CN112640274A - 轴向磁通电机 - Google Patents

Abstract

提供用于具有分布绕组和磁通引导件(30)的无轭轴向磁通电机的定子(1)的导电线圈(12)、包括多个这种线圈的定子(1)、包括定子(1)的无磁轭轴向磁通电机(100)，以及制造定子(1)的方法(500)。导电线圈(12)包括第一有源部段(121a)和第二有源部段(121b)，每个有源部段(121a，121b)在基本垂直于电机的旋转轴线的大致径向方向上延伸，并且包括多个绕组匝部分(131a，131b)，多个绕组匝部分(131a，131b)平行于旋转轴线堆叠，使得垂直于每个有源部段(121a，121b)的径向方向的横截面是细长的，其中主要尺寸平行于旋转轴线。第二有源部段(121b)在周向方向上间隔开并且从第一有源部段(121a)轴向偏移。

Description

轴向磁通电机

技术领域

本发明涉及一种轴向磁通电机，并且特别地涉及一种用于轴向磁通电机的定子组合件。

背景技术

包括电动机和发电机在内的电机已经被非常广泛地使用。但是，对于我们对给内燃发动机供以动力的化石燃料的信赖和由化石燃料所造成的污染的担忧正在产生政治和商业压力，以将电机的使用扩展到新的应用，并扩大它们在现有应用中的使用。电机越来越多地用于诸如电动汽车、摩托车、轮船和飞机的交通工具中。它们还用于能量产生应用中，例如风力涡轮机中的发电机。

为了满足这些应用的需求，有必要设计一种既具有合适的性能特性(诸如速度和转矩)又具有高效率的电机。电机的效率在几乎所有应用中都至关地重要：例如，它既可以增加电动车辆的续航里程，又可以减少所需的电池容量。减少所需的电池容量反过来又可以减轻车辆的重量，这导致进一步的效率增益。

一种已知类型的电机是轴向磁通机。顾名思义，在轴向磁通机运行期间被切割的磁通线的方向平行于轴向磁通机的旋转轴线。这与径向磁通机相反，在径向磁通机中，在径向磁通机运行期间被切割的磁通线的方向垂直于径向磁通机的旋转轴线。尽管径向磁通机更为普遍，但轴向磁通机已用于某些应用，在这些应用中，关注其形状因素(相对小的轴向范围)和性能特性(诸如高转矩与重量之比)。

在公开号为WO 2018/015293 A1的国际专利申请中描述了利用集中绕组布置的无轭轴向磁通机的一个示例。轴向磁通机的定子组合件包括沿周向分布的离散定子齿，每个定子齿均具有铁磁材料，围绕该铁磁材料存在电绕组。这通常被称为无轭且分段的电枢机。定子壳体的径向向内延伸的细长部分被设置成用于冷却并且提供用于接收定子齿的结构。尽管这种轴向磁通电机能够实现高效率，但仍希望提高效率，尤其是在较宽的工作参数范围内。此外，即使壳体的向内径向延伸的细长部分提供了用于接收离散的定子齿的一些结构，但是仍然存在与将每个定子齿精确地定位和粘结到定子壳体中相关联的难题，并且必须围绕包含铁磁材料的线轴状结构缠绕每个定子齿。将希望提供一种定子，该定子可以更容易地且更准确地组装。

发明内容

本文描述的实施例提供一种用于轴向磁通机的导电线圈和定子，轴向磁通电机包括多个导电线圈，其提供高电机效率、制造的容易度，以及有助于冷却的从线圈到定子壳体的良好的热传导。

在整个本公开中，除非另有限定，否则在圆柱极坐标系(r，θ，z)的上下文中使用诸如“径向(radial)”、“轴向(axial)”、“周向(circumferential)”和“角度(angle)”的术语，在圆柱极坐标系(r，θ，z)中，电机的旋转轴线的方向平行于z轴线。也就是说，“轴向”意味着平行于旋转轴线(即沿着z轴线)，“径向”意味着垂直于旋转轴线的任何方向，“角度”是在方位方向θ上的角度，以及“周向”是指围绕旋转轴线的方位方向。

诸如“径向延伸”和“轴向延伸”之类的术语不应理解为意味着特征必须完全径向或完全平行于轴向方向。为了说明，虽然众所周知，当电流的方向与磁通的方向完全垂直时，载流导体在磁场中经受的洛伦兹力最大，但是对于小于90度的角度而言载流导体仍将经受洛伦兹力。因此，与平行和垂直方向的偏离将不会改变基本的操作原理。

在独立权利要求中限定本发明，现在应对其进行参考。优选的特征在从属权利要求中提出。

根据本发明的第一方面，提供一种用于具有分布绕组的无轭轴向磁通电机定子的导电线圈。导电线圈包括第一有源部段和第二有源部段。每个有源部段在基本垂直于电机的旋转轴线的大体径向方向上延伸，并且包括平行于旋转轴线堆叠的多个绕组匝部分，使得垂直于每个有源部段的径向方向的横截面是细长的，其主要尺寸平行于旋转轴线。第二有源部段在周向方向上间隔开并且从第一有源部段轴向偏移。

这种类型的导电线圈提供易于制造使用导电线圈构造的定子，以及高的机器效率。例如，导电线圈可以形成诸如叠片组的磁通引导件可以放置于其中的结构。这允许定子被快速地制造，并且还具有高的精确度，这提高电机的效率。另外，有源部段的轴向偏移有利于线圈在轴向和周向方向上的堆叠。轴向堆叠的绕组匝的使用还减轻有源部段中的集肤效应和邻近效应。这是因为每个绕组匝的横截面较小，并且由于绕组匝串联连接，因此确定性地控制电流以在每个有源部段的整个轴向范围内流动。这减少发热并提高磁链。

根据本发明的第一方面，导电线圈可以任选地包括彼此串联连接的多对有源部段。相邻的有源部段对可以沿周向重叠，以限定用于接收磁通引导件的第二类型的空间。第二类型的空间是下述周向空间，所述周向空间在线圈的不同对的有源部段的两个相邻的有源部段之间。像限定其的有源部段那样，周向空间基本径向地延伸并且在径向方向上可以是细长的。每个线圈的每个这样附加对的有源部段有利地将每极每相的槽的数量增加一。这可以减少损耗并因此提高效率，因为每极每相的更多数量的槽可以导致更精确的正弦磁通密度。此外，每个线圈的有源部段的数量可以根据机器的半径进行成比例变化。

根据本发明的第二方面，提供一种用于无轭轴向磁通电机的定子的导电线圈。导电线圈包括两对有源部段。每个有源部段在基本垂直于电机的旋转轴线的大致径向方向上延伸。每对有源部段的大致在径向上延伸的有源部段在周向方向上间隔开。两对有源部段在周向上部分地重叠，以限定用于接收磁通引导件的第二类型的空间。第二类型的空间是线圈的不同对的有源部段的两个相邻有源部段之间的周向空间。像限定其的有源部段那样，周向空间基本上径向地延伸并且可以是细长的。

根据第二方面类型的导电线圈提供易于制造使用导电线圈构造的定子，以及高的机器效率。例如，当多个这样的线圈围围绕定子环周向分布时，所得的线圈结构将具有(第二类型的)周向分布的空间，磁通引导件可设置在该空间中。这允许将定子快速地制造成，具有大量的磁通引导件，并且还具有高的精度(这提高电机的效率)。此外，由于每个线圈具有(至少)两对间隔开的有源部段，因此线圈将为定子提供每极每相(至少)两个槽，这使得由定子产生的磁通密度更加正弦，具有不那么显著的谐波分量。对于正弦变化的电流，由电机产生的平均转矩是由基本磁场分量的相互作用而不是由谐波分量造成的。这是有利的，因为周向空间磁通密度中的谐波分量在转子的永磁体中导致更大的涡电流，这继而导致更高的损耗和增加的热量。此外，绕组磁通势分布中的任何其他谐波分量都可能导致磁通引导件中增加的损耗。更进一步，每个线圈的有源部段对的数量可以根据机器的半径和/或通过选择在形成每对的有源部段之间的跨度(间距)来成比例变化。因此，每个线圈的每个附加对的有源部段将每极每相的槽的数量增加一，因此可以获得更高的效率，尤其是随着电机尺寸的增加而获得更高的效率。

根据该第二方面，每个有源部段可以可选地包括平行于旋转轴线堆叠的多个绕组匝部分，使得垂直于每个有源部段的径向方向的横截面是细长的，其主要尺寸平行于旋转轴线。轴向堆叠的绝缘绕组匝减轻有源部段的集肤效应和邻近效应。这减少发热(由于电流被更好地被分布贯穿导体横截面)并且提高磁链。

