一、扁線電機繞組技術(shù)背景

隨著汽車驅(qū)動電機向高性能、高效率、高功率密度的發(fā)展，扁線電機由于其高槽滿率、高散熱效率及良好的NVH特性，目前已逐漸成為新能源汽車驅(qū)動電機推崇的對象。

扁線電機在新能源汽車上的應(yīng)用起始于美國國家能源部主導(dǎo)的“先進(jìn)集成驅(qū)動系統(tǒng)（DOE）”項目，該項目電機采用三項關(guān)鍵技術(shù)，一項是五相繞組、一項是雙V磁極結(jié)構(gòu)，另外一項就是扁線電機。在項目初期探索階段，共產(chǎn)生了兩種方案。一種是采用了波繞組+開口槽方案，采用徑向嵌線，另外一種是軸向插線的技術(shù)，繞組從定子端面插入。兩種方案各有優(yōu)劣，徑向嵌線需采用開口槽，會導(dǎo)致齒槽諧波增加，渦流損耗變大；軸向嵌線，插線容易，但插入后焊接端需要后扭曲、成型，焊接接頭也多。

2011年DOE項目結(jié)題，同時第一款搭載扁線電機的Chevrolet 車型也完成發(fā)布。不同與普通的圓線電機，如（圖1.1）該電機采用軸向插線的發(fā)卡繞組技術(shù)，采用半閉口平行槽結(jié)構(gòu)。

圖1.1

這種發(fā)卡需要先插入，再用扭彎設(shè)備，將開口的一端扭彎成類似“蛙腳”的結(jié)構(gòu)，將不同的蛙腳焊接起來，最后用環(huán)氧樹脂包裹如（圖1.2），實現(xiàn)絕緣增強，該技術(shù)使直流電阻下降30~40%。

圖1.2

雖然直流電阻降低，但是它存在缺陷：

1、繞組在高頻時產(chǎn)生集膚效應(yīng)和臨近效應(yīng)。隨著轉(zhuǎn)速升高，繞組的交流電阻增大，甚至還會超過圓線方案的電阻。如（圖1.3）圓線方案電阻是扁線直流電阻的1.44倍。但當(dāng)電機轉(zhuǎn)速升高，頻率升高時，扁線的交流電阻增加，在8000rpm時超過的圓線電阻。

圖1.3

2、靠近槽口的扁線會產(chǎn)生較大的渦流損耗，使得熱量堆積，形成局部熱導(dǎo)。如（圖1.4）

圖1.4

為了改善上述缺陷通用在后續(xù)2014年的Chevrolet Spark和2017年的Chevrolet Blot做了更進(jìn)一步的優(yōu)化如（圖1.5、1.6）這里就不展開講了。

圖1.5

圖1.6

二、扁線電機種類及工藝

1、按照制造工藝

2、按繞組方式

（1）波繞組 （2）疊繞組 （3）集中繞組

3、按層數(shù)

4pin、6pin、8pin、10pin、奇數(shù)pin

4、 扁線繞組定子制造工藝

（1）Hair-Pin(如圖2.1所示)

插絕緣紙→發(fā)卡成型 →插線→端部分離(擴口)→扭頭→焊接→滴漆/涂粉→電測

（2）I-Pin

插絕緣紙→插線→端部分離(擴口)→扭頭→焊接→滴漆/涂粉→電測

（3）連續(xù)波繞組

插絕緣紙→線成型/編線→下線→插槽楔→滴漆→電測  

總結(jié)：

Hair-pin和I-pin最大區(qū)別在于多了一步發(fā)卡成型。Hair-pin需要通過劈拉、沖壓或者折彎的方式先成型為U型，我們稱成型端為皇冠端，另一端為焊接端。而I-pin兩端都是焊接端，由于焊接會額外占用徑向尺寸，故I-pin在各極相組串并聯(lián)時會在一端產(chǎn)生異性pin從而占據(jù)徑向尺寸，導(dǎo)致繞組一端會超定子內(nèi)徑從而使轉(zhuǎn)子只能從常規(guī)端入軸。但I(xiàn)-pin的優(yōu)勢在于插線到焊接的工序相對容易，而Hair-pin插線后對線的位置度要求極高，整形困難。而且I-pin無需成型，對漆皮的考驗相對較小，扁線的扁平率可以做到很大，以降低扁線的集膚效應(yīng)。

