CN109586451A - 轴向磁通无铁芯绕组、制备工艺及具有该绕组的永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴向磁通无铁芯绕组，所述绕组的导线为截面长边沿电机轴向的带状铜薄片，所述带状铜薄片同心卷绕后得到整体为梯形或扇形的线圈，其包括大端部、小端部及设于所述大端部和小端部之间的有效部分，所述大端部和小端在有效部分均位于同一平面的情况下实现端部绕组相错排布。本发明还公开了一种轴向磁通无铁芯绕组的制备工艺以及具有该轴向磁通无铁芯绕组的永磁电机。本发明的轴向磁通无铁芯绕组的制备工艺，绕组采用整块铜板切割得到，通过控制切割精度，在保证绝缘的前提下，可实现导体间紧密排列，气隙空间铜截面占比可达到甚至超过扁铜线绕制，从而提升整个绕组空间的利用率，进而减小电阻，提升电机效率，减小电机重量。

Description

轴向磁通无铁芯绕组、制备工艺及具有该绕组的永磁电机

技术领域

本发明属于无铁芯绕组技术领域，更具体地，涉及一种轴向磁通无铁芯绕组、制备工艺及具有该绕组结构的永磁电机。

背景技术

近年来，由于化石能源的不可再生性以及日益严峻的环境问题，电动汽车的研发受到各国学者与汽车厂商的重视，相关技术也取得了长足的进步。现存电动汽车主要采用集中驱动系统，即驱动电机位于车辆内部，通过传动系统将动力输出至车轮；与之相对的是电动轮驱动系统，即将电机直接安装于车轮内。与传统驱动方式相比，电动轮驱动系统具有多方面优势：(1)结构简单，省去了复杂的机械传动系统，简化底盘结构，大大增加车内空间，提升乘坐舒适性；(2)能实现车辆的电气制动，提高能源利用率；(3)各轮毂电机独立可控，可提高车辆转弯灵活性，省去差速装置。虽然轮毂电机驱动系统具有诸多优点，但是仍存在一些问题制约其发展及广泛应用：(1)轮毂电机需要安装在轮内空间，轮毂的结构尺寸限定了电机的外径而汽车的悬挂装置则限定其轴向长度，使得轮毂电机具有体积小的需求；(2)轮毂电机位于车轮内，会增加汽车的簧下质量，影响汽车的乘坐舒适性、行驶平顺性和操控稳定性，因而对电机质量非常敏感；(3)直驱的轮毂电机不存在减速装置，需要输出较大的转矩，且电机位于轮毂内，散热条件较为恶劣。因此，轮毂电机领域迫切需求一种轻量化高功率密度密度的解决方案。相比常见的径向磁通电机结构，轴向磁通电机具有轴向长度短、单位体积功率密度高等优点；无铁芯电机因省去大量铁芯结构，定子重量极小，单位重量功率密度具有极大的优势，去除齿槽结构后，转子损耗显著降低且无定子铁芯损耗，因而效率可显著提升；结合两者优势，轴向磁通无铁芯电机可达到极高的功率密度和系统效率，迎合了轮毂电机、直升机尾翼驱动及舰艇推进等特种电机应用场合的严苛要求。

目前，常见的双转子-中间定子轴向磁通无铁芯电机结构转子由磁钢及转子轭构成，磁钢通常采用halbach阵列以减小漏磁增强气隙磁场，转子轭根据需求可导磁也可不导磁；现有无铁芯绕组通常由Litz线绕制，其定子绕组下线加工后再由环氧树脂或其他非金属材料灌封一体成型。与常规电机相比，该结构不存在定子铁芯结构，因而相近功率等级下，电机整体重量可显著减小。与此同时，没有定子铁芯作为导磁路径，磁力需要穿过磁导率接近空气的铜材料，磁阻远大于常规电机，因而磁钢需求量显著增大。一方面，实际的电磁气隙需计及绕组厚度，出于减小成本、重量的考虑，需要减小绕组厚度；另一方面，绕组厚度减小会增加电阻及电密，带来铜耗上升，导致效率下降及过热风险，因而如何提高气隙中铜截面占比从而减小电枢轴向厚度成为了亟待解决的难题。此外无铁芯电机的绕组暴露在交变磁场中，除常规电机重点考虑的直流铜耗外，交流铜耗的抑制显得尤为重要，很多场合下甚至大于直流铜耗。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种轴向磁通无铁芯/无槽永磁电机结构及其制作工艺，其要解决的技术问题是：在较低的气隙铜截面占比引起较大直流铜耗，且交流铜耗与直流铜耗相互制约，因而绕组轴向厚度无法有效降低，较大的电磁气隙使得磁钢用量显著提高，阻碍电机的功率密度的进一步提升。