根据第二方面，每对有源部段可以可选地从彼此轴向偏移。轴向偏移有源部段有利于线圈在轴向和周向方向上的堆叠，这提供每对有源部段之间的跨度(间距)的灵活性，并且由于线圈的互锁特性而提高完整绕组的结构刚度。它还提高芯中的磁链。

以下可选特征还可以应用于第一方面的导电线圈和第二方面的导电线圈。

在使用中，电流沿着形成一对有源部段的有源部段在相反的径向方向上流动(即，电流沿第二有源部段在与沿第一有源部段流动的电流相反的方向上流动)。

每个有源部段可只有一个绕组匝宽度。可替代地，每个有源部段可以是多个绕组匝宽度。即，每个有源部段可以包括多个周向堆叠的绕组匝部分。如果每个有源部段的确包括多个周向堆叠的绕组匝部分，则周向堆叠的绕组匝部分的数量优选地小于轴向堆叠的绕组匝部分的数量，使得垂直于有源部段的径向延伸方向的线圈横截面的主要尺寸平行于旋转轴线。例如，有源部段可以仅是两个绕组匝部分宽，但是在轴向方向上包括多于两个的绕组匝部分。例如，轴向堆叠的绕组匝部分的数量与周向堆叠的绕组匝部分的数量之比可以大于或等于三，优选地大于或等于五，更优选地大于或等于七。大于一个绕组匝部分宽度的线圈增加导体的总长度，这进而增加线圈的阻抗。较高的阻抗可以允许使用具有较低开关速率的控制器，这在某些情况下可以降低成本。

一对有源部段的第一和第二大致径向延伸的有源部段的绕组匝部分可以具有位于内半径处的近端和位于外半径处的远端。绕组匝部分的近端可以通过内部回路部段连接，而远端可以通过外部回路部段连接，使得在使用中，电流沿着一对径向延伸的有源部段在相反的径向方向上流动。

外部回路部段可以构造成形成线圈的外部部分，该外部部分基本上平行于旋转轴线。线圈的轴向平行部分可以轴向插入到定子壳体的孔中，这提高定子制造的容易度。此外，线圈的外部部分的扩展性为线圈的机械锁定和在定子外周处的冷却提供了更大的表面积。

每个外部回路部段可以具有任何形状，但是优选地可以是基本上半圆形或矩形的，使得线圈的外部部分是半圆盘或矩形的表面。外部部分的表面也可以是弯曲的，例如为渐开线形状的。这些表面产生大的表面积，但是还需要相对有限的导体长度，这降低材料成本。

附加地或替代地，外部回路部段可以构造成形成线圈的基本渐开线部分。渐开线部分(其在相邻的导电元件之间保持基本恒定间隙)提供沿周向分布的线圈的径向互锁布置。可能存在线圈的两个基本渐开线外部部分，其将线圈的外部部分连接到两个有源部段。

内部回路部段可以构造成形成线圈的基本平行于旋转轴线的内部部分。内部部分基本上平行于旋转轴线，从而占据尽可能少的周向空间。这是重要的，因为在定子的内半径处的物理空间非常宝贵。

每个内部回路部段可以具有任何形状，但是优选地可以是基本上半圆形或矩形的，使得线圈的内部部分是半圆盘形或矩形的表面。内部部分的表面也可以是弯曲的，例如为渐开线形状的。这些形状需要相对有限的导体长度来实施，这降低材料成本。

内部回路部段可构造成形成基本渐开线部分。渐开线部分(其在相邻的导电元件之间保持基本恒定间隙)提供周向分布线圈的径向互锁布置。存在线圈的两个基本渐开线内部部分，其将线圈的内部部分连接到两个有源部段。

多对有源部段的数量可以是2的整数倍。使用二的整数倍的多对有源部段容易地允许每个线圈由多个相同的导电元件制成，这降低制造成本。

导电线圈可以被配置为使得在使用中，电流沿着由适于磁通引导件的空间之一隔开的线圈的相邻有源部段在相同方向上流动。这避免了在这些相邻的有源部分中流动的电流对转矩产生起相反的作用。

构成一个线圈的多对有源部段可以一体形成，或通过串联连接多个单独的元件而形成，每个元件包括一对有源部段。例如可以使用套圈、通过钎焊或通过焊接来进行连接。可以通过缠绕、粘结和形成导体来形成单独的元件，这可以使用实施起来相对便宜的技术来执行。一体地形成元件可能是昂贵的，但也可允许使用常规绕组技术无法实现或难以实现的更复杂的线圈拓扑结构。此外，通过一体地形成元件，减少定子的构成部件的数量。

导电线圈可以包括用于将导电线圈连接到电源的第一连接部分和第二连接部分。第一连接部分和第二连接部分可平行于旋转轴线延伸。连接部分可以在相同的平行方向或在相反的平行方向上延伸。平行延伸的连接部分允许将线圈非常简单地连接至电源。

线圈的第一连接部分和第二连接部分可被提供为靠近线圈的径向外端。以这种方式，可以靠近定子组件的外半径进行连接，在该处与例如在定子组合件的内半径处相比存在更大的周向空间。这意味着连接的密集堆叠程度较低，这提供制造的容易度并提供更可靠的电气连接。

还提供了一种用于轴向磁通电机的定子，该定子包括根据第一方面的多个导电线圈。还提供了一种用于轴向磁通电机的定子，该定子包括根据第二方面的多个导电线圈。在任何一种情况下，多个导电线圈可以围绕定子周向分布。

多个导电线圈可以设置成多组，每组对应于定子的一个极。

每个导电线圈可以被配置为连接到多相电源的一个相。

周向相邻的导电线圈可以被配置为连接到多相电源的不同相，使得对于N相电源，定子包括多组的N个导电线圈，每组的N个导电线圈包括用于N相电源的每一相的一个线圈，每组线圈对应定子的一个极。

对于多相电源的每一相，连接到所述相的定子的每个第二线圈可以连接到公共母线。以此方式，绕组可被分成两个交错部分，所述交错部分将每相的总数的一半的线圈连接到两个相的母线之一。

周向相邻的导电线圈可以周向重叠以限定用于接收磁通引导件的第一类型的空间。第一类型的每个空间可以是在两个不同线圈的两个相邻有源部段之间的周向空间。类似于限定它们的有源部段，第一类型的空间在径向方向上延伸并且可以在径向方向上是细长的。由于定子的线圈自然地形成用于接收磁通引导件的结构，因此定子将被快速地制造并且还具有高的精确度，这提高电机的效率。

定子可以进一步包括定位于第一类型和/或第二类型的空间中的磁通引导件。

定子可以进一步包括定子壳体。定子壳体可包括沿周向分布并沿轴向延伸的孔，用于接收导电线圈的基本平行于旋转轴线的外部部分。如上所述，这提供了更容易且更精确的制造以及从定子的导电部件到定子壳体的热传递。

还提供了包括这种定子的轴向磁通电机。轴向磁通机可包括设置在定子的相对两侧上的一对相对的转子；每个转子可以仅专用于一个定子，或者一个或多个转子可以在两个轴向对准的定子之间共享。

还提供一种制造轴向磁通电机的定子的方法。该方法包括将多个导电线圈定位在定子壳体中，使得多个线圈围绕定子壳体周向分布。每个导电线圈包括第一有源部段和第二有源部段，每个有源部段在基本垂直于电机的旋转轴线的大体径向方向上延伸，并且包括平行于旋转轴线堆叠的多个绕组匝部分，使得垂直于每个有源部段的径向方向的横截面是细长的，其主要尺寸平行于旋转轴线。第二有源部段在周向方向上间隔开并且从第一有源部段轴向偏移。

定子壳体可包括多个周向分布且轴向延伸的孔。在这种情况下，将多个导电线圈定位在定子壳体中可包括对于每个相应的导电线圈将相应线圈的轴向延伸的部分定位在轴向延伸的孔之一中。这增加组装的容易度、组装的准确性、机械锁定以及在使用中的冷却和效率。

每个导电线圈可以包括彼此串联连接的多对有源部段，其中相邻的多对有源部段可以沿周向重叠，以限定用于接收磁通引导件的第二类型的空间。第二类型的空间可以是下述周向空间，所述周向空间在同一线圈的两个相邻的有源部段之间，但是上述两个相邻的有源部段属于该线圈的非同对有源部段。该方法还包括将磁通引导件定位在空间中。如上所述，有利地，每个线圈的每一附加对有源部段将每极每相的槽的数量增加一，这可以减少损耗并因此提高效率。此外，每个线圈的有源部段的数量可以根据机器的半径进行成比例变化，因此在更大的机器上可以实现更高的效率。

