用于三相横轴通量多盘电机的线圈组件的制作方法
【专利摘要】本发明描述了一种用于三相永磁(PM)无铁轴向通量多盘电机的线圈组件。所述线圈组件由扁平导线(9)制成的线圈元件(15)组装而成，并随后被加工以使其能够被组装成扁平盘。所述线圈元件(15)能够进一步被插入到框架(22)中，且所述线圈元件(15)能够通过彼此不交叉的导线(29)连接。
【专利说明】用于三相横轴通量多盘电机的线圈组件【技术领域】
[0001]本发明涉及用于三相横轴通量多盘电机的线圈组件，其中所述线圈元件由扁平导线/箔片缠绕而成。
【背景技术】
[0002]具有高的扭矩和功率对重量/容积比率以及良好效率的电机具有广泛应用，特别是在重量相当重要的运输工具中。该类型的运输工具可以是例如各种类型的陆地车辆或飞机。
[0003]具有高的理论上的功率对重量/容积比率的一种电机类型为横轴通量多盘电机。该类型电机的优势在于，磁通量穿过整个电机，且由此对于每ー个盘，不必需要铁来改变磁场方向，从而节省铁并减轻重量。然而，难以制造这样的电机，这是因为线圈必须具有足够的強度，以在没有背铁支撑的情况下抵抗所述线圈被暴露到的电磁力。另外，难以在这样的电机中缠绕线圈，这是因为至少对于螺线具有恒定厚度的无铁芯电机而言，最佳的缠绕图形往往导致难以组装的解决方案。
[0004]W02010/071441为这样的解决方案的示例，其公开了ー种具有转子的电机，所述转子具有由环形载体承载的磁体，在该环形载体处在两个转子部件之间的气隙上产生磁场，具有绕组的无铁芯定子被布置在两个转子部件处。定子由具有用于冷却剂循环的通道部分组装而成，并具有绕组，该绕组具有提供定子有源部分的环形紧凑中心部件。W02010/071441还公开了一种制造用于该电机的定子部分的方法，其中绕组嵌入在用于提供刚性元件的电绝缘鋳造材料中。线圈被布置在等分壳体或等分铸造模具的ー个部分中，且壳体和模具被封闭，鋳造材料通过开ロ被引入，且壳体或模具的内部部分经受低压和可能会振动。
【发明内容】
[0005]本发明的ー个目的是提供一种改进的三相永磁无铁轴向通量多盘电机。
[0006]本发明的另ー个目的是提供ー种线圈组件，所述线圈组件具有降低的重量和空间需求，即电机的体积的需求，而不降低电机的功率和扭矩输出，从而获得高度改善并增强的扭矩和功率对重量/体积的比率以及良好效率。
[0007]本发明的另ー个目的是提供一种改进的线圈组件，该线圈组件可容易地预制造并组装成完整的线圈。
[0008]本发明的另ー个目的是提供被构造成易于缠绕的线圈。
[0009]本发明的又ー个目的是提供空间节省的三相永磁无铁通量多盘电机。
[0010]本发明的又ー个目的是提供ー种电机，其中能够使用彼此不交叉的连接件来连接各个线圈元件。
[0011]本发明的又ー个目的是提供一种能够降低电机的制造成本的线圈组件，所述线圈在所述电机中形成集成部件。[0012]以上目的通过在独立权利要求中进ー步限定的电机实现，而各种实施方式和/或替代方式在从属权利要求中被限定。
[0013]在线圈组件中，每ー个线圈元件设有八个狭槽，在线圈元件的每ー侧上设有四个狭槽，所述线圈元件被成形和构造成能够将线圈元件组装成环形扁平且薄的线圈盘，该线圈盘具有与用于缠绕线圈组件的扁平导线/箔片的宽度近似相同的厚度。
[0014]在每ー个线圈元件中的相对线圈支路之间的角度a可优选为5*360° /(2*6*n),其中n为等于或大于3的整数，并且线圈支路的延伸部在线圈的中心处汇合，这是因为这是将线圈元件组装成完整的三相线圈的必要条件。
