一、背景
圖1.1
新能源汽車目前處于快速發展時期,產品質量快速提升,消費者對整車性能要求越來越高。由于扁線電機在高效率,高功率密度,優秀NVH,高集成性和低成本方面相比圓線電機有明顯的優勢,所以眾多高端車型均搭載扁線電機,如(圖1.1)各暢銷車型使用扁線電機情況如下,預計在2025年扁線電機的滲透率會更大。如(圖1.2)搭載在特斯拉Model Y的10層扁線電機在去年首次曝光,扁線技術又將迎來大家熱議的話題。
圖1.2
扁線雖然擁有許多傳統繞組不可比擬的優點,但同時扁線電機也有部分劣勢,及工藝難點。
1、設備投資大;
2、加工難度增大(插頭、線成型、扭頭、切平、焊接等)與圓線電機工藝上有很大差異,且對設備的精度和工藝一致性要求極高;
3、系列化難度大,由于扁線電機匝數相對固定,很難通過簡單增加疊厚,來滿足不同產品對于電機性能的需求;
4、專利壁壘。
此篇主要介紹各廠家的扁線電機專利中幾種特殊的繞組結構,針對上述扁線電機痛點,做了哪些創新。
在上一期文章《扁線電機繞組技術解析(一)》中主要講解了繞組的基本結構、原理及扁線電機基本的繞組方案。如果已經遺忘的小伙伴可以再復習下。
二、傳統扁線繞組結構
1、 整距波繞組
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。由于工藝能力限制,目前國內扁線電機層數以4層、6層、8層為主。以8極48槽8層波繞扁線電機為例,層數由外徑向內徑編號為a-h,OX代表槽內電流流向,紅色和藍色代表不同的兩支路,實線和虛線代表hairpin繞組的皇冠端和焊接端:
圖2.1
如(圖2.1)按照繞線次序和并聯支路分類,繞組結構為A=2,每條支路共8個子繞線段,1根橋接線。
第一支路:
第一子繞線段;(7a-13b)、(19a-25b)、(31a-37b)、(43a-1b)
第二子繞線段;(7c-13d)、(19c-25d)、(31c-37d)、(43c-1d)
第三子繞線段;(7e-13f)、(19e-25f)、(31e-37f)、(43e-1f)
第四子繞線段;(7g-13h)、(19g-25h)、(31g-38h)、(43g-1h)
橋接線;(1h-8h)
第五子繞線段;(8h-2g)、(44h-38g)、(32h-26g)、(20h-14g)
第六子繞線段;(8f-2e)、(44f-38e)、(32f-26e)、(20f-14e)
第七子繞線段;(8d-2c)、(44d-38c)、(32d-26c)、(20d-14c)
第八子繞線段;(8b-2a)、(44b-38a)、(32b-26a)、(20b-14a)
第二支路:
第一子繞線段;(8a-14b)、(20a-26b)、(32a-38b)、(44a-2b)
第二子繞線段;(8c-14d)、(20c-26d)、(32c-38d)、(44c-2d)
第三子繞線段;(8e-14f)、(20e-26f)、(32e-38f)、(44e-2f)
第四子繞線段;(8g-14h)、(20g-26h)、(32g-38h)、(44g-2h)
橋接線;(2h-7h)
第五子繞線段;(7h-1g)、(43h-37g)、(31h-25g)、(19h-13g)
第六子繞線段;(7f-1e)、(43f-37e)、(31f-25e)、(19f-13e)
第七子繞線段;(7d-1c)、(43d-37c)、(31d-25c)、(19d-13c)
第八子繞線段;(7b-1a)、(43b-37a)、(31b-25a)、(19b-13a)
如(圖2.1)按照焊接端扭轉方向分類,分為兩類導體;
第一類導體;左支腿向左扭轉-右支腿向右扭轉,如(19a-25b)
第二類導體;左支腿向左扭轉-右支腿向左扭轉,如(8h-2g)
如(圖2.1)按照焊接端分離方向分類,分為三類導體;
第一類導體;左支腿向內分離-右支腿向外分離,如(19a-25b)
第二類導體;左支腿向內分離-右支腿向內分離,如(43a-1b)
第三類導體;左支腿向外分離-右支腿向外分離,如(7c-13d)
小結:
