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技术飞跃？细分定子绕组技术性能
2024-08-18
绕组是电动机的关键核心部件，绕组质量是决定电动机寿命和运行可靠性的主要因素。定子绕组安装于定子铁芯槽中，根据不同电机种类和线圈嵌绕的工艺条件，采用不同的绕组形式和规格。
01. 概述
定子绕组是指安装在定子上的绕组,也就是绕在定子上面的铜线 。绕组是由多个线圈或线圈组构成一相或整个电磁电路的统称。电动机根据线圈绕制的形状与嵌装布线方式不同，可分为集中式和分布式两类。
集中式绕组的绕制和嵌装比较简单，但效率较低，运行性能也差。交流电动机定子绝大部分都是应用分布式绕组。
电机绕组安装在定子铁芯槽中，根据其结构和制造方法，可分为软绕组和硬绕组。软绕组由绝缘圆形导体缠绕。通常用于带半封闭槽的小型电动机，工作电压不超过1200伏。
绕组寿命和运行可靠性，主要取决于绕组制造质量和运行中的电磁作用，机械振动与环境因素的影响。绝缘材料与结构的选择，制造过程中的绝缘缺陷和绝缘处理质量、直接影响绕组质量，因此应注意绕组制造过程中的绝缘处理。
02. 结构特点
定子绕组根据线圈绕制的形状和嵌装布线方式不同，可分为集中式和分布式两类。
1. 集中式绕组
一般仅有一个或几个矩形框线圈组成。绕制后用纱带包扎定型，再经浸漆烘干处理后嵌装在凸磁极的铁心上。直流电动机、通用电动机的激磁线圈，以及单相罩极电动机的主极绕组都采用这种绕组。
使用具有集中绕组开发的电机的经典设计时，反电动势是梯形的，因此可以产生高扭矩，尤其是在较低的范围内，但效率并不高。这是因为集中绕组的主要缺点是会产生谐波，这会导致高损耗，尤其是在高速情况下，这些损耗可能发生在叠片的绕组以及永磁体中。
集中绕组主要用于短而大直径的电机，例如没有齿轮的电动自行车的轮毂驱动器，也适用于需要高动态且效率不关键的驱动器。集中绕组的另一个缺点是转矩脉动并非微不足道，这可以通过相对于彼此移动转子上的磁体或通过相应的成形磁体来补偿。
2. 分布式绕组
采用分布式绕组的电动机定子没有凸性的极掌，每个磁极都是由一个或几个线圈按照一定的规律嵌装布线组成线圈组。根据嵌装布线排列的形式不同，分布式绕组又可分为同心式、迭式两类。
同心式绕组：是同一线圈组的几个大小不同矩形线圈，按同一中心的位置逐个嵌装排列成回字形的型式。同心式绕组又分单层与多层。一般单相电动机和部分小功率三相异步电动机的定子绕组采用这种型式。
单层绕组的每个定子槽只嵌置一个线圈有效变得绕组，线圈总数式电机总槽的一半。他的绕组线圈少，没有层间绝缘，因此槽的利用率高，且单层结构不会发生相间击穿故障。
双层绕组的每个槽均嵌放有两个线圈元件边，当线圈元件的一个线圈边嵌放在某一槽的下层，其另一个线圈边则放在另一槽的上层。其线圈数和槽数正好相等。
迭式绕组：迭式绕组是所有线圈的形状大小完全相同（单双圈例外），分别以每槽嵌装一个线圈边，并在槽外端部逐个相迭均匀分布的型式。迭式绕组又分单层迭式和双层迭式两种。
在每槽里只嵌一个线圈边的为单层迭式绕组，每槽嵌两个属不同线圈组的线圈边为双层迭式绕组。迭式绕组由于嵌装布线方式的变化不同，又有单双圈交叉布线排列与单双层混合布线排列之分。
此外，从绕组端部的嵌装形状称为链形绕组、篮形绕组，实际上均属迭式绕组。一般三相异步电动机的定子绕组较多采用迭式绕组。
03. 应用案例
随着工业电机上开始大规模应用径向嵌装绕组，初期绕组技术又以分布式圆线径向嵌装绕组为主。在此之后，绕组技术的进一步成熟，第二代轴向嵌装绕组技术开始进入市场应用。
轴向嵌装绕组是指将半成型或者未经预成型的扁铜线导体，沿定子铁芯的端面槽口将绕组从轴向方向装配进铁芯槽内。
在此基础上，雷米、电装、日立、LG、联合电子、博世等电驱供应商，相继开发了发卡式Hairpin扁线绕组应用于驱动电机，这属于轴向嵌装绕组的第一个技术分支。
由于轴向嵌装绕组不受极靴形状的影响，可以大大减少绕组嵌装所需的装配预留空间和导体间隙，其槽满率可以达到70％左右。Hairpin绕组凭借其优异的功率、扭矩与效率性能迅速占领主流技术市场。
而第二个轴向嵌装绕组的技术分支，被称为I-Pin绕组，I-Pin绕组成型思路是扁线导体不经过预成型，直接将直扁线导体沿轴向嵌装在铁芯槽内。
由于I-Pin绕组无需预成型且为单槽装配，可以进一步降低绕组的装配预留空间，其槽满率可以达到74％左右，具有更为优异的功率，扭矩与效率性能。
不论Hairpin绕组还是I-pin绕组，两者在结构和工艺可制造性上互有优劣，但是其绕组技术基本相似，都是通过提高绕组的槽满率来提高驱动电机的功率、扭矩与效率性能，从而满足市场需求，定子绕组未来的性能发展趋势也应如此。
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