[0015]根据ー个实施方式，所述线圈中的一半线圈逆时针缠绕而另一半线圈顺时针缠绕，且当组装时，不同类型的线圈元件聚集成三个组时，使得能够使用彼此不交叉的连接件来连接线圈元件。
[0016]此外，线圈元件在组装之后可优选插入到线圈框架中，所述线圈框架预先制造有:用于线圈元件的头部的边缘；用于连接销的孔；以及用于连接导线的在背侧处的狭槽，该狭槽布置成使连接导线彼此不交叉，从而提供具有降低的横向覆盖区的组装的扁平封装电机。
[0017]线圈框架可设有孔和狭槽，其中狭槽可与0形环配合，所述0形环为冷却流体提供适当密封，并允许冷却流体与线圈元件的两侧接触。
[0018]此外，孔和狭槽可以被布置成使得如果若干个线圈组件一起被安装在电机中，则冷却流体能够在线圈组件之间流动。
[0019]如上所述，本发明涉及ー种三相永磁(PM)无铁轴向通量多盘电机，其在壳体内侧包括一个或多个转子盘和以两个或更多个线圈盘的形式存在的定子，所述转子盘具有布置成在轴上旋转的多个永磁体，所述线圈盘安装在转子盘之间且在转子盘的每ー侧上，其特征在于，线圈由単独线圈元件构成，所述线圈元件由扁平导线/箔片支撑，所述线圈元件在缠绕之前和缠绕之后被改型，使得所述线圈元件能够组装成完整的线圈，其包括用于正确连接线圈元件的系统。
[0020]根据本发明，使用扁平导线，而非传统的圆导线来制造线圈元件，从而在沿着线圈元件的任意位置提供基本四边形的横截面。随后以不引起短路或导线断裂的方式对线圈元件进行加工，使得能够将线圈元件组装并配合成用于三相电机的线圈组件，虽然所述三相电机可以是其它类型的电机，但优选为永磁电机。线圈元件接触配合，从而整个线圈能够由线圈元件制成，其中每ー个元件均相对容易量产。特定的线圈形式和连接系统形成本发明的基础。
[0021]组装有本发明的线圈元件的电机可被制成较小、较轻且较廉价而不降低有效输出或输送的扭矩。该电机可更紧凑，至少横向地或在深度方向提供较小的覆盖区。因此，提供具有高度改善并增强的扭矩和功率对重量/体积的比率以及良好效率的电机。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]在下文中将參照附图更细节地描述本发明的一个实施例，在附图中:
[0023]图1a示出从正面观看的单个线圈元件,而图1b示出从侧面观看的线圈元件,其中示出狭槽和连接销，但未示出连接导线；[0024]图2a和图2b通过示出导线的第一旋转而示出逆时针缠绕的元件和顺时针缠绕的元件之间的差异，而图2c示出从侧面看的所述第一旋转；
[0025]图3示意性地示出用于缠绕线圈元件的模具或模板，所示出的线圈元件沿逆时针方向缠绕；
[0026]图4a示意性地示出若干个线圈元件如何组装并配合在一起；而图4b示意性地示出图4a中示出的组装的线圈元件的侧视图；
[0027]图5a示意性地示出用于将线圈元件连接成三相电机线圈组件的连接导线的顶视图；而图5b示意性地示出图5a中示出的连接导线的透视图，并且图5c示意性地示出图5a中示出的连接导线的端视图；
[0028]图6a示意性地示出线圈元件应安装在其上的塑料框架的顶视图；图6b示意性地示出图6a中示出的塑料框架的侧视图；图6c以放大的比例示意性地示出图6b的顶部上的圆环内侧的图6b中示出的塑料框架的部分；图6d示意性地示出在所有线圈元件被定位在相对侧上且连接销延伸穿过塑料板中的孔、从而从附接有连接导线的后侧向外突出之后的图6a中示出的塑料框架的后侧；并且图6e以放大的比例示意性地示出图6d中示出的塑料板的后侧的一部分；
[0029]图7示出安装至框架中的线圈，包括密封冷却流体的0形环(30)，但未示出线圈元件必须嵌入其中的环氧树脂；
