[发明专利]一种基于3D打印扁线背绕式绕组的高速永磁电机定子

说明书

一种基于3D打印扁线背绕式绕组的高速永磁电机定子，属于高速永磁电机定子技术领域。本发明为解决传统高速永磁电机由于匝间短路电流大、故障率高威胁电机可靠性的问题。扁线背绕式线圈组缠绕于定子铁芯块的内、外侧槽中，构成一个单元定子，将12个单元定子拼接在一起构成一个完整定子；并在定子槽口处安装槽楔，按照电机设计连接背绕式线圈组构成背绕式绕组；扁线背绕式线圈组由沿定子铁芯切向方向堆叠而成的扁线背绕式线圈构成，采用纯铜或铜合金粉末通过3D打印技术整体打印制成，线圈外表面镀有绝缘漆膜；位于定子铁芯块的内、外侧槽中的扁线背绕式线圈的截面尺寸不同但截面积相等。本发明还可提高铜填充率和导热效果，进而提高功率密度。

技术领域

本发明属于高速电机定子技术领域，具体涉及基于3D打印扁线背绕式绕组的高速永磁电机定子。

背景技术

表贴式高速永磁同步电机由于高功率密度、高效率、转子机械强度高等优势，对于航空航天等应用极具吸引力。然而，由于永磁体的存在使电机短路时无法故障灭磁，在短路线圈中会产生很大短路电流，严重危害电机可靠性，因此使其应用于高可靠高安全领域面临着极大的挑战。

匝间短路故障是对电机破坏性最强的一类故障，长期的绕组过热、过度机械应力以及逆变器驱动时匝间过大的电压梯度等因素均会诱发匝间短路故障。考虑电机高频损耗以及控制器开关频率的限制，常规高速电机的极数通常设计为2或4，采用分布式叠绕组，发生匝间短路故障时的短路匝线圈的电抗很小，匝间短路电流能够达到额定电流的几倍甚至十数倍，而短路电流密度更高达额定电流密度的几十甚至数百倍，因此，如果不及时处理，会引起电机的局部过热，加剧绕组的绝缘失效，使其演变为更为严峻的对地短路、相间短路等故障甚至烧毁电机。此外，由于高速电机的基频高，为了抑制由于导体集肤和临近效应带来的高频交流铜耗，传统高速电机的绕组多设计为多股并绕的漆包线，导致大量属于同股的不同匝以及不同股的不同匝间的股线广泛接触，使匝间短路故障的发生率大幅增加。因此，研究如何降低电机的匝间短路电流，减小故障发生率，对于突破高速永磁电机在航空航天等高可靠高安全领域的应用具有重要意义。

背绕式绕组由于端部短的优势受到高速永磁电机领域研究人员的关注，常规的扁线绕组由于硬度问题进行背绕式嵌线极为困难，并且常规扁线一般要求槽型为矩形槽，即要求内、外侧槽型尺寸一致，但会导致定子铁芯外径的大幅增加，否则则需要对内、外侧槽型尺寸进行匹配设计，以适应常规扁线的矩形截面要求，这同样很困难，鉴于此，现有背绕式绕组均采用的是漆包线。

3D打印技术具有材料利用率高、设计自由度高、开发周期短等特点，特别是对于轻量化、复杂零部件的制造优势显著，近些年在航空航天等重量敏感型领域获得较多应用。为了追求轻质高效的高功率密度电机，研究人员已经逐渐在电机绕组、转子铁芯、机壳等部件中开展了3D打印技术的应用尝试，对于提高电机功率密度有显著效果。

发明内容

本发明的目的是为了解决传统高速永磁电机由于匝间短路电流大、故障率高严重威胁电机可靠性的问题，提供一种基于3D打印扁线背绕式绕组的高速永磁电机定子，达到有效减小匝间短路电流及故障发生率，提高电机可靠性的优点。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种基于3D打印扁线背绕式绕组的高速永磁电机定子，包括定子铁芯块、扁线背绕式线圈组、槽楔和绝缘纸；

定子铁芯块包含定子铁芯在一个齿距范围内的内侧齿槽、外侧齿槽和定子轭；槽绝缘纸设在定子铁芯块的槽中，扁线背绕式线圈组缠绕于定子铁芯块的内、外侧槽中，构成一个单元定子，将12个单元定子拼接在一起构成一个完整定子；并在定子槽口处安装槽楔，按照电机设计连接背绕式线圈组构成背绕式绕组；