(1)繞組按照節距Y=6沿線制方向像波浪似地繞制a、b層后。在繞制完第一子繞線段(43a-1b)后,由于要繼續繞制后面的層號,且7a已經占用,1b無法和7a相連。故改變焊接端的分離方向,跨層(1b-7c)相連后繼續繞制。其余子繞線段同理。
(2)在繞制完第四子繞線段(43g-1h)后,已經無法再次跨層。但偶數槽號的U相還未開始繞制,故需要改變跨距,由從跨距6變為7.我們它通常把(1h-8h)這根繞組叫做橋接線或者異形pin。橋接后,繞制方向由順時針改變為逆時針,反向繼續繞制完剩余U1槽。
(3)在實際繞制最后g、h兩層的操作中,不一定要繞制完一圈直到(43g-1h)后開始向前橋接,也可在此之前橋接,如(圖2.2)橋接線變為(1h-44h),也可繞制完成。只有進出線相對位置發生變化14a出線變為2a出線。需要注意的是橋接位置選擇不當可能導致進出線端相距過遠,busbar布置困難,通常只采用上述兩種方式。如(圖2.1)按照繞線次序和并聯支路分類,繞組結構為A=2,每條支路共8個子繞線段,1根橋接線。
圖2.2
(4)在實際繞制中,皇冠端之間要保證相互平行,焊接端之間也要保證相互平行,如(7a-13b)、(7c-13d)、(8a-14b),避免不同層交叉焊接,會導致pin線間出現干涉。
(5)此繞組結構同樣適用于并聯支路數A=1、4。如(圖2.1)只需將(14a-8a)相連,則變為A=1;或將橋接線拆開,增加出線端1h和進線端8h,則變為A=4
(6)同樣,此繞組結構也可沿逆時針方向繞制如(7a-1b);由于異形pin會占用徑向空間,也可將a-h層對調,由外側出線改為內側出線;也可以虛線實線對調,出線由皇冠端出線變為焊接端出線。
2、短距波繞組
為有效削弱五次和七次諧波,實際應用中通常采用短距繞法,如圖(2.3),線圈一側跨距Y1=7,另一側跨距Y2=5,合成節距Y=極距2τ=48/4=5+7=12。
圖2.3
如(圖2.3)按照繞線次序和并聯支路分類,繞組結構為A=2,每條支路共8個子繞線段,1根橋接線。
第一支路:
第一子繞線段;(7a-14b)、(19a-26b)、(31a-38b)、(43a-2b)
第二子繞線段;(7c-14d)、(19c-26d)、(31c-38d)、(43c-2d)
第三子繞線段;(7e-14f)、(19e-26f)、(31e-38f)、(43e-2f)
第四子繞線段;(7g-14h)、(19g-26h)、(31g-38h)、(43g-2h)
橋接線;(2h-8h)
第五子繞線段;(8h-1g)、(44h-37g)、(32h-25g)、(20h-13g)
第六子繞線段;(8f-1e)、(44f-37e)、(32f-25e)、(20f-13e)
第七子繞線段;(8d-1c)、(44d-37c)、(32d-25c)、(20d-13c)
第八子繞線段;(8b-1a)、(44b-37a)、(32b-25a)、(20b-13a)
第二支路:
第一子繞線段;(8a-15b)、(20a-27b)、(32a-39b)、(44a-3b)
第二子繞線段;(8c-15d)、(20c-27d)、(32c-39d)、(44c-3d)
第三子繞線段;(8e-15f)、(20e-27f)、(32e-39f)、(44e-3f)
第四子繞線段;(8g-15h)、(20g-27h)、(32g-39h)、(44g-3h)
橋接線;(3h-9h)
第五子繞線段;(9h-2g)、(45h-38g)、(33h-26g)、(21h-14g)
第六子繞線段;(9f-2e)、(45f-38e)、(33f-26e)、(21f-14e)
第七子繞線段;(9d-2c)、(45d-38c)、(33d-26c)、(21d-14c)
第八子繞線段;(9b-2a)、(45b-38a)、(33b-26a)、(21b-14a)
如(圖2.3)按照焊接端扭轉方向分類,分為兩類導體;
第一類導體;左支腿向左扭轉-右支腿向右扭轉,如(19a-26b)
第二類導體;左支腿向左扭轉-右支腿向左扭轉,如(8h-1g)
如(圖2.3)按照焊接端分離方向分類,分為三類導體;
第一類導體;左支腿向內分離-右支腿向外分離,如(19a-26b)
第二類導體;左支腿向內分離-右支腿向內分離,如(43a-2b)
第三類導體;左支腿向外分離-右支腿向外分離,如(7c-14d)