提供一种制造轴向磁通电机的定子的另一种方法。该方法包括将多个导电线圈定位在定子壳体中，使得多个线圈围绕定子壳体周向分布。每个导电线圈包括两对有源部段，每个有源部段在基本垂直于电机的旋转轴线的大致径向方向上延伸。每对有源部段的大致在径向上延伸的有源部段在周向方向上间隔开。两对有源部段分别在周向上部分地重叠，以限定用于接收磁通引导件的第二类型的空间。第二类型的空间是同一线圈的不同对的有源部段的两个相邻有源部段之间的周向空间。该方法还包括将磁通引导件定位在空间中。

在该第二方法中，每个有源部段可包括平行于旋转轴线堆叠的多个绕组匝部分，使得垂直于每个有源部段的径向方向的横截面是细长的，其主要尺寸平行于旋转轴线。由于电流被更均匀分布通过导电横截面，因此这减少了发热量。每对的有源部段可以在轴向上从彼此偏移。轴向偏移有源部段有利于线圈在轴向和周向方向上的堆叠，在每对有源部段之间提供跨度(间距)的灵活性，并且由于线圈的互锁特性而提高完整绕组的结构刚度。

在两种方法中，导电线圈都可以定位成使得周向相邻的导电线圈周向重叠，并且从而限定用于接收磁通引导件的第一类型的空间。第一类型的每个空间可以是两个不同线圈的两个相邻有源部段之间的空间。两种方法都可以进一步包括将磁通引导件定位在第一类型的空间中。

两种方法可以进一步包括将定子的至少一部分浸渍在诸如树脂的粘结化合物中。这样可以增强定子组合件，保护其免受在使用过程中其所经受的机械和电磁力的影响。用于将线圈连接到电源的装置可以不被粘结化合物浸渍，有利地允许在浸渍之后接近连接部。

本发明的一个方面中的任何特征可以任何适当的组合应用于本发明的其他方面。特别地，方法方面可以应用于装置方面，以及反之亦然。此外，一个方面中的任何、一些和/或所有特征可以任何适当的组合应用于任何其他方面中的任何、一些和/或所有特征。

还应意识到的是，可以独立地实施和/或供应和/或使用在本发明的任何方面中描述和定义的各种特征的特定组合。

附图说明

现在将仅通过示例的方式并参考附图进一步描述本发明的实施例，其中：

图1A是轴向磁通机的侧视图，示出定子组合件、转子和轴；

图1B是图1A的轴向磁通机的立体图；

图2A是图1A-图1B的轴向磁通机的转子和轴的立体图；

图2B是图1A-图B和图2A的轴向磁通机的一个转子的平面视图，更清楚地示出转子的永磁体；

图3是轴向磁通机的横截面侧视图，示出在图1A-图1B和图2A-图2B中不可见的附加细节；

图4A是包括48个导电线圈的轴向磁通机的定子组合件的导电组件的立体图；

图4B是图4A的定子组合件的导电组件的侧视图；

图4C是图4A和图4B的定子组合件的导电组件的平面视图；

图5A示出具有一对径向延伸的有源部段的单个导电线圈元件的平面视图和底视图；

图5B示出图5A的导电线圈元件的两个立体图；

图5C示出图5A和图5B的导电线圈元件的两个侧视图；

图5D示出图5A-图5C的导电线圈元件的正视图和后视图；

图5E是定子的一部分的平面视图，该定子包括围绕定子周向分布的多个图5A-图5D的导电元件，示出由它们的重叠产生的空间；

图5F是示出图5E的定子的平面视图；

图5G是导电元件的平面视图，示出在平坦平面中如何将导电元件缠绕；

图5H是图5G中所示的导电元件的侧视图；

图5I是图5G和图5H中所示的导电元件的立体图；

图5J是替代导电线圈元件的平面视图；

图5K是采用多个图5J的导电线圈元件的定子的平面视图；

图6A示出导电线圈的平面视图和底视图，该导电线圈包括两对串联连接的周向重叠的径向延伸的有源部段；

图6B示出图6A的导电线圈的两个立体图；

图6C示出图6A和图6B的一对导电线圈的两个侧视图；

图6D示出图6A-图6C的导电线圈的正视图和后视图；

图7A是示出连接到一对母线的图6A-图6D的导电线圈的正视图；

图7B是连接到一对母线的图6A-图6D的导电线圈的立体图；

图7C是连接到一对母线的图6A-图6D的一对导电线圈的平面视图；

图8A是连接到同一对母线的八个导电线圈的立体图；

图8B是连接到同一对母线的八个导电线圈的平面视图；

图9A是连接到相应的母线对的两个周向相邻的导电线圈的正视图；

图9B是连接到相应的母线对的两个周向相邻的导电线圈的立体图；

图9C是连接到相应的母线对的两个周向相邻的导电线圈的平面视图；

图10是六个相邻导电线圈的立体图，示出将导电线圈连接到三相电源的替代方式；

图11A是十六极、三相定子组合件的一半导电组件的平面视图，该组合件包括24个导电线圈，每个导电线圈具有两对径向延伸的有源部段；

图11B是图11A的定子组合件的立体图；

图12A是定子组合件的立体图，该定子组合件包括容纳定子组合件的导电线圈的定子壳体；

图12B是图12A的定子组合件的平面视图，示出如何将导电线圈接收在定子壳体孔中；

图12C是图12A和图12B的定子组合件的立体图，示出母线和相连接；

图13是示出定子的制造方法的流程图；以及

图14是效率图，其示出对于一定范围的转矩和速度值而言包括图12A-图12C的定子组合件的轴向磁通机的效率。

在整个说明书和附图中，相同的附图标记用于相同的元件。

具体实施方式

现在将参考轴向磁通电动机100来描述本发明的实施例。虽然描述了电动机100，但是应意识到的是，本发明可以同样地在诸如发电机的其他类型的轴向磁通电机中实施。

轴向磁通机概述

图1A和图1B示出轴向磁通电动机100的主要组件。轴向磁通电动机100包括定子组合件1、设置在定子组合件1的相对两侧上的两个转子2a，2b，以及轴3。轴包括驱动端3a和非驱动端3b。转子2a，2b固定地安装到轴3。在使用中，轴向磁通电动机100的定子1保持静止，并且转子2a，2b和轴3相对于定子1一起旋转。应意识到的是为了清楚起见，在图1A和1B中省略了通常存在于电动机100中的各种组件，诸如转子盖板和用于将定子连接到电源的装置

尽管图1A-图1B示出了两个转子2a，2b和单个定子1，但是应意识到的是，其他构造也是可能的。例如，转子2a，2b之一可以在两个轴向对准的定子之间共享。即，可以有两个定子和三个转子，其中三个转子之一在两个定子之间共享。

图2A和图2B示出不带定子组合件1的电动机100的转子2a，2b和轴3。从图2B特别清楚的是，每个转子2a，2b包括多个周向分布的永磁体21、22、23、24。磁体21、22、23、24例如是诸如NdFeB磁体的稀土磁体。周向相邻的磁体，诸如永磁体21和22具有相反的极性。即，每个北极23在周向上与两个南极22、24相邻，并且每个南极22在周向上与两个北极21、23相邻。

尽管在图2A和2B中不能看到，但是转子2a，2b被安装成使得相对的永磁体具有相反的极。即，转子2a上的北极面对转子2b上的南极，以及反之亦然。因此，两个转子2a，2b的磁体在两个转子2a，2b之间产生具有磁通轴向线的磁场。

如本领域技术人员将理解到的是，本文描述的定子组合件1是无轭的但不是无铁的。轭是存在于一些定子中的附加结构元件，用于引导转子磁场的相对极之间的磁通线。即，轭完成了定子内的磁路。由于本文所述的轴向磁通机100利用一对相对的转子2a，2b，它们的相对的永磁体具有相反的极性，因此不需要轭来完成磁路，因为磁通是单向的。具有无轭的定子减少了轴向磁通机的总重量，这在许多实际应用中是非常有益的。另外，由于在轭区域中没有归因于磁通密度变化的损耗，因此它提高了效率。

