详细解读四种电机扁线绕组

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扁线绕组相比圆线绕组在电机槽中的填充效果更好，因此能够提高电机的槽满率。扁线绕组的设计具体体现在铜线的形状上，相比圆线绕组，扁线绕组采用扁平的铜线，其截面形状更接近矩形或椭圆形。这种形状的铜线在绕组时可以更好地填充定子槽的空间，充分利用了槽位，提高了绕组的紧凑度和导线填充率。

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详细解读四种电机扁线绕组
扁线绕组相比圆线绕组在电机槽中的填充效果更好，因此能够提高电机的槽满率。扁线绕组的设计具体体现在铜线的形状上，相比圆线绕组，扁线绕组采用扁平的铜线，其截面形状更接近矩形或椭圆形。这种形状的铜线在绕组时可以更好地填充定子槽的空间，充分利用了槽位，提高了绕组的紧凑度和导线填充率。
扁线绕组的优势在于充分利用了电机结构中的空间，提高了电机的效能。通常圆线电机的槽满率约为50%左右，而采用扁线绕组后，槽满率可达到70%以上。这意味着在相同定子槽空间的情况下，扁线绕组可以填充更多的铜线，从而允许承载更大的电流，产生更高的电枢磁势，进而提升电机的扭矩密度。
因此，扁线绕组能够使得电机在相同体积下拥有更高的功率输出，同时也能提供更高效的性能。下图分别为圆线和扁线在电机定子槽中的截面图。

圆线扁线

圆线        扁线
图1 圆线与扁线截面图
本文主要想介绍扁线绕组的四种类型，分别为I-pin、Hair-pin、X-pin、S-winding四种类型。下面对四种扁线绕组分别进行介绍。
（1）I-pin形式
I-pin绕组形如I，直接插线，然后双边焊接，也被称为I型绕组或双层腔式绕组。与传统的圆线绕组不同，I-pin绕组采用了较为复杂的结构设计，能够更好地充分利用定子槽的空间，提高电机的效率和功率密度。
I-pin绕组的基本原理是通过在定子槽内交替安装两个不同方向的绕组，从而将铜线紧密填充在定子槽中。具体来说，I-pin绕组由两层绕组组成，上下两层绕组的铜线分别沿着不同的方向排列，相互穿插在槽内。这种穿插排列的方式不仅可以提高绕组的填充率，还可以降低电机的电磁噪声和震动。
Pin绕组
I-pin绕组
I-pin绕组及插入定子示意图
绕组插入定子
图2 I-pin绕组及插入定子示意图
与传统的绕组相比，I-pin绕组还具有其他优势。首先，I-pin绕组无需预成型，且铜线长度更短，因此损耗更小。其次，由于I-pin绕组在定子槽内交替排列两个绕组，因此可以有效地减少热点的产生，提高电机的散热性能。此外，I-pin绕组还可以提高电机的绕组均匀性，降低电机的三相电流一致性。
但I-pin绕组的制造成本较高，焊接工艺繁琐，需要精确的绕线技术和专业的绕线设备，端部尺寸相对其他扁线绕组来说较大。
I-pin绕组成型示意图
图3 I-pin绕组成型示意图
（2）Hair-pin形式
Hair-pin绕组也被称为H型绕组，形似发卡，先成型再插线，然后单边焊接，是目前应用最多的扁线绕组形式，相比I-pin，Hair-pin具有更少的焊点。Hair-pin绕组采用漆包扁线或者漆包方线，将其折弯成”H”字形，形状类似于发夹（Hairpin）的样子，因此得名。Hair-pin绕组通常用于高功率、高效率的电机和变频器中。
发卡线圈示意图
图4 发卡线圈示意图
Hair-pin绕组主要有两个优势。首先，由于采用了漆包扁线，Hair-pin绕组可以在相同的空间内容纳更多的导线，提高了绕组的填充率。进一步提高了电机的功率密度，使其在相同尺寸下能够输出更大的功率。其次，Hair-pin绕组的导线之间通过铜扁线连接，形成了更紧凑的结构，有助于减小电阻、电感和电容的影响，提高电机的效率。
Hair-pin绕组的制造过程相对复杂，需要先将扁线折弯成”H”字形，然后通过焊接或压接等方式固定连接。这要求绕线工艺和设备具备一定的专业性和精确性。此外，Hair-pin绕组还需要考虑扁线之间的接触良好性，以确保电流传导的可靠性。
H-pin绕组示意图
图5 H-pin绕组示意图
Hair-pin绕组在高功率电机和变频器中广泛应用，特别适用于需要高效率和紧凑结构的场景。它可以提供更高的功率密度、更低的电阻和更好的散热性能，从而提高了电机的整体性能。然而，Hair-pin绕组的制造成本较高，对绕线工艺和设备的要求也较高，因此在实际应用中需权衡其优势和成本。
（3）X-pin形式
X-pin绕组与Hairpin绕组类似，将其折弯成X形交叉纹理，然后通过连接器或焊接固定，形成绕组。相比Hair-pin绕组，X-pin绕组不需要将线圈组合在一起，每个X-pin单元都是独立的，可以在电机中单独使用，因此拥有更短的端部。且由于X-pin绕组的交叉形状，它可以在相同空间内容纳更多的导线，使电机的功率密度更高。
X-pin绕组示意图
图6 X-pin绕组示意图
与Hairpin绕组不同，X-pin绕组的漆包扁线呈现出交叉的X形，这样可以进一步提高绕组的填充率和紧凑性，使电机的功率密度和效率得到了极大的提升，虽然在插线端部尺寸没有变化，但在焊接端部尺寸能够降低5-10mm，进一步降低电机铜损损耗、提升电机效率。
但由于X-pin的焊接端很短，对焊接工艺的要求也更高，还有断线、扭线等工艺也是其加工难点。
同款电机采用X-pin与Hair-pin不同绕组对比
图7 同款电机采用X-pin与Hair-pin不同绕组对比（资料来源：博格华纳）
（4）S-winding形式
S-winding绕组是将两个相邻的线圈依次排列，每个线圈的方向呈”S”形弯曲，然后再将这些线圈通过绕线机器穿过定子槽依次安装在定子上，成型后两头端部无需焊接，焊点更少，端部空间尺寸更小。
S-winding线圈示意图
图8 S-winding线圈示意图
S-winding绕组的优点主要有以下几个方面：首先，采用S-winding绕组的电机的电磁噪声较小，具有更加优秀的NVH性能，S-winding绕组能够降低电磁噪音和振动，减少电机对周围环境的干扰；其次，S-winding绕组的线圈的磁场分布更加均匀，减少了电机的高次谐波；同时S-winding绕组相互交叉形成密集的结构，稳定性好，也能形成通风通道，有利于散热。
然而，S-winding绕组也存在一些问题。首先，它需要更多的铜线，增加了电机的制造成本。其次，安装这种绕组需要更复杂的工艺，需要更加精密和专业的绕线设备和技术，对工艺技术和操作要求高。
S-winding绕组示意图
图9 S-winding绕组示意图
（资料来源：巨力自动化）
以上是对I-pin、Hair-pin、X-pin、S-winding四种扁线绕组的总结，下表对这四种绕组的端部尺寸、铜损、加工难度进行对比。
表1 四种绕组对比表
 
I-pin
Hair-pin
X-pin
S-winding
端部尺寸
长
中
短
短
铜损
高
中
低
低
加工难度
低
中
高
高

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