[0030]图8示出线圈和磁体；并且
[0031]图9示出被改型为在导线之间存在用于铁(金属片)的空间的线圏。
【具体实施方式】
[0032]本发明最适合的电机的种类是横轴通量无铁永磁多盘电机，但是本发明同样还能够被用于其它类型的电机。由权利要求1限定的机械对于具有任何数目相的电机是通用的，而权利要求2和3中限定的机械具体用于三相电机。本发明特别地涉及线圈元件15，所述线圈元件15适于量产，并且然后被组装成紧凑线圏。
[0033]图1a示出从正面观看的根据本发明的单个线圈元件15，而图1b示出从侧面观看的线圈元件15，其中示出用于接收相邻的线圈元件15的狭槽1-4以及连接销5、6。为清楚起见，形成线圈的扁平导线9未在图1中示出。
[0034]线圈元件由连续的扁平绝缘导线9的多个绕组构成。扁平绝缘导线9具有的尺寸使得更适于将其成称作箔条，但在该文献全文中都将其称作扁平导线9。扁平导线9的一端被连接到接触销5。扁平导线9随后缠绕在具有适当形状的模具10上，直到线圈元件15达到正确和需要的厚度为止。扁平导线9随后终止在另ー个连接销6中。狭槽1-4被制造在线圈元件中，用于在组装时接收邻近的、相邻线圈元件15的对应的部分。这些狭槽以两种方式制造。其能够在缠绕过程完成之后铣制到线圈元件15中。也能够在缠绕过程中对扁平导线15进行切片。任ー种方式的结果都为图1中示出的线圈元件。在该操作中，应小心确保形成线圈元件15的各个扁平导线9和加工/铣制表面之间适当绝缘。所述加工表面可例如被绝缘和/或被合适的环氧树脂等涂覆。
[0035]对于三相电机，线圈腿13、14必须以5*360°バ2*6*n)的角度a彼此倾斜，其中n为等于或大于3的整数，并且线圈腿13、14的延伸部必须在组装的电机的中心C处汇合。如果线圈15的填充因子，即填充在总的可用区域中的铜百分比是最优化的，则这是ー个需求。可稍微偏离该需求，但没有设计者想这么做。而且，线圈元件15的顶端具有使两个线圈腿13、14相互连接的半圆弧形状，而线圈元件15的相对端设有形成大于角度a的角度^的两个较低的线圈腿，其中最末端被圆化。应理解，狭槽1-4被布置在线圈元件15的上部半圆端部部分中和彼此形成角度P的线圈元件15的下端的部分中。
[0036]如图1a和1b所示，用于旨在被组装在线圈元件15的左侧上的相邻线圈元件15(未示出)的狭槽1、2被设置在所示出的线圈元件15的前侧上，而用于g在被布置在所示出的线圈元件15的右侧上的相邻线圈元件15(未示出)狭槽槽3、4被设置在所示出的线圈元件的后侧上，使得各个线圈元件能够被布置在扁平堆叠的位置中，两个相邻的线圈元件15之间的接合处的总厚度大致等于ー个线圈元件15的厚度。
[0037]图2a和图2b通过示出导线(9)的第一圈示出了逆时针缠绕元件7和顺时针缠绕元件8之间的差异。图2c示出了从侧面观看的第一旋转元件。为了使得能够以正确的方式连接线圈元件而不交叉连接导线29，线圈元件15中的一半线圈如图2a所示逆时针缠绕或如图2b所示顺时针缠绕。图2中的侧视图对于两个正视图是等效的。如图4所示,三个逆时针元件16、17、18将被三个顺时针元件(19、20、21)跟随，以此类推。这样的顺序或序列当然能够被镜面反射或旋转。扁平导线9例如可以被从含有绝缘扁平导线9的卷轴(未示出)等连续地输送。