转子2a，2b的两个相邻的永磁体21、22的中心的周向(角)间隔α限定轴向磁通电动机100的极间距。注意，永磁体的平均跨度β可以等于或小于电动机100的极间距α。在图2A-2B中，相邻的磁体由非磁性间隔件隔开，因此永磁体21-24的平均跨度β小于电动机100的极间距α。在一个示例中，β约为α的3/4。可以选择β与α的比率以减小定子1中永磁通密度的周向、空间谐波失真。如将意识到的那样，提供非磁性间隔件以使永磁体21-24的跨度β小于电动机100的极间距α不是必需的。例如，永磁体21-24可以使用粘合剂等在它们所需的间隔开的位置处固定至转子。

图2A-图2B中所示的转子2a，2b具有十六个周向分布的永磁体21-24，并且因此具有十六个极。然而，这仅是示例，并且在实践中可能大于或小于十六个极，部分地取决于预期的应用。例如，极通常成对存在(因此，通常存在偶数个极)，并且极的数量在一定程度上受转子2a，2b半径的限制，这将取决于适合于预期应用的电动机的尺寸。转子2a，2b可以例如具有八个极或三十二个极。

转到图3，其以附加的细节示出图1-2的轴向磁通电动机100的横截面视图。由于本文所述的发明主要涉及定子组合件1的导电组件10，下面将参考图4-12对其进行更详细的描述，因此将仅提供图3的组件的简要概述。本领域的那些技术人员将熟悉诸如轴向磁通电动机100之类的轴向磁通机的组件，并且还将意识到的是，并非图3中所示的所有特征对于轴向磁通机都是必不可少的，并且这些特征可以多种不同方式来实施。

除了定子1，驱动端转子2a，非驱动端转子2b和轴3之外，图3还示出驱动端转子盖板4a和非驱动端转子盖板4b，它们包围转子2a，2b并且通常密封电动机100以防止外物进入。转子间隔环4c将转子2a，2b间隔开。O形环密封件8a，8b和动态密封件9进一步密封电动机100的内部。转子2a，2b的旋转由驱动端轴承6a和非驱动端轴承6b辅助，驱动端轴承6a和非驱动端轴承6b在转子2a，2b的永磁体和定子1之间保持空隙5。还示出编码器组合件7，该编码器组合件7包括编码器安装座71、轴上位置编码器72和相关联的编码器传感器磁体73。

导电线圈和定子

现在将参照图4-图12描述定子组合件1的包括导电线圈12的导电组件10。应意识到的是，尽管描述了具有特定数量的定子极11、导电线圈12和电流相的特定示例，但这并不旨在限制权利要求的范围。

简单地转向图12A至图12C，示出定子组合件1，可以看出该定子组合件1包括容纳定子1的导电组件10的环状或环形的定子壳体20。定子组合件1的芯包括定子的导电组件10的径向延伸的有源部段和为叠片组形式的磁通引导件30，其中由转子磁体提供的轴向磁通与流动通过导电组件10的径向流动的电流相互作用，以产生使转子2a，2b旋转的转矩。为叠片组形式的磁通引导件30定位在芯的导电组件10的径向延伸的有源部段之间的空间中，所述磁通引导件30可以包括被电绝缘件包围的晶粒取向的电工钢板。为叠片组形式的磁通引导件30用于在载流导体之间引导由永磁体21-24产生的磁通。

现在转向图4A至图4C，示出导电组件10(从现在开始将其简称为“定子10”)，未示出定子壳体20或为叠片组形式的磁通引导件30。如从图4C的自顶而下的视图可以最佳地意识到的那样，定子10具有分布的绕组，并且包括多个(在该情况下为16个)周向分布的定子极11a，11b，……，11p，每个定子极包括多个导电线圈12。每个导电线圈12经由连接装置15、16连接到多相电源的一个相，在该示例中，连接装置15、16采用母线的形式。在该特定示例中，定子10被配置为与三相电源一起使用，使得定子的每个极11a-11p具有三个导电线圈12。

将意识到的是，在具有十六个极11a-11p和每个极具有三个导电线圈12的情况下，图4A-图4C的定子10具有总共48个周向分布的导电线圈12。但是，从图4C的从上向下的视图可以看出，该定子10实际上具有96个径向延伸的有源部段。此外，从图4B的侧视图可以看出，存在轴向偏移的两层径向延伸的有源部段，总共提供192个径向延伸的有源部段。其原因从图5-图9的描述将变得显而易见。总之，每个导电线圈12包括一个或多个导电元件120，每个导电元件包括一对轴向偏移的径向延伸的有源部段。图4A-图4B的定子10的每个导电线圈12包括两个这样的导电元件120，并且由于每个导电元件120包括一对轴向偏移的径向延伸部段，所以导致总共192个径向延伸的有源部段。

定子10的导电组件可以由一种或多种导电材料的任意组合制成。然而，导电组件10优选地由铜制成。

图5A-图5D是单个导电元件120的各种视图。如上所述，并且如将在下面更详细地解释说明的那样，每个导电线圈12由一个或多个导电元件120组成。将意识到的是，在每个导电线圈12由一个导电元件120组成的情况下，导电线圈12和导电元件120是等同的。图6A-图6D示出由两个导电元件120和120'组成的导电线圈12，下面将对其进行描述。

返回到图5A-图5D，从图5A的从上到下的视图可以最佳地意识到，其中旋转轴线垂直于页面的平面，导电元件120包括一对周向间隔开的、径向延伸的有源部段121a，121b。这些径向延伸的有源部段121a，121b之所以被称为“有源”部段是因为当导电线圈12位于定子中时，它们设置于定子芯内，并因此与由转子2a，2b的磁体提供的磁场相互作用。将意识到的是，由于有源部段在大致径向方向上延伸，该径向方向大致垂直于芯中的轴向通量，所以磁链至少接近于最大化。

两个有源部段121a，121b通过其被间隔开的角度γ将被称为线圈跨度。线圈跨度可以与极间距α(由转子的永磁体的中心之间的角度定义)相同或不同(小于或大于)。优选地，线圈跨度γ小于极间距α。例如，γ可以约为α的5/6。通过使γ小于α，可以实施绕组的短节距，这减小绕组磁通势(mmf)的空间谐波含量。

转到图5E和图5F，它们示出十六极、三相定子10'，其类似于图4A-图4C的定子10，但是不同之处在于定子10'的每个线圈12仅具有一个导电元件120(一对有源部段121a，121b)。即，在图5E和图5F中，线圈12和导电元件120是等同的。像定子10一样，定子10’的导电线圈120a，120b，120c围绕定子沿周向分布，并且周向相邻的线圈在周向上重叠。

如从图5E中特别清楚的是，线圈120a，120b，120c的周向重叠限定线圈的有源部段之间的周向空间。这些在径向方向上是细长的周向空间可以接收磁通引导件30。诸如标记的空间141a，141b，141c之类的空间将被称为第一类型的空间。可如以看出的那样，在不同线圈的有源部段之间限定了第一类型的空间141a，141b，141c。例如，空间141b在线圈120a的两个有源部段之一与线圈120c的两个有源部段之一之间。然而，应意识到的是，限定第一类型的特定空间141a，141b，141c的两个线圈可以取决于各种因素，包括每个定子极的相数，极数和所选的线圈跨度γ。

现在返回图5A-图5D，如从图5B和图5D可以看出的那样，两个有源部段121a，121b在轴向上从彼此偏移。这有利于导电线圈12在周向方向上的堆叠，并且还有利于导电元件120的周向堆叠，其中每个导电线圈12具有多个导电元件120。如将参考图14更详细地论述的那样，这允许对于更多的定子极和每极每相更多的槽，这两者都可以提供更高的效率。此外，绕组可以容易地短节距。

如在图5B，图5C和图5D的每一幅图中可以看出的那样，每个导电元件120由连续长度的缠绕导体形成。导体长度的最外侧绕组终止于第一连接部分128处，该第一连接部分128将被称为外部尾部128。外部尾部128基本平行于轴向方向延伸。如将在下面更详细地描述的那样，这有助于将线圈12方便地连接到多相电源。最内侧的绕组匝部分终止于第二连接部分129处，该第二连接部分129将被称为内部尾部129。

如在图5B，图5C和图5D的每一个中还可以看出的那样，将形成导电元件120的一定长度的导体缠绕成使得存在平行于电机的旋转轴线堆叠的多个绕组匝部分131a，131b。垂直于每个有源部段121a，121b的径向方向的所得导电元件120的横截面是细长的，其主要尺寸平行于旋转轴线。在图5A-图5D的示例中，存在十四个轴向堆叠的绕组匝部分131a，131b，但是这并不旨在限制本发明，因为其他数量是同样可能的。