小結:
(1)短距繞組跨層方式與整距類似,同樣是在繞制完一圈后改變焊接端的分離方向,跨層線(3b-8c)相連后繼續繞制。
(2)短距繞組橋接方式與整距類似,在繞制完第四子繞線段(44g-3h)后,改變跨距由從跨距5變為6,繞制方向由順時針改變為逆時針,反向繼續繞制完剩余U1的槽。
(3)如(圖2.4),同樣短距繞組也可在(43g-2h)向前橋接,橋接線變為(2h-44h)。
圖2.4
(4)同理,皇冠端之間要保證相互平行,焊接端之間也要保證相互平行,避免不同層交叉焊接,會導致pin線間出現干涉。
(5)同理,也可將此繞組結構改為A=1、4;由順時針繞制改為逆時針方向繞制;由外側出線改為內側出線;由皇冠端出線改為焊接端出線。
(6)由于短距繞組,并非每一個槽不同層數之間都是相同相位,如7a和7b之間相位分別為U+和W-。則層與層之間存在較大的電勢差,對于高壓系統來說。對于絕緣要求更高。
三、松正-CN202010958051
此專利中介紹了一種長短距和長整距或短整距繞組混繞波繞方案。其特征在于:所述定子鐵芯徑向相鄰的第M層與第M+1層的導體的相焊接的兩個焊接端部之間的節距為短節距或長節距,其他相鄰兩層的導體的相焊接的兩個焊接端部之間的節距為整節距。以8極48槽6pin,A=2為例,如(圖3.1)
圖3.1
按照繞線次序和并聯支路分類,繞組結構為A=2,每條支路共6個子繞線段,1根橋接線。
第一支路
第一子繞線段;(13b-8a)、(2b-43a)、(37b-32a)、(26b-19c)
第二子繞線段;(14d-8c)、(3d-43c)、(38d-32c)、(27d-21e)
第三子繞線段;(15f-8e)、(2f-45e)、(39f-32e)
橋接線:(26f-33f)
第四子繞線段;(39e-44f)、(2e-9f)、(15e-20f)、(26e-32d)
第五子繞線段;(37c-45d)、(2c-8d)、(13c-21d)、(26c-31b)
第六子繞線段;(37a-44b)、(2a-7b)、(13a-20b)
第二支路
第一子繞線段;(14b-7a)、(1b-44a)、(38b-31a)、(25b-20c)
第二子繞線段;(15d-7c)、(2d-44c)、(39d-31c)、(26d-20e)
第三子繞線段;(14f-9e)、(3f-44e)、(38f-33e)
橋接線;(27f-32f)
第四子繞線段;(38e-45f)、(3e-8f)、(14e-21f)、(27e-33d)
第五子繞線段;(38c-44d)、(1c-9d)、(14c-20d)、(25c-32b)
第六子繞線段;(38a-43b)、(1a-8b)、(14a-19b)
按照焊接端扭轉方向不同分為兩類相同;
左支腿向左扭轉-右支腿向右扭轉,如(13b-8a)
焊接端分離方向相同;
左支腿向內分離-右支腿向外分離,如(13b-8a)
小結:
(1)如(圖3.2)長短距繞組是指:在a、b層之間或者e、f層之間,皇冠端采用兩種成型導體,如(圖3.5)長節距導體200A設于短節距導體200B外部,長節距導體200A的節距為7,短節距導體200B節距為5。
圖3.2 皇冠端連線
圖3.3 焊接端連線
(2)如(圖3.2)長整距繞組是指:在c、d層之間,皇冠端采用兩種成型導體,如(圖3.6)長節距導體250A設于整節距導體250B外部,長節距導體250A的節距為8,整節距導體250B節距為6。
圖3.4 皇冠端連線(變形)
(3)如(圖3.4)該繞組結構可將d、e、f相位由順時針偏移改為逆時針偏移,則c、d層長整距繞組變為整短距,如(圖3.7)整節距導體210A設于整節距導體210B外部,長節距導體210A的節距為8,整節距導體210B節距為6。
(4)如(圖3.4)該繞組結構可將26d與27d,32d與33d,32f與33f相位對調,橋接線可由同心結構連接變為整距結構連接。
(5)此繞組結構特點是扭轉工藝和分離工藝相對簡單,除了橋接線,其他槽繞組都是左支腿向左扭轉,右支腿向右扭轉,左支腿向內分離-右支腿向外分離。但此結構由于皇冠端跨距不同,導致導體種類增加,插線難度相對傳統繞組結構相對復雜。
