【原创】2024年度本田IMMD混动电机定子技术解析

电机分总成结构

电机定子是电机的重要组成部分，其主要功能包括产生磁场、接收电流、转换能量等。电机定子能够保证电机的正常运转，并且能够在电机发生故障时起到保护作用。

电动机定子尺寸参数定义如下图1和表1所示，包括定子安装外径、定子铁芯外径、定子铁芯叠高等主要尺寸参数。

表1 电动机定子尺寸参数

图1 电动机定子尺寸示意

通过电机定子尺寸参数可以判断出该款电机为扁平形状电机，直径较大、长度较短，轴向尺寸较小，有利于轴向布置，更适用于乘用车机舱布置要求。

发电机定子尺寸参数定义如下图2和表2所示，包括定子安装外径、定子铁芯外径、定子铁芯叠高等主要尺寸参数。

表2 发电机定子尺寸参数

图2 发电机定子尺寸示意

发电机定子安装尺寸与电动机一致，定子铁芯外径与电动机一致，说明电动机和发电机在设计时径向尺寸设计相同，主要通过调节电机厚度来达到不同的功率、扭矩需求。发电机定子铁芯叠高为电动机的60%。

电机嵌线定子组件主要由定子铁芯、扁铜线绕组、三相铜鼻子等零部件组成。如下表3和图3所示。

表3 电机嵌线定子组件

图3 电机嵌线定子示意

扁铜线绕组采用全自动化电机扁线加工和绕组，不能采用圆线那种依靠人手工绕组装配。扁线绕组电机对于生产制造设备要求较高，生产制造投入较大。

定子铁芯作为定子嵌线组件核心部件，定子铁芯主要的功能包括：为绕组提供支撑及定位、为磁场的导通提供磁路、为绕组的散热提供高导热路径等。定子铁芯主要的参数结构介绍如下表4所示。

表4 电机定子铁芯

定子铁芯装配配合方式主要采用定位销与螺栓方式，定子铁芯与壳体之间采用定位销方式定位（按照常规的一面两销定位方式）；使用螺栓紧固方式装配，采用6个螺栓，基本等角度分布，螺栓固定最主要保证螺栓跨距尽量不要太大，保证固定效果。如下图4所示。

图4 定子铁芯装配配合

定子铁芯工艺主要采用激光焊接和冲铆两种工艺方式，冲片间采用铆接，之后模块圆周方向采用激光焊接，如图5所示。

图5 定子铁芯工艺

定子铁芯：6个铁芯模块按120°圆周排列，使用激光焊接弧形槽进行固定，目的为消除冲片冲铆形成的板厚差；

铁芯模块：使用级进模直接冲铆制作，铆点大小为Φ2，铆点按60°圆周均布。

常见的电机定子槽型包括平行槽型、斜槽型、波形槽型等，电机定子槽型是电机中非常重要的一个部分，它的设计直接影响着电机的性能和效率。在设计电机定子槽型时，需要根据电机的使用条件和要求选择合适的槽型，并根据电机的铁芯形状和尺寸确定槽型。选择合适的槽型可以提高电机的效率和性能，同时减少噪音和振动。本项目电机采用平行槽设计，具体设计参数如下表5所示。

表5 定子冲片槽参数

槽数的选择：定子槽型的设计中，槽数是一个非常重要的参数，直接影响了电机的主要性能指标。在决定槽数时需要考虑到电机所需的磁通密度、转矩、功率等相关参数。一般来说，槽数多，则转矩密度大，但功率密度小;槽数少，则功率密度大，但转矩密度小。因此，需要从实际需求出发，在综合考虑功率密度和转矩密度的情况下选择合适的槽数。

槽深的选择：槽深也是一个重要的参数，它一般取决于铁芯的截面积和扭转角。通常情况下，槽深与铁芯的节距呈反比例关系，而与芯宽和铁芯长度呈正比例关系。因此，在设计槽深时需要综合考虑电机所需的转矩和功率。

槽宽的选择：槽宽一般取决于导体线圈的绕制方式和导体的截面积大小。需要注意的是，槽宽过大会降低电机的磁密，导致能量损失增加;而槽宽过小则会增加绕制难度。因此，需要在保证线圈绕制顺利的前提下，选择合适的槽宽。

定子铁芯冲片槽型参数示意如下图6所示。

图6 冲片槽型示意图

定子绕组主要功能为通以一定频率的交流电，会在气隙形成沿着一个方向，以一定的速度旋转的旋转磁场，与转子永磁体产生的永磁磁场相互作用产生电磁转矩，提供机械能。

该项目出线端绕组采用浸漆工艺，如下表6所示。

绕组浸漆主要的作用包括提高绕组绝缘的耐热性和导热性、改善绕组绝缘的电气性能、提高绕组绝缘的耐潮性和化学稳定性、提高绕组的机械强度。

表6 绕组浸漆工艺

定子绕组结构参数如下表7所示。

表7 定子绕组结构参数

定子绕组是电动机中非常重要的组成部分，其绕线方式直接影响电动机的性能和效率。根据线圈绕制的形状与嵌装布线方式的不同，定子绕线主要分为集中式和分布式两类。

集中式绕线一般仅由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。这种绕组多用于直流电动机、通用电动机的激磁线圈，以及单相罩极电动机的主极绕组。

分布式绕线则广泛应用于交流电动机定子，每个磁极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，分布式绕线又可分为同心式和迭式两类。同心式绕组是同一线圈组的几个大小不同的矩形线圈，按同一中心的位置逐个嵌装排列成回字形的型式，一般用于单相电动机和部分小功率三相异步电动机的定子绕组。迭式绕组是所有线圈的形状大小完全相同，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，分为单层迭式和双层迭式两种。

本电机绕组绕线采用分布式双层方式，双层绕线匹配扁线工艺，获得更小的空间尺寸，端部损耗减小，如下图8所示。

图8 电机绕组绕线

绕线参数：每槽8根导体，2匝2支路，双层绕组，12级72槽，出线端：1跨7，非出线端：1跨6

电机槽满率和铜满率是电机设计和制造过程中的两个重要参数。电机槽满率主要关注绕组整体布局，在一定程度上影响铜满率的计算和优化。而铜满率则注重导线的截面积以及其在定子槽中的适应性。二者之间存在依赖关系，需要设计师根据实际需求和指标进行综合考虑和优化。

下图9示意了定子绕组，定子铁芯、绝缘纸、绕包线、扁铜线，在这个结构中基础上进行槽满率和铜满率的分析计算。

图9 定子绕组构成

计算槽满率：总线面积=匝数*并绕根数*线长*线宽=8*1*3.8*2.2=66.88mm2,槽满率=总线面积/槽净面积=66.88/74.23=0.901；

计算铜满率（即铜利用率）：铜满率=总铜面积/槽面积=53.2/84.23=0.631。

计算输入主要参数及结果汇总如下表8所示。

表8 槽满率/铜满率计算结果

槽满率是电机性能的重要参数之一，合理的槽满率设计有助于提高电机的工作效率、电机寿命及其稳定性，降低电机噪音等方面的指标表现。

三相铜鼻主要功能为：连接并固定嵌线定子三相引出线、通过三相接线座的转接将嵌线定子三相引出线与逆变器进行电气连接。三相铜鼻主要设计信息如下表9所示。

表9 三相铜鼻设计

小结

本田IMMD的电机定子采用了最先进的扁线技术，主要的技术先进性总结如下：

1. 双电机定子轴向尺寸设计紧凑，同轴布置下轴向空间较短；

2. 槽满率和铜满率设计指标较高，更利于性能输出。