图5G，图5H和图5I示出如何通过缠绕一定长度的导体来形成导电元件120。如图5G中所示，导体在单个平面中围绕一对支撑元件301、302(其垂直地伸出页面的平面)缠绕，从而形成具有多个(在这种情况下为十四个)匝或层的扁平平坦绕组。从图5H和图5I最佳地意识到的绕组是扁平的。最里侧的绕组终止于内部尾部129处，以及最外侧的绕组终止于外部尾部128处。

已经形成了图5G-图5I中所示的扁平绕组，通过将扁平绕组弯曲或变形为图5A-图5D中所示的形状来形成导电元件120的三维形状。如本领域中已知的那样，可以使用弯曲工具来执行弯曲。例如，具有轴向偏移的内部凸形轮廓块的弯曲工具可以推压抵靠外部凹形形状以使得扁平绕组弯曲，从而使有源部段从彼此轴向偏移。外部尾部128和内部尾部129可以根据需要单独地弯曲。

为了使弯曲过程更容易，可以首先赋予扁平绕组额外的强度，使得绕组在弯曲期间保持其形状。在一个示例中，导体具有热激活或溶剂激活的外部粘结层，使得在缠绕之后，匝/层可以粘结在一起以保持形状。

应意识到的是，特别是从图5G-图5I可以看出的那样，可以以各种不同的方式缠绕导电元件120，并且所示出的特定绕组并不旨在限制本发明。一些替代方案包括：

-虽然图5G中的绕组已经以逆时针方向围绕支撑元件301、302缠绕，但是导体的长度可以同样地以顺时针方向缠绕。

-虽然绕组的最外侧的匝终止使得外部尾部128通入导电元件120的有源部段121a，121b内，但这不是必然的。外匝可以在匝的任何点处终止，例如使得外部尾部128通入匝的回路部段而不是有源部段内。

-尽管在图5中示出十四个轴向堆叠的绕组匝，但是可能会多于或少于十四匝。

-虽然绕组是一匝/层的厚度(特别是参见图5H)，但其厚度可能超过一匝/层。在这种情况下，每个导电元件120将包括多个周向堆叠的绕组匝部分。尽管周向堆叠的绕组匝部分的任何数量都是可能的，但是该数量优选地小于轴向方向上的绕组匝部分的数量，使得导电元件120的横截面(其垂直于每个有源部段121a，121b的径向方向)仍然具有平行于旋转轴线的主要尺寸。例如，轴向堆叠的匝的数量与周向堆叠的匝的数量之比可以大于三，并且可以优选地大于五。

如从上面将意识到的那样，在使用中，电流将在相反的方向上(即，平行于径向延伸方向的向内和向外)沿着导电元件120的两个有源部段121a，121b流动。电流方向的逆转由绕组匝部分131a，131b的外部回路部段122和绕组匝部分131a，131b的内部回路部段125提供。每个外部回路部段122包括第一部分123和将有源部段121a，121b连接到第一部分123的一对第二部分124a，124b(其一个对应一对有源部段121a，121b中的每一个)。类似地，每个内部回路部段125包括第一部分126和将有源部段121a，121b连接到第一部分126的一对第二部分127a，127b(其一个对应一对有源部段121a，121b中的每一个)。

如从图5B，图5C和图5D可以看出的那样，外部的第一部分123一起形成线圈元件120的外部部分133，其表面基本上平行于旋转轴线。在图5A-图5D的特定示例中，外部的第一部分123是大致半圆形的，并且因此外部部分133是大致平坦的半圆盘133，但是其他形状也是可能的。例如，每个外部的第一部分123可以具有与矩形的三个边相对应的形状，使得它们一起形成具有平坦矩形表面的外部部分133。作为另一个示例，由外部的第一部分123形成的导电元件120的外部部分133不必是平坦的或平面的：这在图5J中示出，其示出具有外部部分133”的导电元件120”，外部部分133”的具有弯曲的轮廓因此具有弯曲的表面。图5K示出包括这种导电元件的定子10”的平面视图，可以将其与图4C进行比较(尽管注意，定子10”没有示出任何连接装置15、16)。

由外部的第一部分123形成的表面133由于其相对大的表面积而可用于促进冷却。此外，由于线圈120的外部部分133基本平行于旋转轴线，因此定子壳体20可设置有轴向延伸的孔25，该孔25轴向地接收线圈元件120'，120”的外部部分133以提供机械锁定并改善冷却效果。这将在下面更详细地解释说明。

内部的第一部分126一起形成线圈元件120的内部部分136。图5B-图5D中所示的内部部分136与上述的外部部分133基本相同，并且类似于上述的外部部分133可以平行于旋转轴线，并且其可以具有各种形状和轮廓。然而，内部部分136通常将在线圈12的冷却和堆叠中起较少的作用，因此内部部分126可以被配置为减少每个导电元件120的导体的总量以降低成本。

关于外部的第二部分124a，124b和内部的第二部分127a，127b，尽管它们在图5A-图5D中看起来基本笔直，但实际上它们是稍微弯曲的。具体地，每个外部的第一部分124a，124b的形状是第一渐开线的一部段，并且因此第一部分124a，124b一起形成线圈元件120的外部基本渐开线部分134a，134b。类似地，每个内部的第二部分127a，127b的形状是第二渐开线的一部段，并且因此第一部分127a，127b一起形成线圈元件120的内部基本渐开线部分137a，137b。将参考图6A-图6D对渐开线的重要性进行描述。

尽管上面已经描述了通过缠绕一定长度的导体来形成导电元件120，但这不是必需的。导电元件120可以其他方式制造，包括通过一体地形成。

此外，虽然图示的元件120是来自一定长度的导体的缠绕的并且包括成叠的绕组匝部分131a，131b，但这是优选的，而不是必需的。例如，代替轴向延伸的成叠的绕组匝部分131a，131b，每个导电元件120可以由单个轴向延伸的导电条带形成。在一些情况下，单个轴向延伸的导电条带可能比多个轴向堆叠的绕组匝部分131a，131b更优选，但是，如将在下面所述，堆叠的绕组匝部分131a，131b的使用有利地有助于减轻集肤和邻近效应，否则集肤和邻近效应会导致损耗增加。

如上所述，每个导电线圈12可以仅包括一个导电元件120。但是，出于下面将更详细解释说明的原因，每个导电元件优选地包括两个或更多个周向重叠的导电元件。现在将参考图6A-图6D描述包括两个周向重叠的导电元件120、120'的导电线圈的示例。

图6A示出包括两个导电元件120、120'的导电线圈12的上方和下方视图。两个导电元件120、120'中的每个的特征与以上参考图5A-图5D描述的单个导电元件120的特征相同，因此将不再对它们的特征进行描述。

为了形成导电线圈12，两个相同的导电元件120、120′在它们的内部尾部129、129′处串联电连接在一起。在本文所示的示例中，内部尾部129、129'使用套圈130连接。然而，存在连接内部尾部129、129'的其他方式，诸如钎焊或焊接。为了连接两个元件120、120'，两个导电元件120、120'之一围绕在图6A的页面平面中竖直延伸的轴线旋转180°，使得两个导电元件120、120'的外部尾部128、128'在相反的方向上，并且内部尾部129、129'相邻并且因此容易通过套圈130连接。可替代地，包括两个导电元件的导电线圈12可以一体地形成为单件。

所得的导电线圈12具有两对周向重叠的、间隔开的有源部段对121a，121b；121a'，121b'。值得注意的是，两对有源部段的重叠限定两个空间142a，142b。第一空间142a限定在线圈12的第一导电元件120的一个(第一)有源部段121a和线圈12的第二导电元件120'的一个(第一)有源部段121a'之间。第二空间142b限定在线圈12的第一导电元件120的另一个(第二)有源部段121b和线圈12的第二导电元件120'的另一个(第二)有源部段121b'之间。即，两个空间142a，142b是同一线圈12的两个不同对的有源部段121a，121b；121a′，121b′的相邻的有源部段121a，121a'；121b，121b'之间的周向空间。这种类型的空间将被称为第二类型的空间。像第一类型的空间一样，第二类型的空间142a，142b提供用于磁通引导件30诸如叠片组的空间。这使构造定子组合件1更容易，并且还增加定子组合件1的每极每相的槽数，这可以提高电动机的效率。

