口与首层所述扁线导体之间，并且所述避让层与所述铁芯槽和所述扁线导体采用绝缘接触。
11.可选的，所述避让层为非导磁层、非导电层。
12.可选的，所述避让层为导热层。
13.可选的，所述避让层采用中空结构，并且所述避让层的内部设有冷媒介质。
14.可选的，所述避让层包括金属壳和冷媒介质，所述金属壳为导热金属材质构成的中空结构，所述冷媒介质位于所述金属壳的内部。
15.可选的，该定子结构还设有冷却环；所述冷却环采用中空结构并且设有端口；沿所
述定子铁芯的轴向，所述避让层的端部伸出所述铁芯槽并且与所述冷却环连通。
16.可选的，所述冷却环的环形周向截面积不小于所述避让层沿所述定子铁芯轴向的截面积。
17.可选的，沿所述定子铁芯的径向，所述避让层的尺寸为1～6mm。
18.一种扁线电机，包括上述任意一项所述的定子结构。
19.本实用新型的优点及有益效果是：
20.在本实用新型的定子结构中，通过在槽口与首层扁线导体之间设置避让层，利用避让层增加首层扁线导体与槽口之间的距离。这样，在电机运行过程中，使磁场高频变化产生的集肤效应作用在避让层处，从而降低在首层扁线导体处产生的集肤效应，削弱槽口漏磁通对首层扁线导体的影响，进而降低首层扁线导体的涡流损耗，降低整个电机的涡流损耗，达到提升电机效率的技术效果。
附图说明
21.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
22.图1为本实用新型实施例一中定子结构的外形结构示意图；
23.图2为本实用新型实施例一中定子结构去除定子绕组端部后的端面结构示意图；
24.图3为本实用新型实施例一中定子结构的局部放大结构示意图；
25.图4为本实用新型实施例二中定子结构的局部放大结构示意图；
26.图5为本实用新型实施例三中定子结构的外形结构示意图；
27.图6为本实用新型实施例三中定子结构去除定子绕组端部后的端面结构示意图；
28.图7为本实用新型实施例三中定子结构的局部放大结构示意图；
29.图8为基础组的电机效率map图；
30.图9为对比组一与基础组之间的效率差图；
31.图10为对比组二与基础组之间的效率差图；
32.图11为对比组三与基础组之间的效率差图；
33.图12为本实用新型实施例三中虚拟导体与冷却环连接的外形结构示意图；
34.图中：11、定子铁芯；12、定子绕组；13、避让层；111、内筒腔；112、铁芯槽；113、槽口；121、扁线导体；21、定子铁芯；23、避让层；213、槽口；221、扁线导体；31、定子铁芯；32、定子绕组；33、避让层；34、冷却环；312、铁芯槽；313、槽口；321、扁线导体；341、端口。
具体实施方式
35.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型具体实施例及相应的附图对本实用新型技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
36.以下结合附图，详细说明本实用新型各实施例提供的技术方案。
37.实施例一
38.本实施例公开了一种定子结构，该定子结构能够作为扁线电机的定子结构，以降低靠近槽口处扁线导体的涡流损耗，提升整个电机效率。
39.结合图1至图3所示，本实施例的定子结构包括定子铁芯11、定子绕组12和避让层13。定子铁芯11采用圆柱体并且具有安装转子的内筒腔111，在定子铁芯11的轴向端面设有48个沿周向间隔布置的铁芯槽112，并且铁芯槽112沿定子铁芯11的轴向贯穿整个定子铁芯11，每一个铁芯槽112分别通过一个对应的槽口113与内筒腔111形成连通。定子绕组12具有绕制在铁芯槽112的扁线导体121，其中在每一个铁芯槽112的内部平行安插有四层扁线导体121，并且在扁线导体121与铁芯槽112的内壁之间铺设有绝缘纸。沿定子铁芯11的径向，避让层13固定在每一个槽口113与对应铁芯槽112内的首层扁线导体121之间。
40.其中，在本实施例中，避让层13采用与定子铁芯11相同的材质制备而成，例如硅钢材质，并且避让层13作为独立结构位于铁芯槽112的内部，不属于定子绕组12的一部分，也不与扁线导体121形成绕组连接。避让层13由两个梯形块构成，并且两个梯形块固定在槽口113与首层扁线导体121之间径向通道两侧的定子铁芯11上，同时由避让层13构成槽口113与首层扁线导体121之间径向通道的一部分，而避让层13中上底与斜腰之间的夹角直接作为槽肩倾斜角，根据设计选取角度范围为0
