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详细解读四种电机扁线绕组

发布时间:2024年4月28日 | 文章来源:电机新视界 | 浏览次数:265 | 访问原文

四种电机扁线绕组的详细对比

    扁线绕组相比圆线绕组在电机槽中的填充效果更好,因此能够提高电机的槽满率。扁线绕组的设计具体体现在铜线的形状上,相比圆线绕组,扁线绕组采用扁平的铜线,其截面形状更接近矩形或椭圆形。这种形状的铜线在绕组时可以更好地填充定子槽的空间,充分利用了槽位,提高了绕组的紧凑度和导线填充率。

扁线绕组的优势在于充分利用了电机结构中的空间,提高了电机的效能。通常圆线电机的槽满率约为50%左右,而采用扁线绕组后,槽满率可达到70%以上。这意味着在相同定子槽空间的情况下,扁线绕组可以填充更多的铜线,从而允许承载更大的电流,产生更高的电枢磁势,进而提升电机的扭矩密度。

因此,扁线绕组能够使得电机在相同体积下拥有更高的功率输出,同时也能提供更高效的性能。下图分别为圆线和扁线在电机定子槽中的截面图:

圆线

扁线

图1 圆线与扁线截面图

 

本文主要想介绍扁线绕组的四种类型,分别为I-pin、Hair-pin、X-pin、S-winding四种类型。下面对四种扁线绕组分别进行介绍:

(1)I-pin形式

I-pin绕组形如I,直接插线,然后双边焊接,也被称为I型绕组或双层腔式绕组。与传统的圆线绕组不同,I-pin绕组采用了较为复杂的结构设计,能够更好地充分利用定子槽的空间,提高电机的效率和功率密度。

I-pin绕组的基本原理是通过在定子槽内交替安装两个不同方向的绕组,从而将铜线紧密填充在定子槽中。具体来说,I-pin绕组由两层绕组组成,上下两层绕组的铜线分别沿着不同的方向排列,相互穿插在槽内。这种穿插排列的方式不仅可以提高绕组的填充率,还可以降低电机的电磁噪声和震动。

I-pin绕组

绕组插入定子

图2 I-pin绕组及插入定子示意图

与传统的绕组相比,I-pin绕组还具有其他优势。首先,I-pin绕组无需预成型,且铜线长度更短,因此损耗更小。其次,由于I-pin绕组在定子槽内交替排列两个绕组,因此可以有效地减少热点的产生,提高电机的散热性能。此外,I-pin绕组还可以提高电机的绕组均匀性,降低电机的三相电流一致性。

但I-pin绕组的制造成本较高,焊接工艺繁琐,需要精确的绕线技术和专业的绕线设备,端部尺寸相对其他扁线绕组来说较大。

3 I-pin绕组成型示意图

(2)Hair-pin形式

Hair-pin绕组也被称为H型绕组,形似发卡,先成型再插线,然后单边焊接,是目前应用最多的扁线绕组形式,相比I-pin,Hair-pin具有更少的焊点。Hair-pin绕组采用漆包扁线或者漆包方线,将其折弯成”H”字形,形状类似于发夹(Hairpin)的样子,因此得名。Hair-pin绕组通常用于高功率、高效率的电机和变频器中。

发卡线圈示意图

Hair-pin绕组主要有两个优势。首先,由于采用了漆包扁线,Hair-pin绕组可以在相同的空间内容纳更多的导线,提高了绕组的填充率。进一步提高了电机的功率密度,使其在相同尺寸下能够输出更大的功率。其次,Hair-pin绕组的导线之间通过铜扁线连接,形成了更紧凑的结构,有助于减小电阻、电感和电容的影响,提高电机的效率。

Hair-pin绕组的制造过程相对复杂,需要先将扁线折弯成”H”字形,然后通过焊接或压接等方式固定连接。这要求绕线工艺和设备具备一定的专业性和精确性。此外,Hair-pin绕组还需要考虑扁线之间的接触良好性,以确保电流传导的可靠性。

5 H-pin绕组示意图

Hair-pin绕组在高功率电机和变频器中广泛应用,特别适用于需要高效率和紧凑结构的场景。它可以提供更高的功率密度、更低的电阻和更好的散热性能,从而提高了电机的整体性能。然而,Hair-pin绕组的制造成本较高,对绕线工艺和设备的要求也较高,因此在实际应用中需权衡其优势和成本。

(3)X-pin形式

X-pin绕组与Hairpin绕组类似,将其折弯成X形交叉纹理,然后通过连接器或焊接固定,形成绕组。相比Hair-pin绕组,X-pin绕组不需要将线圈组合在一起,每个X-pin单元都是独立的,可以在电机中单独使用,因此拥有更短的端部。且由于X-pin绕组的交叉形状,它可以在相同空间内容纳更多的导线,使电机的功率密度更高。

6 X-pin绕组示意图

与Hairpin绕组不同,X-pin绕组的漆包扁线呈现出交叉的X形,这样可以进一步提高绕组的填充率和紧凑性,使电机的功率密度和效率得到了极大的提升,虽然在插线端部尺寸没有变化,但在焊接端部尺寸能够降低5-10mm,进一步降低电机铜损损耗、提升电机效率。

但由于X-pin的焊接端很短,对焊接工艺的要求也更高,还有断线、扭线等工艺也是其加工难点。

同款电机采用X-pin与Hair-pin不同绕组对比

(资料来源:博格华纳)

(4)S-winding形式

S-winding绕组是将两个相邻的线圈依次排列,每个线圈的方向呈”S”形弯曲,然后再将这些线圈通过绕线机器穿过定子槽依次安装在定子上,成型后两头端部无需焊接,焊点更少,端部空间尺寸更小。

8 S-winding线圈示意图

S-winding绕组的优点主要有以下几个方面:首先,采用S-winding绕组的电机的电磁噪声较小,具有更加优秀的NVH性能,S-winding绕组能够降低电磁噪音和振动,减少电机对周围环境的干扰;其次,S-winding绕组的线圈的磁场分布更加均匀,减少了电机的高次谐波;同时S-winding绕组相互交叉形成密集的结构,稳定性好,也能形成通风通道,有利于散热。

然而,S-winding绕组也存在一些问题。首先,它需要更多的铜线,增加了电机的制造成本。其次,安装这种绕组需要更复杂的工艺,需要更加精密和专业的绕线设备和技术,对工艺技术和操作要求高。

图9 S-winding绕组示意图

资料来源:巨力自动化

以上是对I-pin、Hair-pin、X-pin、S-winding四种扁线绕组的总结,下表对这四种绕组的端部尺寸、铜损、加工难度进行对比:

表1 四种绕组对比表

I-pin Hair-pin X-pin S-winding
端部尺寸
铜损
加工难度