(6)此繞組結構在磁路上并非按照45°機械角度對稱,但沿180°對稱。故無法使用A=1,最小并聯支路數為2。在A=2、4時該結構消除了不對稱產生的環路電流問題,降低轉矩波動,諧波少,降低噪音。
四、恒大-CN202111037524
此專利中介紹了一種長距和整距繞組混繞疊繞方案。其特征在于:所述繞組在同一條支路下,最內層和最外層所述線圈在同層中跨線,中間層在異層中跨線。以8極48槽8pin,A=2為例,如(圖4.1、圖4.2、圖4.3)
圖4.1
圖4.2 U1皇冠端連線
圖4.3 U2皇冠端連線
按照繞線次序和并聯支路分類,繞組結構為A=2,每條支路共8個子繞線段;
第一支路
第一子繞線段;(24a-31a)、(25b-31c)、(25d-32e)、(26f-32g)、(26h-32h)
第二子繞線段;(38g-32f)、(38e-31d)、(37c-31b)
第三子繞線段;(37a-42a)、(36b-42c)、(36d-43e)、(37f-43g)、(37h-43h)
第四子繞線段;(1g-43f)、(1e-43d)、(48c-42b)
第五子繞線段;(48a-7a)、(1b-7c)、(1d-8e)、(2f-8g)、(2h-8h)
第六子繞線段;(14g-8f)、(14e-7d)、(13c-7b)
第七子繞線段;(13a-18a)、(12b-18c)、(12d-19e)、(13f-19g)、(13h-19h)
第八子繞線段;(25g-19f)、(25e-18d)、(24c-18b)
第二支路
第一子繞線段;(25a-30a)、(24b-30c)、(24d-31e)、(25f-31g)、(25h-31h)
第二子繞線段;(37g-31f)、(37e-30d)、(36c-30b)
第三子繞線段;(36a-43a)、(37b-43c)、(37d-44e)、(38f-44g)、(38h-44h)
第四子繞線段;(2g-44f)、(2e-43d)、(1c-43b)
第五子繞線段;(1a-6a)、(48b-6c)、(48d-7e)、(1f-7g)、(1h-7h)
第六子繞線段;(13g-7f)、(13e-6d)、(12c-6b)
第七子繞線段;(12a-19a)、(13b-19c)、(13d-20e)、(14f-20g)、(14h-20h)
第八子繞線段;(26g-20f)、(26e-19d)、(25c-19b)
按跨距數量不同分為三類導體:
第一類導體;Y=6等距,如(25b-31c)
第二類導體;Y=5短距,如(37a-42a)
第三類導體;Y=7長距,如(25d-32e)
按照焊接端扭轉方向不同分為兩類導體;
第一類導體;左支腿向左扭轉-右支腿向左扭轉,如(37a-42a)
第二類導體;左支腿向右扭轉-右支腿向左扭轉,如(25b-31c)
第三類導體;左支腿向右扭轉-右支腿向右扭轉,如(26h-32h)
按照焊接端分離方向不同分為三類導體;
第一類導體;左支腿向內分離-右支腿向內分離,如(37a-42a)
第二類導體;左支腿向外分離-右支腿向內分離,如(25b-31c)
第三類導體;左支腿向外分離-右支腿向外分離,如(26h-32h)
小結:
(1)如(圖4.1、圖4.2、圖4.3)該疊繞結構在第a、h層所述線圈在同層中跨線,其余層線圈在異層中跨線,且同層跨線的線圈均為間隔排布,異層跨線的線圈之間連續排布。
(2)如(圖4.1、圖4.2、圖4.3)該疊繞結構在a層、h層線圈跨距為5、7間隔分布;在d、e層跨距為7;在b、c與f、g層跨距為6;實現長距、短距和整距混繞方案。從而能有效削弱諧波電動勢,改善磁勢波形,降低諧波引起的附加損耗,以及改善繞組在工作時產生的運動噪音。
(3)此繞組結構扭轉后導體形狀與傳統波繞組不同,且在第a、h層導體兩支腿都是沿同一方向扭轉(如圖4.4、圖4.5),在其余層導體兩支腿都是向內扭轉(如圖4.6),優勢在于可以使焊接端跨距都為6,且無橋接線。可以有效降低焊接端繞組高度。
\
(4)如(圖4.7、圖4.8)24槽、26槽U+可由單邊分布變為交錯分布,則繞組布線圖如(圖4.9、圖4.10、圖4.11所示),可使a、h層都變為整距,但會使U1、U2出線端和焊接端中間層的跨層數不同,可能會引起電阻不同,導致電流分布不均。