为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种轴向磁通无铁芯绕组，所述绕组的导线为截面长边沿电机轴向的带状铜薄片，所述带状铜薄片同心卷绕后得到整体为梯形或扇形的线圈，将所述线圈交替排布，则可在有效部分均位于同一平面的情况下实现端部绕组相错排布，避免端部交叉干涉，从而形成圆盘式轴向磁通无铁芯绕组结构。

进一步地，所述带状铜薄片包括大端部、小端部及设于所述大端部和小端部之间的有效部分，在轴向上，所述大端部和小端部设于所述有效部分的同侧且处于同一平面内，所述线圈沿几何中心线翻折180°，所述大端部和小端部从有效部分一侧翻折至另一侧，翻折前后的所述线圈交替排布。

进一步地，所述大端部和小端部相对于所述有效部分上翘一端高度，以形成槽状或Z型结构，便于相邻所述铜薄片层叠后处于同一厚度平面内。

进一步地，所述大端部与有效部分之间一侧设有斜面或弧面过渡结构，另一侧对应位置设有斜面或弧面过渡结构。

进一步地，所述小端部与有效部分之间一侧设有斜面或弧面过渡结构，另一侧对应位置设有斜面或弧面过渡结构。

按照本发明的另一个方面，提供一种所述轴向磁通无铁芯绕组的制备工艺，采用整块铜板切割或采用铜箔卷绕制成，所述整块铜板切割包括如下步骤：

S1：将薄紫铜板切割成梯形模块；

S2：使用模具将步骤S1中所得梯形模块压制成所需形状；

S3：采用线切割等精密加工方式，沿轴向将铜板切割成类似同心绕组卷绕的铜薄片；

S4：使用夹具将切割后的铜薄片绕组模块定型，并浸漆做匝间绝缘处理；

S5：绕组模块安装、定位、接线；

S6：使用环氧树脂或其他高导热系数的非金属材料，将定子绕组一体化灌封成型。

进一步地，所述铜箔卷绕包括如下步骤:

(1)将带状铜箔卷绕成梯形；

(2)卷绕成型后线圈截面为矩形，将多余部分切除后可得绕组模块；

(3)将步骤(2)中所述模块需展开后浸漆，再重新卷绕成型；

(4)绕组模块安装、定位、接线；

(5)使用环氧树脂或其他高导热系数的非金属材料，将定子绕组一体化灌封成型。

进一步地，步骤(1)中所述铜箔卷绕包括如下两种方式：

(11)纯铜箔卷绕成梯形结构；或，

(12)采用铜箔+绝缘纸的方式卷绕成梯形结构，以在铜箔之间形成绝缘结构。

按照本发明的另一个方面，提供一种永磁电机，包括双转子和中间定子无铁芯结构，所述定子包括所述的轴向磁通无铁芯绕组。

进一步地，所述电机结构为双定子-中间转子或多盘无铁芯结构。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明的轴向磁通无铁芯绕组，所述绕组的导线为截面长边沿电机轴向的带状铜薄片，所述带状铜薄片同心卷绕后得到整体为梯形或扇形的线圈，其包括大端部、小端部及设于所述大端部和小端部之间的有效部分。与传统的Litz线绕组相比，本发明的轴向磁通无铁芯绕组结构气隙空间内的铜截面占比显著提高，在保证系统效率的同时有效提升电机功率密度，降低电机重量。