三、扁線繞組結(jié)構(gòu)原理

繞組是構(gòu)成電機的主要部件。電機就是通過感應(yīng)繞組中的電勢和通過繞組的電流來產(chǎn)生電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩，從而達(dá)到能量轉(zhuǎn)換的目的。不同的繞組匝數(shù)、導(dǎo)體截面、空間分布、連接方式、絕緣等級等繞組結(jié)構(gòu)參數(shù)，所體現(xiàn)出的電磁性能、力能指標(biāo)也不同。所以要分析扁線電機繞組結(jié)構(gòu)的原理與運行，必須對繞組構(gòu)成和連接規(guī)律有基本的了解。

1、繞組分類

（1）按線圈層數(shù)：單層繞組、雙層繞組、單雙層繞組、多層繞組（扁線4pin、6pin、8pin等）

（2）按每極每相槽數(shù)q：整數(shù)槽繞組、分?jǐn)?shù)槽繞組

（3）按繞法：疊繞組、同心繞組、波繞組、鏈?zhǔn)嚼@組、交叉式繞組

2、繞組構(gòu)成原則

（1） 最大電勢疊加原則：在一定的導(dǎo)體數(shù)下，合成的基波(工作波)電勢和磁勢最大。具體包括：單個線圈的兩個線圈邊合成的基波電勢和磁勢最大；各線圈串聯(lián)以及各線圈組串聯(lián)時得到的基波合成電勢和磁勢最大。

（2）非工作諧波最小原則：在一定導(dǎo)體數(shù)下，繞組合成磁動勢和電動勢在波形上力求接近正弦，力求獲得較大的基波磁動勢和電動勢（較大的繞組系數(shù)），盡量使諧波含量少

（3）對稱原則：每相繞組所占槽數(shù)、串聯(lián)的導(dǎo)體數(shù)應(yīng)相等，各相電阻和電抗要平衡。電樞的總槽數(shù)必須能夠被相數(shù)整除，即Z1/m=整數(shù)對于多相繞組，各相電動勢和磁動勢要對稱，電阻電抗要平衡。

（4）經(jīng)濟(jì)性原則：繞組產(chǎn)生的電勢和磁勢只與所連接的導(dǎo)體有關(guān)，與連接次序無關(guān)，因此繞組用銅量要省，電阻小，損耗小。

（5）工藝性原則：絕緣和機械強度要可靠，散熱要好，繞組制造，安裝，檢修要方便

3、繞組結(jié)構(gòu)與畫法對比分析 

以驅(qū)動電機最常見的三相48槽8極電機為例，先來看下普通電機單層或雙層繞組的畫法：

（1）電機繞組基本數(shù)據(jù)：m=3，Z=48,2p=8

（2）計算每極每相槽數(shù)：q=48/8/3=2

（3）繪制槽電勢星型圖：

定子內(nèi)圓周按轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向的順序給六個槽依次編號(1#～48#)，如(圖3.1)所示；

定子槽是分布在p?360o的電角度內(nèi)，相鄰兩個槽內(nèi)導(dǎo)體感應(yīng)電勢的相位差就是一個電槽距角，電槽距角α=360/Z*p=360/48*4=30o,則相鄰兩個槽內(nèi)導(dǎo)體的感應(yīng)電勢的相位就相差30o電角度，各槽電勢用相量圖來表示如（圖3.2），我們叫槽電勢星型圖。

