一种绕组元件、电机及车辆的制作方法

1.本发明涉及电机技术领域，具体涉及绕组元件、电机及车辆。


背景技术：

2.电机是指根据电磁感应定律实现电能转换或者传递的一种电磁装置。其广泛应用于生活的各个方面，作为电动机，其将电能转换为机械能，作为发电机，其将各种自然界的能量直接转换成电能。因此，如何提升其工作效率，将是我们优化的核心方向。
3.在现有的电机中，电机的效率主要受到铜损(电线的电阻损耗)和铁损(电机磁路铁芯中的损耗)的影响，导致其效率虽然高于90％，但是，其仍然还有很大的潜力可以进行效率提升，其中随着电机负荷的加大，其铜损在整个电机损耗中的占比不断加大，因此，优化并降低铜损就成为了提升电机效率的重心。
4.在现有的电机中，为了提升电机的效率，在降低铜损的过程中，如何优化电机的铜线绕组，就是一个关键的设计参数。cn109067059a公开了一种扁线电机绕组及扁线电机，其提到了采用扁线绕组方案，其中扁线截面的宽厚比从2:1到50:1等进行设计，以实现在相同的绕组槽内增加更多的铜线，从而实现电机的强化，以提高电机效率。该方案提供了一种扁线绕组方案，其通过三组扁平线圈的组合使用，从而使得扁线绕组能够大规模的应用于实际产品。另外，在市场上，目前还普遍采用一种发卡式的扁线绕组方案，但是该绕组方案需要进行大量的线头接头的焊接。纵观目前市场上的方案。无一款产品能够实现超扁线的大规模且较为便利的使用，且均没有对扁线进行过详细的技术论证。
5.在现有的电机中，电机铜线表面绝缘层基本采用有机树脂类，但是，这类绝缘材料随着电机的负荷增加即发热量增加以及长周期的使用，或多或少都会出现绝缘失效，从而导致电机损坏。因此，有必要开发一种新的能够提升电机效率及寿命的绕组元件。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种绕组元件、电机及车辆，其能够在相同截面积下，给电流提供更大的电流通道，提升电机效率。
7.本发明所述的绕组元件，包括至少一根横截面呈矩形或三角形的金属线材，设金属线材横截面面积为s，设矩形长度为a，当或时，金属线材的横截面设置为矩形，当时，金属线材的横截面设置为三角形。
8.进一步，所述金属线材的材质为铜或铜合金。
9.进一步，基于印刷电路原理将横截面呈矩形或三角形的金属线材采用层层堆叠的方式进行布置形成绕组元件，在相邻层叠的金属线材之间以及绕组元件外围布置有绝缘层。
10.进一步，所述绝缘层为绝缘耐温纤维或陶瓷镀层。
11.一种电机，包括定子，所述定子上设有用于固定本发明所述的绕组元件的槽体。
12.一种车辆，包括本发明所述的电机。
13.本发明与现有技术相比具有如下有益效果。
14.1、本发明金属线材的截面设置为矩形或三角形，当采用矩形横截面的金属线材时，电流通道相较于圆形截面金属线材能够实现至少11.4％的提高，即在相同的截面积下，相较于圆形截面的金属线材，矩形截面能够给电流提供更大的电流通道，当金属线材横截面采用正方形时，其周长相比较圆形截面周长提高11.4％，随着矩形长宽比的提高，该效率将明显高于11.4％。当采用三角形横截面的金属线材时，电流通道相较圆形截面金属线材提高22.4％，即在相同的截面积下，当采用三角形横截面时，其周长相比较圆形截面周长提高22.4％。
15.2、本发明限定了当或时，金属线材的横截面设置为矩形，当时，金属线材的横截面设置为三角形，a为矩形长度，s为横截面面积，实现绕组元件加工和使用性能的最优。
16.3、本发明基于印刷电路原理将横截面呈矩形或三角形的金属线材采用层层堆叠的方式进行布置形成绕组元件，在相邻层叠的金属线材之间以及绕组元件外围布置有绝缘层，以实现绕组元件整体可靠性绝缘。
附图说明
17.图1是金属线材的横截面示意图之一；
18.图2是金属线材的横截面示意图之二；
19.图3是绕组元件的局部断面示意图；
20.图4是绕组元件示意图；
21.图5是圆形截面金属线材示意图。
22.图中，1—金属线材，2—绝缘层，3—圆形截面金属线材，31—电流通道，4—绕组元件。
具体实施方式
23.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.本发明中，首先对电机采用何种截面导线进行分析论证，电机中的绕组元件主要功能是传导电流，基于电磁原理，进而产生磁场，然后由磁场产生磁力矩，从而推动电机动子的机械运动。电机中的绕组元件是有电阻较小且性价比较高的铜线实现，而电机中的铜线绕组由于电流通过时具有一定的阻值，因此不可避免的产生损耗，简称电机的铜耗。因
此，电机中的铜耗，就是电流流经铜线绕组时，由于铜线绕组电阻导致电能损耗。
25.在电机工作时，随着电机负荷的增加，铜线绕组中的电流不断加大，相应的在电机绕组上产生的损耗增加，同时使得铜线绕组温度升高。随着电机绕组温度的升高，其阻值会进一步的增大。所以说，电机的铜损会随着负荷的增加而增大。这就需要我们从根本上降低电机绕组的铜损，同时为了满足电机的高负荷运转，我们还需要关注铜线绕组的绝缘层的老化损坏。这就是本专利的核心技术技术特点。
