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【技术讲座】左右马达性能的线圈(下)

2018-1-24 19:38| 发布者: dymodel| 查看: 388| 评论: 0|原作者: laoztou

摘要: 无需分割内芯即可提高占空比   占空比并不仅仅取决于导线的排列方法,还取决于整个线圈的制造方式。此前,提高占空比的方法有分割内芯法。分割内芯是将定子内芯分为环状圆周部分与线圈部分制造而成的内芯。这 ...
无需分割内芯即可提高占空比

  占空比并不仅仅取决于导线的排列方法,还取决于整个线圈的制造方式。此前,提高占空比的方法有分割内芯法。分割内芯是将定子内芯分为环状圆周部分与线圈部分制造而成的内芯。这是家电使用的主流内芯,但EV一般不用。

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图4:日特工程试制的线圈
虽然不是分割内芯,但内芯与内芯之间的缝隙较小。
  日本日特工程公司面向EV马达开发出了虽不采用分割内芯却可提高占空比的绕线机(图4)。

  如果不分割内芯的话,线圈就需要用线嘴式绕线机绕制。绕线机装有供应导线的线嘴,其顶端的运行轨迹是围绕着绕制线圈部分的周围运动。而且可以利用凸轮等进行机械控制。

  与实际卷绕方向不同,定子的环状圆周部分位于下方,用来绕制线圈的内芯由此向上延伸,并在此水平卷绕线圈(图5)。线嘴顶端会下降至正在卷绕的位置。如果希望整齐地进行卷绕的话,这是正确的方法。由于刚开始卷绕时留有多余的空间,因此,即使线嘴通过内芯与相邻的内芯之间的“低谷”也不会出现问题,不过最后需要留下缝隙让线嘴通过。这种缝隙会遗留在产品上,造成占空比下降。

  采用分割内芯时,需要先卷绕线圈,最后再进行接合(图6)。卷绕时各个线圈比较分散,因此不必担心会触碰到相邻的线圈,也无需预留用来放入线嘴的空间。这样必定会提高占空比。

  厂商之所以不想在EV及HEV的驱动马达中使用分割内芯,是因为最后需要将其接合在一起,这样会导致磁阻产生。粘合时,由于要在内芯之间加入非磁性体粘合剂,因此会产生磁阻。如果有缝隙的话,即使缝隙很小也会产生磁阻。即使通过压装等方法使其完全贴紧,不产生缝隙,因金属栅没有连接在一起,同样也会产生磁阻。无论如何都会导致特性降低。


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图5:无需分割内芯的线圈绕制方法
线圈与线圈之间需要留下能让线嘴穿过的空间。
图6:分割线圈的绕制方法
逐个绕制线圈,然后再将其接合在一起,因此无需为线嘴预留空间。


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图7:日特工程正在开发的绕线机的卷绕方法
线嘴不能进入线圈与线圈之间。
图8:图7线圈的俯视图(从马达中心向下看)
只有③到④、⑥到①之间,可将线嘴向上拉至空中并穿过。

  日特工程公司为了避免使用分割内芯,选择了线嘴型绕线机。首先,像通常一样用线嘴卷绕导线。卷绕到线嘴能够移动的极限范围时,就会改变模式。变成线嘴不下降至线圈与线圈之间的低谷位置,而是从高出供应导线的模式(图7)。

  从上面观察线圈(图8)的话,③与④之间、⑥与①之间是存在问题的“低谷”,而其他位置即①到③、④到⑥是一头为空的“山崖”。只会在通过“低谷”时将线嘴推至高处,其他时间都会将线嘴降至需要供应导线的高度。

  将线嘴推至高处时,会导致导线的定位不准确。为了防止这一点,可在线嘴上升之前,在其通过②与⑤的位置之后,用固定工具将导线固定在内芯上,防止其上下移动。

将很多导线拧在一起绕制 要提高占空比,除了分割内芯之外,还有一种很早就为人所知的方法。那就是分布绕法线圈常用的“落入”绕法。

  “集中绕线”方式是在一个内芯上缠绕一个线圈,而“分布绕线”方式是将多个内芯放在一起进行卷绕。集中绕线方式的铜损较少。而分布绕线方式的顿转扭矩(Cogging Torque)较小。丰田“普锐斯”的混合动力系统配备的马达及发电机分别采用了不同的绕线方式,马达采用分布绕线式,发电机采用集中绕线式,由此可以推测,二者今后可能会共存。

  小田原工程公司开发出了适用于汽车用马达分布绕线的绕线机。特点是可一次卷绕很多导线。

  其实,EV用马达的线圈是将多条细线(比如16根)拧在一起卷绕后并联而成。像EV一样需要很大扭矩时,必须通过很大电流才能满足需要。要将铜损及其造成的温度上升降至一定水平的话,需要一定的截面积。也就是说要用粗线绕制。

  不过,如果粗线的曲率半径很小的话,就不能卷绕。另外,频率提高时,导致电流集中在表面附近的“表皮效应”会增大,无论导线有多粗,其中心位置都不会发挥作用。

  汽车用马达目前仍采用家电等常用的将细线拧在一起的绕线方式。通过将所有导线并联在一起,使其发挥与粗线相同的作用。采用落入绕法时,首先将导线临时卷绕在名为绕轴的夹具上,然后将其放入线圈插入夹具的叶片之间(图9)。满一周后,最后将所有线圈一同插入内芯与内芯之间的沟槽中。由于不受线嘴的制约,因此可提高占空比。

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图9:小田原工程的绕线机
先缠绕在绕轴(右),然后从上面推入线圈插入夹具的叶片之间。

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图10:上面是飞轮,挂在中间的是绕轴,下面是线圈插入夹具
绕轴不动,飞轮围绕其周围旋转,因此导线会扭曲。
  将导线卷绕在绕轴上的部件称为飞轮(Flyer)。围绕着固定的绕轴来供应导线(图10)。因高度与飞轮相同,因此从位置来说不可能供应导线,因此要在高处设置绕线管(Bobbin),穿过飞轮的旋转轴从上面供应导线。因此,飞轮转动时,导线会扭曲。

  即使只有一根线也会扭曲,不过是圆形线的话问题不会凸现出来。但若是方形线的话,扭曲后就会出现问题。有16根导线时,会由“扭曲”问题加重为“交叉”问题。线圈平行而整齐地卷绕时,占空比较高。如果交叉后占用多余空间,占空比就会降低。

  因此,小田原工程在绕轴上设置了名为“Stock Ring”的圆环。从绕线管中取出导线后,将其缠绕在该圆环上,然后按照一个线圈的长度进行切割。绕制完毕后可通过一边解开导线一边将其供应给飞轮的方法,来防止导线交叉。(全文完,记者:浜田 基彦)

■日文原文:モータの性能を左右するコイル

注:

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