°
～90
°
。
41.此时，在槽口与首层扁线导体之间设置避让层，并且将避让层选用与定子铁芯相同材质的情况下，通过将避让层固定在铁芯槽内部中槽口与首层扁线导体之间径向通道的两侧位置，从而形成槽口悬移设计，即相较于常规定子结构，在本实施例的定子结构中，沿定子铁芯的径向，增加了首层扁线导体与槽口之间的距离。这样，在电机高速运行的过程中，使磁场高频变化产生的集肤效应作用在避让层处，而降低在首层扁线导体处产生的集肤效应，从而削弱槽口漏磁通对首层扁线导体的影响，降低首层扁线导体的涡流损耗，进而降低整个电机的涡流损耗，达到提升电机效率的技术效果。
42.针对当前应用于新能源电动汽车中的多数扁线电机，即外径尺寸在500mm以内并且槽口尺寸沿定子铁芯径向为0.5～1.5mm的定子铁芯，将避让层沿定子铁芯径向的尺寸优选设计为1～6mm。这样，在有效降低首层扁线导体处所产生集肤效应，削弱槽口漏磁通影响的情况下，可以控制整个定子结构的尺寸，从而满足采用该定子结构的扁线电机在新能源电动汽车中的应用。当然，针对应用在其他工况环境中的更大尺寸扁线电机，避让层沿定子铁芯径向的尺寸，即槽口悬移尺寸，可以根据具体情况进行调整，以达到有效增加首层扁线导体与槽口之间距离而削弱槽口漏磁通影响的目的。
43.实施例二
44.结合图4所示，本实施例公开了一种定子结构，相较于实施例一，在本实施例的定子结构中，避让层23直接作为了定子铁芯21中槽肩的一部分。相较于常规定子铁芯，在本实施例中通过将避让层23沿定子铁芯21的径向尺寸转移至定子铁芯21中齿部沿定子铁芯21的径向尺寸，从而增加槽口213与首层扁线导体221之间的距离，形成槽口悬移设计。
45.此时，在定子铁芯的制备过程中，根据避让层的径向尺寸，对定子铁芯中齿部的径向尺寸进行相应的增加调整，直接将避让层作为定子铁芯的一部分，从而省去对避让层的单独制备以及后续对避让层的再次安装，进而达到对槽口悬移设计制备工艺的优化。
46.实施例三
47.结合图5至图7所示，本实施例公开了一种同样能够应用于扁线电机的定子结构，该定子结构包括定子铁芯31、定子绕组32和避让层33。其中，相较于实施例一中的定子结构，在本实施例的定子结构中，避让层33为非导磁、非导电层，由非导磁、非导电材质制备而成，并且位于铁芯槽312中槽口313与首层扁线导体321之间的位置，从而作为虚拟导体位于铁芯槽312的内部。同时，避让层33与铁芯槽312和扁线导体321之间形成绝缘接触。
48.此时，在本实施例中，采用虚拟导体设计，将避让层作为非导磁、非导电的虚拟导体，并固定在铁芯槽中最靠近槽口的位置处，从而由虚拟导体替代常规定子结构中首层扁线导体在铁芯槽内的位置，使首层扁线导体沿铁芯槽的径向外移，增加首层扁线导体与槽口之间的距离。这样，在电机高速运行的过程中，使磁场高频变化而在产生的集肤效应集中在虚拟导体处，从而削弱槽口漏磁通对首层扁线导体的影响，降低首层扁线导体的涡流损耗，进而降低整个电机的涡流损耗，达到提升电机效率的技术效果。
49.具体的，针对当前应用于新能源电动汽车中的多数扁线电机，即外径尺寸在500mm以内并且槽口尺寸沿定子铁芯径向为0.5～1.5mm的定子铁芯，在本实施例中，保持槽口沿定子铁芯径向尺寸不变的情况下，将沿定子铁芯径向尺寸优选设计为1～6mm的虚拟导体安插在铁芯槽中靠近槽口的位置，之后再依此将扁线导体安插在铁芯槽内，从而达到增加首层扁线导体与槽口之间距离的效果。
50.其中，在本实施例中，避让层采用非导磁、非导电的高聚物树脂类材质进行虚拟导体的制备。这样，借助树脂类材质的低成本、易加工、质量轻的优点，可以降低整个定子结构的重量和成本，进而实现电机的轻量化和低成本。
51.另外，在本实用新型中，由于避让层既不属于定子绕组的一部分，也不与扁线导体形成绕组连接，因此在避让层采用实施例一和实施例三中的结构形式时，可以通过粘接或槽口灌胶等方式进行位置固定，以保证电机的正常运行。
52.接下来，对常规定子结构、槽口悬移定子结构和虚拟导体定子结构这三种不同形式的定子结构进行比对分析。其中，在常规定子结构的槽口高度为1mm，并且保持定子结构中齿宽、轭高和扁线导体层数不变的情况下，将槽口悬移定子结构中的槽口高度设计为4mm，将虚拟导体定子结构中的虚拟导体尺寸设计为3mm，从而使槽口悬移定子结构和虚拟导体定子结构中首层扁线导体与槽口之间的距离均增加3mm，并且在槽口悬移定子结构和虚拟导体定子结构中采用同尺寸的扁线导体。