圖4.9
圖4.10
圖4.11
(5)此繞組結構特點是焊接端跨距都為6,且無橋接線。同樣由于皇冠端跨距不同,導致導體種類增加,插線難度相對傳統繞組結構相對復雜。
五、比亞迪-CN201810850677.2
此專利中介紹了一種跨層數>1的波繞方案。其特征在于:該繞組結構根據跨層數不同分為第一類導體段、第二類導體段。其中第一類導體段兩支腿分別位于最內層和最外層,第二類導體段兩支腿分別位于次內層和次外層。第一類導體段中間連接部外套于第二類導體段中間連接部,如(圖5.1)
圖5.1
按照繞線次序,共4個子繞線段
第一子繞線段;(1a-7d)、(1c-43b)、(37a-43d)、(37c-31b)、(25a-31d)、(25c-19b)、(13a-19d)、(13c-7b)
第二子繞線段;(2a-8d)、(2c-44b)、(38a-44d)、(38c-32b)、(26a-32d)、(26c-20b)(14a-20d)、(14c-8b)
橋接線;(8b-14b)
第三子繞線段;(14b-20c)、(26d-20a)、(26b-32c)、(38d-32a)、(38b-44c)、(2d-44a)、(2b-8c)、(14d-8a)
第四子繞線段;(13b-19c)、(25d-19a)、(25b-31c)、(37d-31a)、(37b-43c)、(1d-43a)、(1b-7c)、(13d-7a)
按照跨層數不同分為兩大類導體;
第一類導體;a(最外層)-d(最內層),如(1a-7d)
第二類導體;b(次外層)-c(次內層),如(1c-43b)
按照焊接端扭轉方向不同分為兩類導體;
第一類導體;左支腿向左扭轉-右支腿向右扭轉,如(1c-43b)
第二類導體;左支腿向右扭轉-右支腿向左扭轉,如(37a-43d)
按照焊接端分離方向不同分為三類導體;
第一類導體;左支腿向外分離-右支腿向內分離,如(1c-43b)
第二類導體;左支腿向內分離-右支腿向外分離,如(37a-43d)
小結:
(1)如(圖5.1)該繞組通過采用波繞式布線方式,并結合部分焊接端跨距的調整,同槽內電壓分布比較均勻,相鄰層間扁線電壓差較小,能有效減少電機絕緣擊穿風險。
(2)如(圖5.2,圖5.3)該繞組中性線(260)中設有3個凸起(262、263、264),其中(262)與U相(252A)焊接,(263)與W相(252W)焊接,(264)與V相(252B)焊接。
(3)如(圖5.2,圖5.4,圖5.5)該繞組橋接線(240)包含有U、V、W三相的橋接線(240A、240B、240W),其中橋接線可做成U 型結構如(圖5.4)采用凸起結構與焊接端(220)焊接,也可做出一字型如(圖5.5)
(4)傳統扁線電機皇冠端之間要保證相互平行,焊接端之間也要保證相互平行。但此繞組結構它通過鼻頭結構,實現了跨層數>1。如(圖5.6、圖5.7、圖5.8).第一類導體(203)的中間連接部(213)外套與第二類導體(204)的中間連接部(213),且兩類導體(213)端面投影完全重合。
(5)該鼻頭結構可變形如下(圖5.9、圖5.10、圖5.11).第二類導體(204)的中間連接部(213)改為平頭結構,可以減小線圈高度。
(6)該鼻頭結構可變形如下(圖5.12、圖5.13、圖5.14).第一、第二類導體(204)的中間連接部(213)可均改為平頭結構,可以進一步減小線圈高度。
(7)可以發現此繞組結構適用于層數較少的電機,若層數過多反而導致高度更高。且此結構對pin線成型難度和一致性要求極高。
六、總結
不論是傳統繞組結構還是特殊的繞組結構,都各有千秋。電機廠家需要更好地結合自己廠內設備和工藝能力,才能找到最適合自己的答案。還有要說的,就是專利歸屬問題,據小編了解,大部分的扁線電機專利歸屬歐美和日本。由于繞組專利對繞組理論要求較高,雖然目前專利網上可以查到大量的關于扁線國內專利,但質量也參差不齊,而且很多已被其他企業申請過了,上文中提到的幾個專利,也是僅供大家學習參考,拓展思路。
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