槽電勢星型圖反映了各槽導(dǎo)體中感應(yīng)電勢的相位關(guān)系，根據(jù)星型圖發(fā)現(xiàn)1#、13#、25#、37#槽內(nèi)感應(yīng)電勢相位相同，所以我們可以把8極48槽電機看成由4個2極12槽單元電機構(gòu)成。

（4）相帶劃分：如圖（3.3）對于三相繞組，每相的平均相帶即為180o/3=60o，當(dāng)然實際的相帶可以是大小不等的，但平均相帶仍然是60o。也就是說并不是1#、13#、25#、37#、2#、14#、26#、38#槽內(nèi)的所有導(dǎo)線都是U相，可能因為線圈采用短距或者長距時使某些導(dǎo)體相位偏移1到2個槽距。

（5）繞組的構(gòu)成：

3.1單層繞組

單層繞組一般只用于小容量電機，繞線工藝簡單，無層間絕緣槽滿率高，但繞組波形不夠正弦，鐵耗噪音較大。對于48槽8極電機來說，每極每相槽數(shù)q=2，故U相帶中的兩個槽(1#和2#)內(nèi)導(dǎo)體分別與-U相帶中的兩個槽(7#和8#)內(nèi)導(dǎo)體連接構(gòu)成單線圈，但這里就有了三種選擇：

A 疊繞組（交叉式繞組）：

如（圖3.4）兩個單線圈的節(jié)距相等，也稱等繞組，兩線圈的端部一個疊在另一個上面，因此稱其為疊繞組。

由于疊繞組的兩個單線圈中電勢存在相位差，二者不能并聯(lián)，必須串聯(lián)，因此這種接法每相只能構(gòu)成一個極相組，此繞法共4個極相組，因此最大并聯(lián)支路數(shù)為4。繞組展開圖（如圖3.5），繞組電勢圖（如圖3.6）。（如圖3.7）根據(jù)仿真得到單匝線圈產(chǎn)生的基波磁動勢安匝值為1.22，（如圖3.8）根據(jù)仿真得到基波繞組因數(shù)=分布系數(shù)*短距系數(shù)1=0.9659。

B 同心式繞組：

如（圖3.9）兩個單線圈的節(jié)距不同，2～7的線圈是一個短距線圈，1～8的線圈是一個長距線圈，二者組成了一個像同心圓一樣的形狀，因此稱其為同心繞組。

同心式繞組的兩個單線圈一個短距Y1=5，一個長距Y1=7，但平均跨距仍然是6。所以此繞法單匝線圈產(chǎn)生的基波磁動勢安匝值為1.22，基波繞組因數(shù)0.9659與疊繞組相同。雖然電勢相位相同，大小也相同，但由于兩個線圈的端部跨距不同，導(dǎo)致兩個線圈的直流電阻和端部漏抗就不同，它們之間也只能串聯(lián)不能并聯(lián)，最大并聯(lián)支路數(shù)也為4。繞組展開圖（如圖3.10），繞組電勢圖（如圖3.11）。因為繞組產(chǎn)生的電勢和磁勢只與所連接的導(dǎo)體有關(guān)，與連接次序無關(guān)。

C 鏈?zhǔn)嚼@組：

如圖（3.12）兩個單線圈的節(jié)距相同，2～7的線圈是一個短距線圈，1～8的線圈同樣是一個短距線圈，只不過其端部的跨接與2～7線圈相反，二者組成了一個像鏈條環(huán)一樣的形狀，因此稱之為鏈?zhǔn)嚼@組。

鏈?zhǔn)嚼@組的兩個單線圈一模一樣，且都是短距線圈，節(jié)距都是Y1=5，其電勢大小相等、相位相同，直流電阻和電抗也相同，它們之間即可以串聯(lián)也可以并聯(lián)，故此繞法最大并聯(lián)支路數(shù)為8。而且這種接法比前兩種的繞組端部跨距短，因此這種繞組端部用銅量會小，可以節(jié)省成本，所以我們最常見的單層繞組也才用此繞法。