现在已经描述了第一类型的空间141a-141c(即，在不同线圈的有源部段之间限定的空间)和第二类型的空间142a-142b(即，在同一线圈但不同对的有源部段之间限定的空间)，应注意，当在定子10中提供限定第二类型的空间的多个线圈12以限定第一类型的空间时，第一和第二类型的空间可以重合。这在图11A中最清楚地看到，该图示出十六极三相定子，其中每个线圈12包括两个导电元件120、120'。在图11A-图11B中仅示出了导电线圈12的一半，从而可以清楚地看到这些空间。第一类型的空间和第二类型的空间是否重合可以取决于许多因素，包括所选的线圈跨度γ，定子极的数量和相的数量。

返回到图6A-图6D，从图6A和图6B还可以看出，在外部回路部段122、122'的第二部分124a，124a'(其形成两个导电元件120、120'的一对外部渐开线部分134a，134a')之间存在间隙143a。同样，在外部回路部段122、122′的第二部分124b，124b′(其形成另一对外部渐开线部分134b，134b′)之间存在间隙143b。在内部回路部段125、125′的第二部分127a，127a′(其形成一对内部渐开线部分137a，137a′)之间还存在间隙144a。最后，在内部回路部段125、125′的第二部分127b，127b′(其形成了另一对外部渐开线部分137b，137b′)之间还存在间隙144b。由于渐开线的几何特性，这些间隙143a，143b，144a，144b的宽度沿着导电元件120、120′的渐开线部分的长度基本上保持恒定。对于线圈中的给定的额定值和损耗，这有利地减小电动机的所得直径。

尽管已经描述了具有两个导电元件120、120'的导电线圈12，但是应意识到的是，导电线圈12可以具有任意整数个导电元件120，包括多于两个。增加每个导电线圈12的导电元件的数量将增加由导电元件120的周向相邻的有源部段限定的第二类型的空间的数量，这又增加定子1中每极每相的槽的数量。这可导致定子磁场的产生，定子磁场具有更准确的正弦磁通密度以及不那么显著的谐波失真。这有利地减少了在转子2a，2b的永磁体中的涡电流的产生，这进而减少了加热损耗并且因此提供了更高的电动机效率。然而，将意识到的是，每个导电线圈12的导电元件120的数量通常将受到尺寸约束的限制。例如，对于给定的导体横截面(即，缠绕绕组的导线的横截面)和定子的给定半径，可以沿周向装配到单个线圈跨度γ内的导体数量是有限的。

如果线圈12要具有两个以上的导电元件，则可存在几个进一步的考虑。例如：

-如果通过连接多个导电元件120(例如，通过套圈130)来形成线圈，则可能优选的是提供几种类型的导电元件以促进相邻导电元件的更简单连接。例如，上述导电元件120可以用于两个周向外部的导电元件，因为它们的外部尾部128将被连接到电源。然而，在外部导电元件之间的一个或多个内部导电元件将在它们的内部尾部129和外部尾部128两者处连接到导电元件，因此可以设置第二种类型的导电元件以便于连接，第二种类型的导电元件具有以相对于内部尾部129的类似方式进行适应性改变的外部尾部128。可替代地，每个线圈12可以形成为一体的单元，而不是通过三个或更多个分开的导电元件的连接来形成。

-每个线圈12的两个导电元件120的整数倍可能优于每个线圈12的奇数个导电元件120。如果使用两个元件120的整数倍，则两个周向最外侧元件120的外部尾部128将如图6A-图6D中所示在相反的平行方向上指向。虽然这不是必需的，但是它使用连接装置提供了线圈12的更直接明了的连接，这将在下面参考图7-图10进行描述。

尽管已经描述了具有周向分布的线圈12的单个轴向层(具有带有轴向偏移的有源部段的线圈12的单层)的定子10，但是将意识到的是，每个定子可以具有多个轴向堆叠的线圈层。在这种情况下，每个层的第一类型的空间和/或第二类型的空间可以有利地基本在周向上重合。这将有利地允许轴向更长的磁通引导件30的插入，该轴向更长的磁通引导件30可延伸穿过多个轴向堆叠的层的轴向长度，从而在组装的简易性和速度方面提供进一步的增益。

将线圈连接到多相电源

现在将描述将多个周向分布的导电线圈12连接到多相电源的方式。应意识到的是，在实践中，存在许多不同的方式可以实现这一点，并且本领域技术人员将想到许多不同的方式。因此，本发明不限于任何特定的连接布置。然而，所描述的连接导电线圈12的方式提供了特别整洁的和组织良好的一组连接，所描述的连接导电线圈12的方式利用了连接装置15、16，在轴向上在垂直于旋转轴线的平面的上方/下方并且在轴向上在导电线圈的上方/下方提供连接装置15、16。此外，连接容易进行，这降低了不良连接的可能性，并且定子可以在不浸渍连接装置的情况下被树脂浸渍，这允许即使在浸渍定子组合件之后也可以检查并固定连接部。

首先参考图4B，存在在轴向上在垂直于电动机100的旋转轴线的平面上方并且在导电线圈12的上方提供的第一连接装置15。还存在在轴向上在垂直于电动机100的旋转轴线的平面的下方并且在轴向上在导电线圈12的下方提供的第二连接装置16。在定子10的情况下，定子10被配置成与三相电源一起使用，连接装置15和16包括针对三相中的每一相提供。但是，可以将其扩展为具有任意数量的相的多相电源。

在图4A-图4C的特定连接布置中，将其称为并联连接布置，连接装置15、16中的每个包括三个相连接部和一个星形连接部。即，第一连接装置15包括用于电源的第一相的第一相连接部151、用于电源的第二相的第二相连接部152、用于电源的第三相的第三相连接部153，以及星形连接部154。类似地，第二连接装置16包括用于电源的第一相的第一相连接部161、用于电源的第二相的第二相连接部162、用于电源的第三相的第二相连接部163，以及星形连接部164。

在所描述的示例中，相连接部151-153、161-163和星形连接部154、164为环形母线的形式，其外周边(尽管这同样可以是内周边)与导电线圈的轴向延伸的外部尾部128、128'基本重合。相连接母线151-153、161-163它们本身通过输入端1510-1530、1610-1630连接到电源。

在所示的并联连接布置中，每个导电线圈12通过将线圈12连接到连接装置15、16之一的相连接部之一(作为示例，相连接部151)和连接到另一个连接装置15、16的星形连接部(在该示例中为星形连接部164)而连接到电源的一个相。在图7A-图7C中示出一个导电线圈12到一个相连接部151和一个星形环164的连接，并且现在将参考图7A-7C对上述连接进行描述。

图7A-图7C示出一个导电线圈12，其具有两个导电元件120、120'，两个导电元件120、120'连接到来自第一连接装置15的第一相连接部151，并且连接到来自第二连接装置16的星形连接部164。由于导电线圈12的外部尾部128、128'沿轴向和相反方向延伸，并且由于母线151、164的周边与轴向延伸的外部尾部128、128'重合，因此外部尾部128、128'易于连接至连接部151、164。

为了使连接甚至更加容易，环形母线151、164设置有沿周向间隔开的接收装置151a-h，164a-x，用于接收线圈12的轴向延伸的外部尾部128、128'。在所示的三相并联连接布置中，每个星形连接部154、164将连接到所有线圈12的一半，而每个相连接部151-153、161-163将仅连接到六个线圈12中的一个。因此，在该实例中，星形连接部164的等间距接收装置164a-x的数量是第一相连接部151的三倍。

返回到图4A-图4C，定子10的每个极11a-11p包括用于每个相的一个导电线圈12(即，每个极11a-11p具有3个导电线圈12，因为定子被配置为与三相电源一起使用)，并且沿周向相邻的导电线圈12连接到不同的相。这在用于十六极定子10的图11A和图11B中示出，该十六极定子10连接到三相电源，但是仅示出一半的导体，因此只能看到在周向上分布的24个导电线圈12。

鉴于此，在图4、图7-图9和图11-图12中所示的三相并联连接布置中，每一第六个导电线圈12将以相同的方式连接到连接装置15、16。这在图8A和图8B中示出。可以存在连接到相同的相连接部151和相同的星形环164的八个相等间隔开的导电线圈12a-12g。尽管在图8A-图8B中未示出，但是将意识到的是，每个线圈之间的中间将是连接到电源的同一相的另一个线圈12，但是通过互补的一组母线。即，连接到相连接部161和星形连接部154。

对应于电源的其他相的导电线圈12将以与上述针对一个相基本相同的方式连接。为了说明这一点，图9A-图9C示出了如何在平行连接布置中连接两个周向相邻的导电线圈12。

图9A-图9C示出两个周向相邻的导电线圈12a，12b。导电线圈12a以与图7A-图7C中的导电线圈12类似的方式连接。即，线圈12a连接到第二相连接部152和星形连接部164。在周向上与线圈12a相邻的线圈12b连接到电源的不同相，因此连接到不同的一对母线。具体地，在不丧失一般性的情况下，周向相邻的线圈12b连接到第二连接装置16的第三相连接部163和第一连接装置的星形连接部154。