(2)本发明的轴向磁通无铁芯绕组，因薄片面与磁场透入方向平行，有效隔断了涡流路径，抑制了绕组涡流损耗，有效提高了气隙空间内的铜截面占比。

(3)本发明的轴向磁通无铁芯绕组的制备工艺，绕组线圈由铜薄片绕制而成，通过所述加工工艺，在保证绝缘的前提下，可实现导体间紧密排列，气隙空间铜截面占比可达到甚至超过扁铜线绕制，从而提升整个绕组空间的利用率，进而减小电阻，提升电机效率，减小电机重量。

(4)本发明的轴向磁通无铁芯绕组的制备工艺，因铜板沿轴向切割，可将每匝铜线即铜薄片的宽度控制在合理范围内，从而避免了较大交流铜耗。

(5)本发明的轴向磁通无铁芯绕组的制备工艺，因为铜箔与绝缘纸厚度可控，一并卷绕成型可在保证绝缘的情况下获得极高的铜截面占比，且铜箔平面与轴向平行，则磁场穿过截面极小，可有效抑制交流铜耗。

(6)本发明的具有轴向磁通无铁芯绕组的永磁电机，绕组采用整块铜板切割或采用铜箔卷绕而成，所述绕组的导线为截面长边沿电机轴向的带状铜薄片，所述带状铜薄片同心卷绕后得到整体为梯形或扇形的线圈，大大提高了气隙空间铜截面占比，减小了电机重量，同时提高了电机效率。

(7)本发明的具有轴向磁通无铁芯绕组的永磁电机，可为双转子-中间定子无铁芯结构、双定子-中间转子或多盘无槽/无铁芯结构，结构不存在定子铁芯结构，因而相近功率等级下，电机整体重量可显著减小。

附图说明

图1为本发明实施例一种轴向磁通无铁芯绕组的结构示意图；

图2为本发明实施例一种轴向磁通无铁芯绕组中单个铜薄片结构示意图；

图3为本发明实施例一种轴向磁通无铁芯绕组中相邻线圈的层叠示意图；

图4为本发明实施例中铜薄片与传统导线截面对比示意图；

图5为本发明实施例中铜板切割法加工流程示意图；

图6为本发明实施例中铜箔卷绕示意图；

图7为本发明实施例中箔式绕组加工示意图；

图8为本发明实施例中双转子-中间定子无铁芯结构示意图；

图9为本发明实施例中双转子-中间定子无铁芯结构磁力线分布示意图；

图10为本发明实施例中其他电机结构形式示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1和图2所示，本发明实施例提供一种轴向磁通无铁芯绕组结构，其线圈由带状铜薄片同心卷绕而成，并由多个线圈合理排布形成无铁芯绕组结构，从而实现铜薄片间紧密排列构成电流导通路径。与传统的Litz线绕组相比，本发明的轴向磁通无铁芯绕组结构气隙空间内的铜截面占比显著提高，在保证系统效率的同时有效提升电机功率密度，降低电机重量。

单个铜薄片线圈绕组的结构形式可多种多样，图2给出了其中一种结构形式，铜薄片100为梯形结构，其包括大端部101和小端部103以及设于大、小端部之间的有效部分102。其中，大端部101和小端部103处于同一平面内或对称设置在不同平面内，且二者相对于有效部分102上翘一定高度，形成槽状结构或Z型结构。图中示意大端部101和小端部103与有效部分102之间通过切割形成斜面过渡结构，但本发明不限于这种过渡结构，也可以为圆弧过渡等结构形式，能够实现所有线圈效部分处于平面时端部仍相错排布不交叉干涉即可。

优选地，各个线圈之间的排布方式可根据实际需求进行设计，如图3所示为本发明其中一个实施例中相邻线圈的层叠示意图。示例性说明各线圈之间的层叠关系，如图所示取其中三个线圈为一组，第二线圈200和第三线圈300的相邻一边并列设置，第一线圈100的中空部分套设有该并列边，从而形成一组绕组单元。多个绕组单元依次层叠，从而形成如图1所示的绕组结构。