[0038]图3示出了用于缠绕线圈元件15的模具或模板10。如图3所示，模具10可优选地设有孔11，从而能够在缠绕过程中借助于在板(未示出)之间的螺钉或螺母将其固定。所示出的缠绕为沿逆时针方向的缠绕。完成缠绕过程之后，板随后被移除，以便能够将制成的线圈元件15升起离开模具10。最有可能的是，优选在线圈元件15仍然附接到模具时在线圈元件15中铣出狭槽1-4。为此目的，模具10可优选在模具12中设有狭槽或凹ロ 12，如图3所示，如此构造以便在线圈元件15中提供所需的狭槽1-4。这可使模具的再利用复杂化。
[0039]图4a示意性地示出配合并组装在一起的若干个线圈元件15的前视图，而图4b示意性地示出图4a中示出的组装的线圈元件15的侧视图。如图4a所示,线圈元件15以相继次序16-21放置在彼此的顶部上，且相对彼此横向偏移。标记为17线圈元件15的右侧被放置在图中标记为18的邻近线圈元件15的相邻侧部分(左側)的顶部上，而图中标记为17的线圈元件15的左侧被放置在图中标记为16的线圈元件15的右侧的下方。这种构造对于图4a中示出的所有线圈元件15都是有效的。此外，所有的线圈元件均被构造为具有狭槽1-4，使得能够以具有对应于一个线圈元件15的高度的组装构造来布置线圈元件15，如图4b所示。如图4a和4b进ー步所示,接触销5被布置在姆个线圈元件15的弧形部的内侧上，而接触销6被布置在每个线圈元件15的弧形部的外侧上，接触销5和6均在相同的方向上侧向突出，如图4b所示。
[0040]图5a示意性地示出用于将线圈元件15连接成三相电机线圈组件中的连接导线29的顶视图；而图5b示意性地示出图5a中示出的连接导线29的透视图，且图5c示意性地示出图5a中示出的连接导线29的端视图。连接导线29被构造为用以分别连接不同线圈元件15的连接销5、6，使得第一线圈元件15的连接销5借助于连接导线29相继串联连接至第三跟随线圈元件15的销6。參照图4a，这意味着标记为16的线圈元件15上的连接销5使用图5a中公开的连接导线29连接到标记为19的线圈元件15上的连接销6。为此目的，每ー根连接导线的端部均设有被构造为用以接收连接销5、6的孔23’。连接导线29可优选具有稍微弯曲的形状，以防止组件中的各个连接导线29与邻近的连接导线29接触。对于样板，连接导线29可以例如通过激光、水等切割而成，并且在量产中可以冲压而成。
[0041]图6a示意性地示出线圈元件15将安装在其上的塑料框架22的顶视图；图6b示意性地示出图6a中示出的塑料框架22的侧视图；图6c以放大的比例示出图6b中示出的塑料框架22的被圆环围起的部分；图6d示意性地示出图6a中示出的塑料框架22的后侧，其中指示用于连接导线29的所有孔23和狭槽26及其图形，连接导线29被定位在相对于组装的线圈元件15的预期位置的塑料框架的相对侧上；并且图6e以放大的比例示意性地示出图6d中示出的塑料板22的后侧的一部分。
[0042]示出的框架22为典型的框架22，在其上，线圈元件15将被组装并嵌入在环氧树脂中。所有的连接销5、6 g在被按压穿过框架22中的凹部中的孔23，所述孔23 g在与连接导线29的每个端部的孔23’同轴对准，从而允许连接导线29被附接到销5、6。在连接销
5、6被按压到形成在框架22的后侧上的表面中的相应狭槽26中的同时，连接导线29旨在被按压到连接销5、6上，连接导线29和销5、6的端部被构造成在组装时或多或少地与塑料框架22的后表面齐平。由于特定形状，连接导线29并没有彼此交叉，所以连接导线29不需要被绝缘。
[0043]如图6c所示，框架22设有延伸穿过框架22的居中布置的圆形开ロ。沿着居中布置的圆形开ロ的边缘25设置支撑表面33，g在形成用于每个线圈元件15的最宽端部的座部，从而线圈元件15能够组装在框架22上。框架中的其余材料形成用于电机中的具有永磁体的转子盘的空间。大直径孔34被设置在框架22的中心中。当线圈元件15被组装吋，线圈元件将填充开ロ 34的周边部分，仍然在中心中为转子的轴留出合适的开ロ，所述转子具有下文讨论的磁体的形式。