上面已经参考并联连接布置描述了导电线圈12的连接。然而，其他连接布置也是可能的。为了说明这一点，图10示出了可替代的布置，其将被称为串联连接布置。

在图10的串联连接布置中，导电线圈12上方的第一连接装置15'与图4、图7-图9和图11-图12的连接装置15的不同之处在于它不包括星形连接部：它仅包括第一相连接部151′、第二相连接部152′和第三相连接部153′。但是，第二连接装置16′与图4、图7-图9和图11-图12的第二连接装置16的相同之处在于因为它具有三相连接部161′，162′，163′和星形连接部164′。为了补偿第一连接装置15′中星形连接部的缺乏，导电线圈12以不同的方式连接。第一连接装置15'的相连接部151'-153'也服务于两倍的导电线圈12，因此与第二连接装置16'的接收装置以及并联连接布置的第一和第二连接装置15,16相比具有附加的接收装置。

图10示出两个周向相邻的定子极11和11′的串联连接布置。与并联连接布置类似，每个极11、11'都包括用于每个极一个导电线圈，使得每个极具有三个线圈：极11由导电线圈12a，12b和12c组成，而极11'由导电线圈12a'，12b'和12c'组成。同样与并联连接布置一样，周向相邻的线圈连接到不同的相。然而，虽然并联连接布置中的同相但相邻的极的线圈(例如12a和12a')被基本上独立地连接并形成独立的电流路径，但是在串联连接布置中，它们的连接是相关的，并且它们是相同电流路径的一部分。

仅考虑连接到同相的线圈12a，12a′，第一极11的线圈12a通过其外部尾部连接到第一连接装置的相连接部153′和第二连接装置的相连接部163′。第二相邻极11'的线圈12a'连接到第一连接装置15'的相连接部153'和第二连接装置的星形连接部164'。因此，电流路径可以认为是从相连接部163'行进穿过线圈12a，然后沿着相连接部153'，然后穿过线圈12a'到达星形连接部164'。

不同的连接布置可以用于不同的实际应用。例如，上述串联连接布置理论上提供的机器转矩常数(以Nm/A为单位测量的)高达由上述并联布置提供的机器转矩常数的两倍。对于某些(当然不是全部)实际应用而言，这将是更好的。

尽管已经将连接装置15、15′描述为在线圈12的上方，并且已经将连接装置16、16′描述为在线圈的下方，但是应意识到的是，两对15、16；15'、16′都可在线圈12的上方或者两对15、16；15'，16'都可在线圈的下方。在这种情况下，可能优选的是制造线圈12，其外部尾部128、128′在相同的轴向方向而不是相反的轴向方向上延伸。

此外，尽管将连接装置15、16、15′和16′描述为连续的环形母线，但这仅仅是实施连接装置的一种方式。例如，连接装置可以不是连续的或环形的，而是可以采取一系列的两个或更多个周向分布的母线部段的形式。本领域的那些技术人员将想到许多其他种类的连接装置。

定子制造

上述导电线圈12的特征和构造为包括多个周向分布的线圈12的定子的制造提供了特别有效和高效的制造。特别重要的是下述事实，即线圈12它们本身提供一种结构，将例如为叠片组形式的磁通引导件30提供到该结构中。这使得将磁通引导件30放置在定子组合件1中变成相对直接明了和精确的操作，特别是与许多已知的制造技术相比，许多已知的制造技术可能涉及将线圈围绕容纳叠片组的线轴状结构缠绕，然后将缠绕的线轴状结构单独地固定(例如使用胶水)到定子壳体中。将描述各种其他优点。

图13是示出用于制造定子的方法500的流程图。

方法500包括提供510多个导电线圈，诸如上述的导电线圈12。优选地，导电线圈12具有多对周向重叠的周向间隔开的径向延伸的有源部段(如图6A-图6D的线圈12中那样)，使得每个线圈12提供第二类型的空间。然而，线圈12可以仅具有一对被间隔开的有源部段(如图5A-图5D的线圈中那样)。通过串联或以任何其他方式连接多个导电元件120，可以将导电线圈12形成为单个一体件。

在520，方法500包括将多个导电线圈12定位在定子壳体中，使得多个线圈围绕定子壳体周向分布。优选地，导电线圈被定位成使得周向相邻的导电线圈在周向上重叠，从而限定用于接收磁通引导件的第一类型的空间。通过在壳体内提供适当数量的具有适当线圈跨度γ的线圈12，可以确保周向相邻的线圈12的周向重叠。如上所述，在线圈12具有多对有源部段使得线圈各自限定第二类型的空间的情况下，第一类型和第二类型的空间可以与彼此重合。

定子壳体20可设置有多个周向间隔开的轴向延伸的孔25，用于接收线圈12。这使得线圈12在定子壳体中的定位更容易且更精确。有利地，如果线圈12形成为具有轴向延伸的外部部分133，则轴向延伸的外部部分133可以被接收在轴向延伸的孔25内。由于轴向延伸的外部部分133具有大的表面积，因此它们提供线圈12在定子壳体中的良好机械锁定以便无需使用胶水(例如)的组装，并且还提供了定子的冷却源。在图12A-图12C中可以最清楚地看到用于接收线圈12的周向分布的孔25。

可选地，在530，方法500包括在由线圈12限定的空间(第一类型和/或第二类型的空间)中定位磁通引导件30(诸如叠片组)。如上所解释说明的那样，相邻线圈的重叠在不同线圈的有源部段之间产生第一类型的空间141a，141b，141c。如果线圈12每个包括多于一对的径向延伸的有源部段(如图6A-图6D中所示)，则多对第二类型的空间142a，142a'也将被限定在每个导电线圈12内。在每种情况下，磁通引导件也可以被定位在空间内。由于线圈12它们本身为结构提供了限定的空间，因此将叠片组定位到该结构中是直接明了、快速和精确的。结合在定子壳体20中提供用于接收线圈12的孔25，这意味着定子芯的两个组件(线圈12的有源部段和磁通引导件30)与许多已知技术相比都可以快速，非常准确地定位。将意识到的是，精确定位的芯组件减少了损耗并且因此提高了机器效率。

可选地，在540，方法500包括将多个线圈12连接至连接装置15、16，从而可以将线圈连接至多相电源。这可以以任何期望的方式来完成，例如如上所述，使用并联或串联连接布置中的母线。

可选地，在550，方法500包括将定子组合件1的至少一部分浸渍在诸如树脂的粘结化合物中。这增强了定子结构，并因此保护定子组合件1免受其在使用中受到的电磁力和机械力的影响。此外，如果粘结化合物具有明显高于空气的传热系数，则可以改善定子构件之间的热传导。

如果如上所述在轴向上在线圈12的上方和/或下方提供连接装置15、16，则定子的浸渍可以在线圈连接至连接装置之前或之后进行。此外，并且有利的是，如果不浸渍连接装置15、16它们本身，则可以测试、改变连接，并且如果需要，可以在浸渍之后进行更换。这是非常期望的，因为在树脂浸渍的定子中的错误连接会导致整个定子无法使用和无法固定。

机器效率

已经发现，包括本文所述的定子组合件1的轴向磁通机100不仅在宽泛的操作参数范围内提供高的峰值效率而且还提供高效率。尽管经常提到高的峰值效率，但实际上很少能达到这些峰值效率，特别是在要求机器在一定范围的操作参数下执行的应用中。因此，对于许多应用而言，在广泛的参数范围内的效率是实际更有意义的测量值。

为了说明这一点，图14是效率图，其示出对于许多应用中通常使用的一定范围的转矩和速度值的包括图12A-图12C的定子组合件的轴向磁通机的测量效率。效率图中包括恒定效率的轮廓。如可以看出的那样，除了高的峰值效率(93％)之外，对于效率图的几乎所有区域，效率仍然很高，并且即使在相对低的速度500rpm、转矩达到30Nm情况下，效率仍然高(超过80％)。

定子组合件1能够实现高效率可能有许多不同的原因。现在将描述其中一些。

首先，如上所解释说明的那样，由线圈12的几何形状提供的定子10的导电组件的几乎自形成的结构允许定子芯的组件的非常精确的放置。芯的组件的准确放置意味着定子场和转子场之间的耦合更好，并且围绕定子圆周的对称度高，这提高发电或转矩。