3.2雙層繞組

雙層繞組的鐵芯槽內(nèi)每槽均嵌放有兩個線圈元件邊，當(dāng)線圈元件的一個線圈邊嵌放在某一槽的上層，其另一個線圈邊放在另一槽內(nèi)的上層。因此雙層繞組的總線圈個數(shù)等于總槽數(shù)。

由于是雙層繞組，一個槽內(nèi)有兩層導(dǎo)體，所以節(jié)距有多種選擇。當(dāng)節(jié)距與極距相等時，線圈獲得的基波電勢最大，此時Y1=τ；但按照非工作諧波最小原則，Y1=τ卻并不是一個最好的選擇，因為這個選擇獲得的感應(yīng)電勢通常會存在很大的諧波，因此通常都采用短距，即選取Y1＜τ且Y1≈τ為宜，當(dāng)Y1≈(5/6)τ時可以同時有效削弱五次和七次諧波。下面都以短距繞組為例。

雙層繞組按繞法又分為：疊繞組、波繞組、混合繞組、分?jǐn)?shù)槽繞組。
A 疊繞組

繞法與單層疊繞組類似。如果把一個線圈的一個線圈邊放在1#槽的上層(簡稱上層邊)，則另一個線圈邊就放在6#槽的下層(簡稱下層邊)；線圈的上層邊放在2#槽的上層，則下層邊就放在7#槽的下層；余類推，共可以構(gòu)成48個單線圈。可以發(fā)現(xiàn)采用短距繞組時，并不是每個槽里都是同一相導(dǎo)線。如2號槽其上層為U相但下層為-W相，所以采用短距時需要考慮層間絕緣問題。如（圖3.13）再把每極下同一個相帶中的2個槽內(nèi)線圈依次串聯(lián)起來，6#線圈的尾端連接2#線圈的首端，這樣構(gòu)成一個極相組；8個極相組之間可以串聯(lián)或者并聯(lián)，故最大并聯(lián)支路為8。并聯(lián)支路數(shù)越多線頭和線尾越多，工藝就越復(fù)雜。最后我們把UVW的線尾星接或者角接，同相線頭并聯(lián)出線，就形成了完成的繞組。

雙層疊繞組：繞組電勢圖如（圖3.14），如（圖3.15）因為是雙層繞組故單匝繞組磁動勢應(yīng)為2.375/2=1.1875比單層繞組單匝磁動勢1.21略小，這也正引證了之前說的最大電勢疊加原則。如（圖3.16），繞組系數(shù)為0.933比單層繞組系數(shù)0.965略小，但5/7次諧波0.066也遠(yuǎn)小于單層繞組0.258。

B 波繞組

波繞組就是任何兩個串聯(lián)線圈沿線制方向像波浪似地前進(jìn)。主要特點是一個線圈和相鄰?fù)源艠O下的線圈相串聯(lián)。我們用合成節(jié)距Y表示波繞組的連接規(guī)律，合成節(jié)距Y是指每串聯(lián)一個線圈繞組沿繞制方向前進(jìn)的槽數(shù)。由于波繞組是依次把同極下線圈串聯(lián)，每次前進(jìn)約一對極距(2τ)，對整數(shù)槽波繞組來說，合成節(jié)距y通常選為一對極距（Z/p）。但當(dāng)合成節(jié)距這樣選擇時，在繞組串聯(lián)p個線圈（沿定子繞了一周）后，繞組將回到原來出發(fā)的槽號而自行閉合。也就無法將屬于同一相的線圈連接起來，為了把所有屬于同一相的線圈全部連接起來，每繞完一圈之后，必須人為地前進(jìn)或后退一個槽，才能使繞組繼續(xù)地繞下去。

本例中：同一線圈兩邊跨距Y1=5，前一個線圈的尾端到后一個線圈首端跨距Y2=7，合成節(jié)距Y=極距2τ=48/4=5+7=12.