26.如前所述，为了提升电机效率，需要降低电机绕组的铜损，即降低铜线绕组的电阻。众所周知，电阻要降低铜线绕组的电阻，那么只能通过提升铜线截面积s、降低铜线长度l和改变结构、工艺及材料系数ρ。而电机中铜线绕组的长度l受到电机磁通需求的影响，为了提升主磁通，需要增加铜线绕组的匝数，即增加铜线绕组的长度l，因此，降低铜线长度l不可能实现。那么只能在铜线截面积s和结构、工艺及材料系数ρ上通过优化设计实现。
27.绕组元件4是固定在定子的铁芯槽体中，为了提升电机的单位重量的电机功率，即在槽体尺寸一定的情况下，需要在有限的电机铁芯槽体中布置下更多的金属线材1。
28.参见图5，采用圆形截面金属线材3构成绕组元件，电流在流经圆形截面金属线材3时，由于其具有表面效应，即电流主要流经圆形截面金属线材3径向约20％深度的柱面区域，将铜线绕组周长定义为电流通道31。因此基于这个原理，需要提升金属线材周长，以增大电流通道31。
29.为了实现在相同截面积下，金属线材给电流提供更大的电流通道，那么就需要寻找到相同截面下，最大周长形状的铜线截面。
30.从圆形、六边形、矩形和三角形这四类截面形状进行设计分析。
31.圆的周长为
32.六边形的周长为
33.矩形的周长为
34.三角形的周长为
35.其中，s为横截面面积，a为四边形长度，b为四边形宽度。
36.经过对比，在横截面面积s相同的情况下，c
四
＞c
六
＞c
圆
，c
三
＞c
六
＞c
圆
，从矩形周长公式可知，当s＝a2时，即当矩形为正方形时，矩形周长为最小，随着矩形长宽比越大，其周长越大。
37.在三角形和矩形的周长对比中，随着矩形的长宽比的提高，当正方形长度a等于时，将能够实现与正三角形截面周长相等。基于此，参见图1和图2，所示
的绕组元件包括至少一根横截面呈矩形或三角形的金属线材1，设金属线材横截面面积为s，设矩形长度为a，当或时，金属线材的横截面设置为矩形，当时，金属线材的横截面设置为三角形。所述金属线材的材质为铜或铜合金。当采用矩形横截面的金属线材时，电流通道相较于圆形截面金属线材能够实现至少11.4％的提高，即在相同的截面积下，相较于圆形截面的金属线材，矩形截面能够给电流提供更大的电流通道，当金属线材横截面采用正方形时，其周长相比较圆形截面周长提高11.4％，随着矩形长宽比的提高，该效率将明显高于11.4％。当采用三角形横截面的金属线材时，电流通道相较圆形截面金属线材提高22.4％，即在相同的截面积下，当采用三角形横截面时，其周长相比较圆形截面周长提高22.4％。
38.同时限定了当或时，金属线材的横截面设置为矩形，当时，金属线材的横截面设置为三角形，a为矩形长度，s为横截面面积，实现绕组元件加工和使用性能的最优。
39.参见图3和图4，基于印刷电路原理将横截面呈矩形或三角形的金属线材1采用层层堆叠的方式进行布置形成绕组元件4，在相邻层叠的金属线材1之间以及绕组元件4外围布置有绝缘层2。所述绝缘层2为绝缘耐温纤维或陶瓷镀层。这样就能够实现任意异形截面金属线材的制造加工。
40.本发明中将绕组元件4制造成标准的模块，根据电机的需要进行随形设计，然后将制造完成的类似电机绕组的模块直接嵌入电机定子的槽体中，最终完成电机总成的制造。采用印刷电路原理生产的模块化的铜线绕组元件，其绝缘方案将不再局限于采用树脂类涂覆层方案。将直接可以根据绝缘方案的需要，采用多样化的绝缘材料进行生产制造，以降低电机由于绝缘层的损坏而带来的风险。绕组元件将直接以模块形式直接生产完成，不再需要铜线具有柔韧性而有利于其布置，并且由于本技术基于印刷电路原理将横截面呈矩形或三角形的金属线材1采用层层堆叠的方式进行布置形成绕组元件4，将不再需要绕线，使得金属线材1布置具有多样性。
41.一种电机，包括定子，所述定子上设有用于固定本发明所述的绕组元件的槽体。
42.一种车辆，包括本发明所述的电机。
43.以上所述仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种绕组元件，其特征在于：包括至少一根横截面呈矩形或三角形的金属线材，设金属线材横截面面积为s，设矩形长度为a，当或时，金属线材的横截面设置为矩形，当时，金属线材的横截面设置为矩形，当时，金属线材的横截面设置为三角形。2.根据权利要求1所述的绕组元件，其特征在于：所述金属线材的材质为铜或铜合金。3.根据权利要求1或2所述的绕组元件，其特征在于：基于印刷电路原理将横截面呈矩形或三角形的金属线材采用层层堆叠的方式进行布置形成绕组元件，在相邻层叠的金属线材之间以及绕组元件外围布置有绝缘层。4.根据权利要求3所述的绕组元件，其特征在于：所述绝缘层为绝缘耐温纤维或陶瓷镀层。5.一种电机，包括定子，其特征在于：所述定子上设有用于固定权利要求1～4任一项所述的绕组元件的槽体。6.一种车辆，其特征在于：包括权利要求5所述的电机。

技术总结
本发明公开了一种绕组元件、电机及车辆，本发明所述的绕组元件，其特征在于：包括至少一根横截面呈矩形或三角形的金属线材，设金属线材横截面面积为S，设矩形长度为a，当或时，金属线材的横截面设置为矩形，当时，金属线材的横截面设置为三角形。其能够在相同截面积下，给电流提供更大的电流通道，提升电机效率。升电机效率。升电机效率。


技术研发人员：蹇昱扬 王飞 杜潇
受保护的技术使用者：重庆长安汽车股份有限公司
技术研发日：2022.11.30
技术公布日：2023/7/11