轴向磁通无铁芯绕组、制备工艺及具有该绕组的永磁电机制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。

Axial flux coreless winding, fabrication process and permanent magnet motor with the winding

The invention discloses an axial flux coreless winding. The conductor of the winding is a strip copper sheet along the axis of the motor along the long side of the cross section. After the strip copper sheet is concentrically wound, a trapezoidal or fan-shaped coil is obtained, which comprises a large end, a small end and an effective part between the large end and the small end. The large end and the small end are all located in the same effective part. The staggered arrangement of end windings can be realized in the plane case. The invention also discloses a preparation process of an axial flux coreless winding and a permanent magnet motor with the axial flux coreless winding. The preparation process of the axial flux coreless winding of the invention is obtained by cutting the whole copper plate. By controlling the cutting accuracy, the conductors can be arranged tightly, and the proportion of copper cross section in air gap space can reach or even exceed that of flat copper wire winding, thereby improving the utilization ratio of the whole winding space, thereby reducing the resistance, improving the efficiency of the motor and reducing the electric current. Machine weight.

【技术实现步骤摘要】
轴向磁通无铁芯绕组、制备工艺及具有该绕组的永磁电机
本专利技术属于无铁芯绕组
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术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，按照本专利技术的一个方面，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。按照本专利技术的另一个方面，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。按照本专利技术的另一个方面，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，通过本专利技术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)本专利技术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，本专利技术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)本专利技术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)本专利技术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)本专利技术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)本专利技术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)本专利技术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)本专利技术的具有轴向磁通无本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李健，赖俊全，肖天正，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42