如图4(a)所示，现有无铁芯绕组使用扁铜线绕制，其铜截面占比提升明显，直流铜耗显著下降，然而无铁芯电机绕组暴露在交变的转子磁场中，扁铜线较大的轴向宽度引起极高的交流铜耗，导致系统效率不足85％；为抑制交流铜耗，许多现有文献采用Litz线绕制电枢，但相应地铜截面占比会明显下降。如图4(b)，现有技术中提出一种导线后处理方法，通过线圈绕制后热塑成型，气隙空间利用率高于常规Litz线方案，但铜截面占比仍然较低，不足50％，直流铜耗达扁铜线方案的两倍。如图4(c)所示为本发明实施例中提出的铜薄片绕组结构的截面示意图，因薄片面与磁场透入方向平行，有效隔断了涡流路径，抑制了绕组涡流损耗，有效提高了气隙空间内的铜截面占比。

进一步地，作为本发明的另一个重要改进，本发明提出了一种轴向磁通无铁芯绕组结构的制备工艺方法，通过切割或卷绕等方式，使得所提绕组结构由铜薄片构成电流导通路径。为进一步说明其制备工艺过程，本发明示例性给出如下两种加工成型方法实施例。

实施例1：铜板切割加工

图5所示为铜板切割法的加工流程，具体包括如下步骤：

(1)将薄紫铜板切割成图示梯形模块；

(2)使用模具将步骤(1)中所得梯形模块压制成图示形状，若采用集中绕组方法则可省去此步骤；

(3)采用线切割等精密加工方式，沿轴向将铜板切割成类似同心绕组卷绕的铜薄片；

(4)使用夹具将切割后的绕组模块定型，并浸漆做匝间绝缘处理；

(5)绕组模块安装、定位、接线；

(6)使用环氧树脂或其他高导热系数的非金属材料，将定子绕组一体化灌封成型。

如图5所示，该方法绕组采用整块铜板切割得到，通过控制切割精度，在保证绝缘的前提下，可实现导体间紧密排列，气隙空间铜截面占比可达到甚至超过扁铜线绕制，从而提升整个绕组空间的利用率，进而减小电阻，提升电机效率，减小电机重量。此外，因铜板沿轴向切割，可将每匝铜线即铜薄片的宽度控制在合理范围内，从而避免了较大交流铜耗。

实施例2：箔式绕组加工

如图6和图7所示为箔式绕组加工流程，具体包括如下步骤：

(1)如图6(a)所示，将带状铜箔卷绕成梯形，优选地，如图6(b)所示，卷绕的带材可分为两种方案。其中，方案1为纯铜箔卷绕成梯形结构，方案2则采用铜箔+绝缘纸的方式卷绕成梯形结构，以在铜箔之间形成绝缘结构；

(2)如图7所示，卷绕成型后，线圈AA’截面为矩形，将灰色部分切除后可得绕组模块；

(3)方案1模块需展开后浸漆，再重新卷绕成型，方案2由于匝间已有绝缘纸，只需整体浸漆做绝缘处理；

(4)绕组模块安装、定位、接线；

(5)使用环氧树脂或其他高导热系数的非金属材料，将定子绕组一体化灌封成型。因为铜箔与绝缘纸厚度可控，一并卷绕成型可在保证绝缘的情况下获得极高的铜截面占比，且铜箔平面与轴向平行，则磁场穿过截面极小，可有效抑制交流铜耗。