53.在转速为6000rpm下，针对均采用8层扁线导体的三种不同形式定子结构进行仿真分析，获得三种不同形式定子结构中各层扁线导体的交流损耗占比数据，如表1所示。
54.表1
55.扁线导体层号12345678常规定子结构43.716.011.18.56.75.44.54.1槽口悬移定子结构29.315.712.610.69.28.17.47.1虚拟导体定子结构22.817.014.011.710.18.88.07.6
56.根据表1所示，相较于常规定子结构中首层扁线导体占比43.7％的交流损耗，槽口悬移定子结构中首层扁线导体的交流损耗占比和虚拟导体定子结构中首层扁线导体的交流损耗占比分别降低至29.3％和22.8％，从而大大降低首层扁线导体的涡流损耗占比。同时，相较于常规定子结构中首层扁线导体与尾层扁线导体之间10.6倍的交流损耗占比差，
槽口悬移定子结构中首层扁线导体与尾层扁线导体之间交流损耗占比差降低至4.1倍，虚拟导体定子结构中首层扁线导体与尾层扁线导体之间交流损耗占比差进一步降低至3倍。
57.因此，相较于常规定子结构，在槽口悬移定子结构和虚拟导体定子结构中，不仅降低了首层扁线导体的交流损耗占比，而且使各层扁线导体的交流损耗占比分布趋于平均，大大削弱了涡流槽口的聚集效应。这样，可以避免热量在单层扁线导体的集中，从而延长整个定子结构的工作寿命，提升电机的工作稳定性。
58.进一步，针对采用三种不同形式定子结构的电机进行电机效率比对分析。以匝数为24且采用8层扁线导体的常规定子结构的电机作为基础组，在定子结构中铁芯槽尺寸和匝数保持不变的情况下，以采用6层扁线导体的常规定子结构的电机作为对比组一、采用6层扁线导体的槽口悬移定子结构的电机作为对比组二、采用6层扁线导体的虚拟导体定子结构的电机作为对比组三。其中，四个组中扁线导体的尺寸和铜重关系如表2所示。
59.表2
60.组别基础组对比组一对比组二对比组三扁线导体尺寸[mm]4.2х2.44.2х3.34.2х2.974.2х2.97铜重[kg]14.815.313.713.7
[0061]
通过仿真分析，分别获得图8所示基础组的电机效率map图，图9所示对比组一与基础组之间的效率差图，图10所示对比组二与基础组之间的效率差图，图11所示对比组三与基础组之间的效率差图。
[0062]
结合图8和图9所示，相较于采用8层扁线导体的常规定子结构的电机，在保持定子结构不变的情况下，通过增加单个扁线导体的尺寸而将每个铁芯槽内的扁线导体层数减少至6层时，由于单根扁线导体的截面积变大，直流损耗减小，在0～900rpm的低速区，电机效率最大提高了0.2％，而交流损耗则随着转速的增加急速增大，当转速升高至8000rpm时，电机效率降低了1.5％。因此，在采用常规定子结构的情况下，通过增加每个铁芯槽内的扁线导体层数可以提高电机在中高速工况中的效率。
[0063]
结合图8和图10所示，相较于采用8层扁线导体的常规定子结构的电机，在采用槽口悬移定子结构的情况下，通过增加单个扁线导体的尺寸而将每个铁芯槽内的扁线导体层数减少至6层时，随着转速的增加，采用槽口悬移定子结构的电机效率逐渐升高，当转速升高至8000rpm时，电机效率提高约0.5％。进一步，结合表2所示，采用槽口悬移定子结构并将扁线导体层数降低至6层时的铜重低于采用常规定子结构时8层扁线导体所用铜重。因此，相较于常规定子结构，通过采用槽口悬移定子结构，不仅可以减少铜重，降低铜耗，而且还可以提升电机的高速效率。
[0064]
结合图8和图11所示，相较于采用8层扁线导体的常规定子结构的电机，在采用虚拟导体定子结构的情况下，通过在铁芯槽内设置虚拟导体，并且增加单个扁线导体的尺寸而将每个铁芯槽内的扁线导体层数减少至6层时，不仅可以保证电机在常用工况1000～4000rpm下电机效率基本不变，而且还可以将电机效率的浮动稳定在0.1％以内，同时结合表2所示，还减少了铜重，减低了铜耗。
[0065]
综上，通过在定子结构中槽口与首层扁线导体之间设置避让层，不仅可以有效降低铜耗，而且在稳定甚至提升电机效率的情况下，可以实现少层扁线导体对多层扁线导体的替代，从而提高匝数选择的灵活性和铁芯冲片的通用性，即在相同绕组匝数的情况下，减
少扁线导体层数，从而在保证电机效率的同时降低铜用量和工艺下线难度，而在绕组匝数选择受限的情况下，则可以灵活降低层数，从而实现新的绕组匝数，使铁芯冲片和模具无需重新开发，进而降低设计制造成本。