如（圖3.17）支路1，U相N極下線圈串聯(lián)順序如下：

（1#上層-6#下層）-（13#上層-18#下層）-（25#上層-30#下層）-（37#上層-42#下層）（2#上層-7#下層）-（14#上層-19#下層）-（26#上層-31#下層）-（38#上層-43#下層）

如（圖3.18）支路2，U相S極下線圈串聯(lián)順序如下：

（1#下層-44#上層）-（37#下層-32#上層）-（25#下層-20#上層）-（13#下層-8#上層）

（48#下層-43#上層）-（36#下層-31#上層）-（24#下層-19#上層）-（11#下層-7#上層）

當(dāng)波繞組采用Y=2τ時的連接規(guī)律是：繞組沿電樞表面繞行q圈，把所有上層邊的N極下屬一相的線圈按一定順序串聯(lián)起來，構(gòu)成相繞組的一半，然后再沿電樞表面繞行q圈，把所有上層邊的S極下屬于同一相的線圈也按同樣的規(guī)律串聯(lián)起來，構(gòu)成相繞組的另一半。這兩半之間既可串聯(lián)，也可并聯(lián)，當(dāng)串聯(lián)時則得a＝1，如果并聯(lián)則得a＝2

需要說明的是，雙層疊繞組的連接規(guī)律是把一個極下的同相線圈串聯(lián)起來構(gòu)成一個極相組，8個極每相就可以構(gòu)成8個極相組，因此疊繞組的最大并聯(lián)支路數(shù)是8。而波繞組同極下線圈相互串聯(lián)，當(dāng)采用Y=2τ時，每相就只能構(gòu)成兩個極相組。

但并不是波繞組最大并聯(lián)支路數(shù)只能是2。當(dāng)采用Y=2τ+1時，便可得到2p（8）條并聯(lián)支路。

如(圖3.19)（圖3.20）：Y1=7，Y2=6，合成節(jié)距Y=7+6=13.

支路1：                                支路2：

（1#上層-8#下層）-（14#上層-21#下層）    （27#上層-34#下層）-（40#上層-47#下層）  

支路3：                                支路4：

（13#上層-20下層）-（26#上層-33#下層）  （39#上層-46#下層）-（4#上層-11#下層）

支路5：                                支路6：

（25#上層-32下層）-（38#上層-45#下層）  （3#上層-10#下層）-（16#上層-23#下層）

支路7：                                支路8：

（37#上層-44下層）-（2#上層-9#下層）    （15#上層-22#下層）-（28#上層-35#下層）

雖然使用長距繞組Y1=7,合成節(jié)距Y=6可以時波繞組改為8路并聯(lián)，但其槽內(nèi)各導(dǎo)體相位發(fā)生變化，導(dǎo)致繞組系數(shù)只有0.808。

C 疊繞組與波繞組對比

疊繞組短距時可以節(jié)省端部用銅，但線圈組(極相組)之間的連線(簡稱極間連線)較多，由于極間連線較多，也使得端部引接線排列比較雜亂。嵌線時最后幾個線圈嵌線比較困難。

波繞組的合成節(jié)距Y=Y1+Y2≈2τ，當(dāng)Y1減小時，Y2必然增大，即一端端部縮短時另一端端部必然增大，故短距不能節(jié)省端部用銅。波繞組的線圈通常是單匝線圈，且線圈組(極相組)之間的連線(簡稱極間連線)較少，故引接線排列整齊美觀。

3.3 四層扁線繞組

四層繞組繞線方式和雙層繞組相似，常規(guī)繞制也是分為疊繞組和波繞組，也有一些廠家會做特殊繞法如同心繞組、同層繞組、疊波混繞等等，這個會在下一篇針對各廠專利再進(jìn)行逐一分析。本章內(nèi)容只講述常規(guī)的繞法。以8極48槽，整距繞組Y1=6為例。