上述实施例所提及加工方式只是薄片式无铁芯绕组的两种具体实施方案，凡是相似结构绕组均在本专利保护范围内。

此外，作为本发明另一个方面的改进，提出一种具有轴向磁通无铁芯绕组结构的永磁电机。双转子-中间定子轴向磁通无铁芯电机结构如图8所示，其定子绕组采用轴向磁通无铁芯绕组结构下线加工后再由环氧树脂或其他非金属材料灌封一体成型。该结构磁场分布如图9所示，磁力线由永磁转子1出发，穿过气隙-无铁芯定子-气隙到达永磁转子2，再沿相似路径回到永磁转子1形成回路。与常规电机相比，该结构不存在定子铁芯结构，因而相近功率等级下，电机整体重量可显著减小。本专利中所提结构为双转子-中间定子无铁芯轴向磁通电机，但所提绕组应用不仅限于该结构，如图10所示双定子-中间转子、多盘无槽/无铁芯结构均在本专利保护范围内。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种轴向磁通无铁芯绕组，其特征在于，所述绕组的导线为截面长边沿电机轴向的带状铜薄片，所述带状铜薄片同心卷绕后得到整体为梯形或扇形的线圈，将所述线圈交替排布，则可在有效部分均位于同一平面的情况下实现端部绕组相错排布，避免端部交叉干涉，从而形成圆盘式轴向磁通无铁芯绕组结构。

2.根据权利要求1所述的一种轴向磁通无铁芯绕组，其特征在于，所述带状铜薄片包括大端部、小端部及设于所述大端部和小端部之间的有效部分，在轴向上，所述大端部和小端部设于所述有效部分的同侧且处于同一平面内，所述线圈沿几何中心线翻折180°，所述大端部和小端部从有效部分一侧翻折至另一侧，翻折前后的所述线圈交替排布。

3.根据权利要求1或2所述的一种轴向磁通无铁芯绕组，其特征在于，所述大端部和小端部相对于所述有效部分上翘一端高度，以形成槽状或Z型结构，便于相邻所述铜薄片层叠后处于同一厚度平面内。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种轴向磁通无铁芯绕组，其特征在于，所述大端部与有效部分之间一侧设有斜面或弧面过渡结构，另一侧对应位置设有斜面或弧面过渡结构。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种轴向磁通无铁芯绕组，其特征在于，所述小端部与有效部分之间一侧设有斜面或弧面过渡结构，另一侧对应位置设有斜面或弧面过渡结构。

6.一种如权利要求1-5中任一项所述的轴向磁通无铁芯绕组的制备工艺，其特征在于，采用整块铜板切割或采用铜箔卷绕制成，所述整块铜板切割包括如下步骤：

S1：将薄紫铜板切割成梯形模块；

S2：使用模具将步骤S1中所得梯形模块压制成所需形状；

S3：采用线切割等精密加工方式，沿轴向将铜板切割成类似同心绕组卷绕的铜薄片；

S4：使用夹具将切割后的铜薄片绕组模块定型，并浸漆做匝间绝缘处理；

S5：绕组模块安装、定位、接线；

S6：使用环氧树脂或其他高导热系数的非金属材料，将定子绕组一体化灌封成型。

7.根据权利要求6所述的一种轴向磁通无铁芯绕组的制备工艺，其特征在于，所述铜箔卷绕包括如下步骤:

(1)将带状铜箔卷绕成梯形；

(2)卷绕成型后线圈截面为矩形，将多余部分切除后可得绕组模块；

(3)将步骤(2)中所述模块需展开后浸漆，再重新卷绕成型；

(4)绕组模块安装、定位、接线；

(5)使用环氧树脂或其他高导热系数的非金属材料，将定子绕组一体化灌封成型。

8.根据权利要求6或7所述的一种轴向磁通无铁芯绕组的制备工艺，其特征在于，步骤(1)中所述铜箔卷绕包括如下两种方式：

(11)纯铜箔卷绕成梯形结构；或，

(12)采用铜箔+绝缘纸的方式卷绕成梯形结构，以在铜箔之间形成绝缘结构。

9.一种永磁电机，包括双转子和中间定子无铁芯结构，其特征在于，所述定子包括如权利要求1-5中任一项所述的轴向磁通无铁芯绕组。

10.根据权利要求9所述的一种永磁电机，其特征在于，所述电机结构为双定子-中间转子或多盘无铁芯结构。