[0066]
结合图5、图7和图12所示，在实施例三的定子结构中，采用虚拟导体的避让层33为中空结构，选用非导磁、非导电且具有导热性的材质制备而成，并且在避让层33的内部设有冷媒介质，例如变速箱油，从而使避让层33形成一个导热层，这样利用冷媒介质在虚拟导体内的流动对热量进行交换和转移，进而达到对定子结构的冷却降温处理。
[0067]
这样，在采用虚拟导体的避让层达到降低铜耗，提高匝数选择灵活性和铁芯冲片通用性的情况下，还可以对定子结构进行冷却降温处理，从而进一步提高采用该定子结构的扁线电机在新能源电动汽车中的使用效果。
[0068]
进一步，在实施例三的定子结构中，还设有两个冷却环34。其中，冷却环34采用中空结构并且设有一个端口341，沿定子铁芯31的轴向，两个冷却环34分别位于定子铁芯31的两端，与作为避让层33的所有虚拟导体的端面形成连通，从而将所有虚拟导体构成一个整体并由两个冷却环34上的端口341分别作为冷媒介质的进口和出口，实现冷媒介质的循环流动，提高对定子结构的冷却效果。
[0069]
再进一步，将冷却环的环形周向截面积设计为不小于虚拟导体沿定子铁芯轴向的截面积。这样，可以使冷却媒介及时快速流出虚拟导体而进入冷却环，保证对定子结构的冷却效果。
[0070]
此外，在其他实施例中，根据冷却环的尺寸以及对冷却处理要求的不同，可以调整冷却环上端口的开设数量和位置，从而对冷却媒介形成不同的循环流动效果，以满足不同的冷却要求。
[0071]
当然，在其他实施例中，根据设计和使用环境的不同，也可以采用冷却水作为冷媒介质对定子结构进行冷却降温。此外，在本实施例中虚拟导体采用非导磁、非导电且具有导热性材质制备而成的中空结构和冷媒介质配合的方式实现对定子结构的冷却，而在其他实施例中，在采用高导热材质制备虚拟导体的情况下，还可以直接将虚拟导体设计为实心结构，从而省去对冷媒介质的使用，利用材质自身的高导热性能将定子结构内部的热量快速引出，达到对定子结构的冷却散热效果。
[0072]
实施例四
[0073]
本实施例公开了一种同样能够应用于扁线电机的定子结构，该定子结构与实施例三中的定子结构相类似，采用虚拟导体设计，其区别在于，本实施例中的虚拟导体由管状的金属壳和冷媒介质构成，其中金属壳采用铝材制成并且为中空结构设计，冷媒介质采用冷却油并且位于金属壳的内部。同时，该虚拟导体借助绝缘纸与铁芯槽和扁线导体形成绝缘接触。
[0074]
此时，通过在槽口与首层扁线导体之间以绝缘接触的方式安装金属壳和冷媒介质构成的虚拟导体，不仅达到增加首层扁线导体与槽口之间距离，使磁场高频变化产生的集肤效应作用在与铁芯槽和扁线导体绝缘接触的避让层处，降低首层扁线导体的涡流损耗，而且借助具有较高导热性能的金属壳以及位于其内部的冷媒介质，可以大幅度提升对定子结构的冷却效果，提升电机的整个工作效率。
[0075]
进一步，在本实施例的定子结构中，同样可以设置冷却环，利用冷却环对所有的虚
拟导体进行连通，实现冷媒介质的循环流动，提高对定子结构的冷却效果。金属壳则还可以采用同样具有较高导热性能的不锈钢材质制备，冷媒介质则可以选用水和乙二醇混合物。
[0076]
另外，在其他实施例中，避让层还可以采用其他形式的虚拟导体，例如选用非导磁、非导电的流体作为虚拟导体。此时，通过调整首层扁线导体在铁芯槽内的安装位置，在槽口与首层扁线导体之间留出空腔区域并充入非导磁、非导电的流体，例如干燥空气或冷却油，其中采用冷却油时可以借助槽口灌封和铁芯槽端面封堵的方式形成避让层，并且再通过在铁芯槽端面设置相应开口，用于非导磁、非导电流体的进出。这样，就可以在铁芯槽内形成非导磁、非导电的避让层，增加首层扁线导体与槽口之间距离，从而降低首层扁线导体的涡流损耗，提升电机效率。
[0077]
以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，在本实用新型的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行其他的改进或变形。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好的解释本实用新型的目的，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。