A 疊繞組

如（圖3.21）（圖3.22）四層疊繞可以看成是匝數(shù)為2的雙層繞組，繞法與雙層疊繞一致，最外層向最內(nèi)側(cè)導(dǎo)體分別a/b/c/d，每極下同一個相帶中的2個槽內(nèi)線圈依次串聯(lián)起來，構(gòu)成一個極相組，其最大并聯(lián)支路數(shù)為2p=8。如（圖3.23）當(dāng)采用整距繞組時，

一個槽內(nèi)所有導(dǎo)體相位相同,U相支路線圈路徑如下：
支路1：

（1#a-7#b）-（1#c-7#d）-（2#a-8#b）-（2#c-8#d）

支路2：

（13#b-7#a）-（13#d-7#c）-（14#b-8#a）-（14#d-8#c）

支路3：

（13#a-19#b）-（13#c-19#d）-（14#a-20#b）-（14#c-20#d）

支路4：

（25#b-19#a）-（25#d-19#c）-（26#b-20#a）-（26#d-20#c）

支路5：

（25#a-31#b）-（25#c-31#d）-（26#a-32#b）-（26#c-32#d）

支路6：

（37#b-31#a）-（37#d-31#c）-（38#b-32#a）-（38#d-32#c）

支路7：

（37#a-43#b）-（37#c-43#d）-（38#a-44#b）-（38#c-44#d）

支路8：

（1#b-43#a）-（1#d-43#c）-（2#b-44#a）-（2#d-44#c）

該繞組如果U相引出線端為1#a/13#b/13#a/25#b/25#a-/37#b/37#a/1#b，那么中心線端為8#d/8#c/20#d/20#c/32#d/32#c/44#d/44#c。并聯(lián)支路為8時，引出線和中心線端分布整個圓周，且不在同一層，接線時跨距較長，接線復(fù)雜。當(dāng)采用短距時，槽內(nèi)導(dǎo)體相位發(fā)生變化，如（圖3.24）

圖3.24

B 波繞組

如（圖3.25）（圖3.26）。四層波繞組繞制方式和雙層相似，也依次把同極下線圈串聯(lián)，每次前進(jìn)約一對極距，為了把所有屬于同一相的線圈全部連接起來，每繞完一圈之后，必須人為地前進(jìn)或后退一個槽。U相支路線圈路徑如下：

支路1：

（1#a-7#b）-（13#a-19#b）-（25#a-31#b）-（37#a-43#b）-（2#a-8#b）-（14#a-208#b）-（26#a-32#b）-（38#a-44#b）

支路2：

（1#b-7#a）-（13#b-19#a）-（25#b-31#a）-（37#b-43#a）-（2#b-8#a）-（14#b-208#a）-（26#b-32#a）-（38#b-44#a）

支路3：

（1#c-7#d）-（13#c-19#d）-（25#c-31#d）-（37#c-43#d）-（2#c-8#d）-（14#c-208#d）-（26#c-32#d）-（38#c-44#d）

支路4：

（1#d-7#c）-（13#d-19#c）-（25#d-31#c）-（37#d-43#c）-（2#d-8#c）-（14#d-208#c）-（26#d-32#c）-（38#d-44#c）

3.4 總結(jié)

（1）不管是4層扁線繞組還是6層、8層，繞制方法和原理都和雙層繞組一樣。

（2）電勢大小及繞組分布系數(shù)與端部連接次序無關(guān)，當(dāng)節(jié)距固定時，無論是采用波繞組還是疊繞組電勢磁、勢都是相等的。

（3）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。

（4）扁線電機有些廠家采用特殊繞法其目的減少線型種類、過橋線數(shù)量、星角接點數(shù)量，時工藝更加簡單。

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