另一个显著的优点是产生具有更精确正弦磁通密度的定子场。如由本领域的那些技术人员将理解的那样，定子中每极每相的槽的数量越多，磁通密度可以越为正弦。如上所述的线圈12和定子10可以通过增加每个导电线圈12的导电元件120的数量来提供每极每相增加的槽数，并且该数量可以容易地按比例增大(例如，如果定子的半径可以针对特定应用而增加的话)。正弦磁通密度高的一个优点是，磁通密度具有相对低的谐波含量。在谐波含量低的情况下，转子场和定子场的耦合更多地涉及磁通密度的基本分量，而更少地涉及与谐波分量的相互作用。这减少了转子磁体中涡电流的产生，这继而减小了由于加热引起的损耗。相反，许多已知的轴向磁通电动机利用集中绕组布置，该绕组布置仅提供每极每相的有限数量的(例如少量的)槽，这产生了具有更显著谐波分量的更为梯形磁通密度。

尽管可以使用轴向延伸的条带来实施线圈12，但是优选地使用图5A-图5D和图6A-图6D中所示的轴向堆叠的绕组布置来实施它们。尽管许多电动机制造商可能认为这是一个缺点，因为它会考虑减少定子芯中的填充系数，但发明人发现此缺点可以通过减少集肤效应和接近效应来弥补，集肤效应和接近效应导致电流在导体横截面的外部以及主要是有源部段的轴向外部周围流动。可以选择轴向方向上的绕组数量以平衡这两个考虑事项。

上面描述了具有各种可选特征的多个实施例。应意识到的是，除了任何相互排斥的特征之外，一个或多个可选特征的任何组合都是可能的。

Claims (32)

1.一种用于具有分布绕组的无轭轴向磁通电机定子(1)的导电线圈(12；120)，导电线圈(12；120)包括第一有源部段(121a)和第二有源部段(121b)，每个有源部段(121a,121b)在基本垂直于电机(100)的旋转轴线的大体径向方向上延伸，并且包括平行于旋转轴线堆叠的多个绕组匝部分(131a,131b)，使得垂直于每个有源部段(121a,121b)的径向方向的横截面是细长的，其主要尺寸平行于旋转轴线，并且其中第二有源部段(121b)在周向上间隔开并且从第一有源部段(121a)轴向偏移。

2.根据权利要求1所述的导电线圈，其特征在于在使用中，电流沿着第一和第二径向延伸的有源部段在相反的径向方向上流动。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的导电线圈，其特征在于每个有源部段还包括多个周向堆叠的绕组匝部分。

4.根据权利要求2或权利要求3所述的导电线圈，其特征在于所述第一和第二大致径向延伸的有源部段的绕组匝部分具有位于内半径处的近端和位于外半径处的远端，并且其中绕组匝部分的近端通过内部回路部段连接，而远端通过外部回路部段连接，从而在使用中，电流沿着一对径向延伸的有源部段在相反的径向方向上流动。

5.根据权利要求4所述的导电线圈，其特征在于所述外部回路部段被配置为形成所述线圈的外部部分，所述外部部分基本上平行于旋转轴线。

6.根据权利要求5所述的导电线圈，其特征在于每个外部回路部段包括基本上半圆形或矩形的部段，使得外部部分形成半圆盘或矩形的表面。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的导电线圈，其特征在于所述外部回路部段被配置为形成线圈的基本渐开线部分。

8.根据权利要求4至7中任一项所述的导电线圈，其特征在于所述内部回路部段被配置为形成线圈的内部部分，所述内部部分基本平行于旋转轴线。

9.根据权利要求8所述的导电线圈，其特征在于每个内部回路部段包括大致半圆形或矩形的部段，使得内部部分形成半圆盘或矩形的表面。

10.根据权利要求4至9中任一项所述的导电线圈，其特征在于所述内部回路部段被配置为形成线圈的基本渐开线部分。

11.根据前述权利要求中任一项所述的导电线圈，其特征在于包括多对彼此串联连接的有源部段，其中相邻的多对有源部段周向重叠，以限定用于接收磁通引导件的第二类型的空间，第二类型的空间是在线圈的非同对有源部段的两个相邻有源部段之间的周向空间。

12.根据权利要求11所述的导电线圈，其特征在于所述多对有源部段的数量是2的整数倍。

13.根据权利要求11或12所述的导电线圈，其特征在于被配置为使得在使用中，电流沿着由用于磁通引导件的第二类型的空间之一隔开的线圈的相邻有源部段在相同方向上流动。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的导电线圈，其特征在于所述多对有源部段是一体形成的或者是通过串联连接多个单独的元件而形成的，每个单独的元件都包括一对有源部段。

15.根据前述权利要求中任一项所述的导电线圈，其特征在于包括用于将导电线圈连接到电源的第一连接部分和第二连接部分。

16.根据权利要求15所述的导电线圈，其特征在于所述第一连接部分和第二连接部分平行于旋转轴线延伸。

17.根据权利要求15或权利要求16所述的导电线圈，其特征在于所述线圈的第一连接部分和第二连接部分被提供为靠近线圈的径向外端。

18.一种用于轴向磁通电机的定子，包括根据前述权利要求中任一项所述的多个导电线圈，其中所述多个导电线圈围绕定子周向分布。

19.根据权利要求18所述的定子，其特征在于所述多个导电线圈被设置成多组，每组对应于定子的一个极。

20.根据权利要求18或权利要求19所述的定子，其特征在于每个导电线圈被配置为连接到多相电源的一个相。

21.根据权利要求20所述的定子，其特征在于周向相邻的导电线圈被配置为连接到多相电源的不同相，使得对于N相电源，定子包括多组的N个导电线圈，每组的N个导电线圈包括用于N相电源的每一相的一个线圈，每组对应于定子的一个极。

22.根据权利要求20或权利要求21所述的定子，其特征在于对于多相电源的每一相，连接到所述相的定子的每个第二线圈都连接到公共母线。

23.根据权利要求18或22任一项所述的定子，其特征在于周向相邻的导电线圈沿周向重叠以限定用于接收磁通引导件的第一类型的空间，第一类型的每个空间是在两个不同线圈的两个相邻的有源部段之间的周向空间。

24.根据权利要求23所述的定子，其特征在于还包括定位在第一类型和/或第二类型的空间中的磁通引导件。

25.根据当从属于权利要求5时的权利要求18至24中任一项所述的定子，其特征在于还包括定子壳体，所述定子壳体包括周向分布且轴向延伸的孔，用于接收基本平行于旋转轴线的外部部分。

26.一种轴向磁通电机，包括根据权利要求18至25中任一项所述的定子，所述轴向磁通电机包括设置在定子的相对两侧上的一对相对的转子。

27.根据权利要求26所述的轴向磁通电机，其特征在于所述相对的转子中的一个在定子与轴向对准的第二定子之间共享。

28.一种制造轴向磁通电机的定子的方法，包括：

将多个导电线圈定位在定子壳体中，以使多个线圈围绕定子壳体周向分布，其中每个导电线圈包括第一有源部段和第二有源部段，每个有源部段在基本垂直于电机的旋转轴线的大致径向方向上延伸并包括平行于旋转轴线堆叠的多个绕组匝部分，使得垂直于每个有源部段的径向方向的横截面是细长的，其主要尺寸平行旋转轴线，并且其中第二有源部段在周向方向上间隔开并且从第一有源部段轴向偏移。

29.根据权利要求28所述的方法，其特征在于所述定子壳体包括多个周向分布且轴向延伸的孔，并且其中将多个导电线圈中的每一个定位在定子壳体中包括：将线圈的轴向延伸部分定位到轴向延伸的孔之一中。

30.根据权利要求28或权利要求29所述的方法，其特征在于所述导电线圈被定位成使得周向相邻的导电线圈周向重叠并且从而限定用于接收磁通引导件的第一类型的空间，第一类型的每个空间是在两个不同线圈的两个相邻有源部段之间的空间，并且其中所述方法还包括将磁通引导件定位在第一类型的空间中。

31.根据权利要求28至30中任一项所述的方法，其特征在于每个导电线圈包括彼此串联连接的多对有源部段，其中相邻的多对有源部段周向重叠，从而限定用于接收磁通引导件的第二类型的空间，第二类型的空间是下述周向空间，所述周向空间是在同一线圈的两个相邻的有源部段之间，但是上述两个相邻的有源部段属于该线圈的非同对有源部段，并且其中所述方法还包括将磁通引导件定位在空间中。

32.根据权利要求28至31中任一项所述的方法，其特征在于还包括将定子的至少部分浸渍在粘结化合物中。

Images