新型微特电机绕组设计与嵌装方式研究

随着当前科学技术的快速发展，微特电机是机械产品中电力能源转换的重要组成部分，适用于新型能源汽车、工业机器人、航空航天及军用装备等多个领域[1]。微特电机对高功率密度、高效率、高可靠性及恶劣环境适应性有着极致要求。然而，对微特电机性能需求的不断提升，传统电机绕组结构及其制造工艺在效率、散热、生产良率等方面面临严峻挑战[2]。针对这一系列问题，聚焦绕组结构创新与嵌装工艺革新，提出多物理场协同优化方法设计高性能绕组（如新型非等匝绕组、连续绕组）；在基于不同物理效应对线圈的全面综合设计的基础上，建立了自适应装配流程系统，根据不同类型的线圈结合相适应的微特电机需求，实现了如自适应张力控制、绕嵌一体化等技术的应用，提高了装配质量和效率。通过综合的多项物理效应的共同设计与自动化装配流程相结合的方式，为微特电机的高性能化与智能制造提供技术支撑。

1、新型电机绕组的结构设计与性能分析

1.1 典型新型绕组结构及设计原理

对于新电机定子绕组具有很多开创性的特点，比如新非等匝绕组（见下图 1）、无断点绕组。如36 个槽、双极的电机，新非等匝绕组就打破了传统绕组匝数的设置方式，根据电动机的不同部分对磁场的要求精细确定每个线圈匝数，使磁场趋于平缓。

无断点绕组是将同相线圈串在一起，减少了绕组间的连接点，降低连接损耗。这类绕组新设计的目的性明确，其主要目的是获得磁场的正弦分布、减少谐波含量，减少电机的振动和噪声；另外改进绕组结构、降低铜耗从而提高电机的性能。见下表1。

图 1 新非等匝绕组

1.2 多物理场协同优化方法

电机运行过程中，电磁效应、热效应、机械效应之间相互耦合、耦合。磁场分布会影响铜耗，即不均匀的磁场会造成局部过电流产生铜耗加剧。铜耗的增加会带来更多的热量产生，导致电机温度升高[3]。高温度会导致绝缘材料老化加快，可靠性下降，最终影响电机可靠性及安全性。应用有限元仿真工具建模，并对电机的电磁、热和结构进行仿真，得到具体的电磁、热和结构场分布；然后针对电机的性能、冷却及结构稳定性等多物理性能目标运用多目标优化技术，对线圈结构参数进行优化设计，反复迭代优化设计，得出最优设计方案，实现多物理场的一次性联合优化，提高电机的性能。

2、新型绕组的嵌装工艺与装备开发

2.1 嵌装过程的核心挑战与工艺需求

传统的安装工艺存在着较多问题，严重制约电动机的质量和产量。其中一类较为普遍的缺陷为绕组松动，运行中的电动机中若出现松动，绕组会引发振动，破坏绕组的绝缘表面而出现短路的问题，电动机性能将受到影响，并且存在一定的危险。另一类较为突出的原因可能是张力不稳定导致，绕组的部分因线的张力不同，导致绕组在空间分布的不平衡而影响电动机的磁场分布及性能。新型的绕组安装技术会带来新的困难。连续绕组需要进行动态张力控制，制造时保证在整个过程中始终保持稳定的张力，避免线圈过大或者太小的情况出现。多层绕组需要明确准确位置，保证各层线圈的正确相对位置，否则将会降低电机性能。

2.2 新型嵌装工艺方案设计

本文设计一套自我控制技术体系，核心技术是自调式张力控制技术和绕、嵌一体共性技术。张力自调式控制技术采用当前线圈张力动态监控技术实现张力大小自动调节，使其始终保持在设定张力范围内，张力自调技术需要利用先进的传感技术及控制技术实现张力快速响应，有助于嵌装过程的稳定性和质量提升[4]。绕、嵌一体共性技术是在绕线和嵌线两个环节共同行动，缩短了绕线、嵌线之间传统流程，提高了生产效率。在线圈绕制过程中，即可完成嵌入定子槽的操作，无需移动线圈再变形，提高了嵌装精度。绕线盘与排线器。绕线盘指的是可以一次性绕制若干导线，提高了绕制效率。排线器是通过按预设数据自动进行排线器距离位置方向的排列实现有序排线。

2.3 嵌装装备的关键技术参数

采用新型安装装备能明显改善线拉伸控制精度，能更加精确控制线圈拉伸量，能更好地控制安装质量。由于排线速度大大提高，极大缩短了安装时间，能大大提高生产效率。对槽位填充率控制界线明确，有利于电动机高密型和高效型[5]。相比传统安装设备，新型电机绕组安装要求，上述主要参数都存在明显的不足，无法达到新标准。

表 2 嵌装装备的关键技术参数

3、实验验证与性能对比

3.1 实验平台搭建

为验证新电机绕组和嵌装工艺，构建电机绕组性能测试仪、绕组温升测量单元、嵌装质量统计单元用于电机绕组和嵌装工艺性能的试验平台。在36 个 8/6 极电机中选取目标电机，分别制作了30 个连续绕组电机和 30个传统绕组电机。先利用绕组特性测量仪完成整个试验产品的初级特性测试；将试验产品电机构装于试验台架上，并按要求负载运行，期间采用温度上升监控系统对试件电动机电流上升情况持续检测，并由插装良好率计算器采集计数整个插装时间内不合格产品数量，待运行时间足够时，再用绕组特性测量仪分别测试绕组特性，将前后特性做对比，进而评定出电动机性能变化状况[6]。

3.2 性能对比与经济效益

通过对企业实际试验后得出的结果来看，实施新型电动机线圈和安装方式后各项性能数值均有提升，优良的安装率从原先的88%提高了 96% ，有效降低了不良率的出现概率，进而大大提升了生产效率。节约工作时间30%，降低了制程时间，减少用工量。电力消耗减少 12%，电动机效率提高了，同时也减少了电能消耗。在成本方面，新型电机绕组与安装技术减少了6%的耗料成本，这是由于其绕组与安装的技术路线更加成熟、精准，更注重节约使用资源，并能够避免大量浪费；减少了25%的检修成本，说明此款电机更加耐磨耐用并具有更加良好的稳定性，从而能够降低今后修磨的成本；总的来说，此款新型电机绕组与安装方法具备较高的经济效益潜力及极大的市场普及潜力。

表 1 典型新型绕组结构与设计

表 3 性能对比与经济效益

结论与展望

综上，本文研究的主要核心围绕新一代电磁制动器的布局及安装技术进行，并实现重要突破。新的线圈结构经过多物理场环境共同优化，获得磁场的正弦分布，使谐波成分降低，减少铜损耗，显著提高电动机的性能。自动化安装的技术体系解决了安装难题，提升了安装的质量，降低生产的成本，提升产品产出效益。从产品发展趋势来看，电机朝着智能化、高效化的方向发展，品主流发展趋势将聚焦于嵌入式智能化技术的应用。通过引入先进的感知元器件和控制方案实现嵌入式过程中实时监测和智能化控制，提高嵌入式精准性、效果。扁平型绕组填充率高，散热条件优越，其应用扩大有可能更进一步推动电机能量密度提升和效率优化。该文为推动电机产业的发展带来了新的思路和方法，伴随科技进步，新型的电机绕线方式和嵌入方式将逐渐在更广泛的领域应用。