[0044]如图6c可见，用于连接销5、6的孔23延伸穿过用于线圈元件15的座部33，所述孔23与在框架22的相反侧上的管道26连通。此外，在成对的孔23之间，支撑表面33还设有g在收容密封0形环30并且g在循环通过孔27的冷却剂的圆形凹部24。这样，用于冷却流体的路径被设置在框架22中，从而使得冷却剂能够与线圈元件15的两侧直接接触，并由此提供非常有效的冷却，这是因为热在其进入到冷却流体之前仅需要被传导通过铜和绝缘线的薄层。为了向线圈元件15提供足够的机械强度并且阻止冷却流体泄露到电机中，线圈元件15应被嵌入在环氧树脂等中。在环氧树脂中必须制造有孔，以产生用于冷却流体的路径。
[0045]图7示出了安装到框架22中的线圈元件15，包括用于密封冷却流体的0形环
(30)，但不包括线圈元件15必须被嵌入在其中的环氧树脂，该图以完成组件示出线圈元件
15。环氧树脂图中不可见，但对环氧树脂密封的0形环密封件30是可见的。利用建议的冷却，线圈元件的内尖端将是电机中的热点。最接近连接销5、6的狭槽2、4的部分是最受冷却影响的线圈元件15的部分。线圈框架22具有孔27和狭槽或凹ロ 24、28，其中所述狭槽24,28能够与将为流体提供适当密封的0形环30配合，从而允许流体与线圈元件15的两侧接触。孔27和狭槽或凹ロ 24、28被布置为使得如果若干个线圈组件被一起安装在多盘夹持型电机中，则流体能够在线圈组件之间流动。在这样的情形下，用于0形环或其它类型的密封元件的凹ロ或狭槽也可用作在夹持型单元中的各层之间的密封。
[0046]图8示出了线圈和磁体，其中示出线圈组件如何能够在电机中工作。磁体31、32被磁化到平面31中或平面32之外。单磁体31被示出在线圈-磁体组件的部分以下，以使读者更容易通过组装图中的形状来选出磁体31和识别磁体31。箭头指示电流的方向。利用本发明，总是能够在任意给定时间使电流在磁体31、32上的四个线圈腿13、14中在相同的方向上流动。磁体31、32由具有轴(未示出)的载体(未示出)支撑，以允许磁体31、32旋转，从而起到产生所需扭矩的转子的作用。根据毕奥-萨伐定律(Biot-Savart law),所有的线圈腿13、14将与磁体31、32相互感应，以产生相同方向上的扭矩。磁体31、32必须被插入到线圈框架(未示出)中，该线圈框架为转子的一部分，并将扭矩传输至轴。
[0047]磁体能够由沿径向放置的大量的短路棒或简单的固体金属(铜或铝)替代，以制造感应电机。磁体还能够由超导体替代，但考虑到本专利的有效期，永磁体可能是最佳方案。
[0048]图9示出一种线圈，其被改型以至少在铁的存在是有益的部分中在导线9之间存在用于铁35(金属片)的空间。因此，导线是较薄的。当导线9是较薄的时，可在増加厚度能影响系统性能的某些位置处增加导线厚度，例如在位置36中示出的部分。由此能够提高电机的功率效率并且降低线圈中的特定区域或位置中的发热。这对于其中箔片或导线是薄的小电机不实用，但对于其中线圈能够使用如线切割(放电加工)、激光切割、水切割等方式直接从铜片制成的大电机是实用的。
【权利要求】
1.一种用于三相横轴通量多盘电机的线圈组件，其中所述线圈元件(15)由扁平导线/箔片(9)缠绕而成， 其特征在于:在每ー个线圈元件(15)中制造有八个狭槽(1-4)，所述线圈元件(15)的每ー侧上成形有四个狭槽，使得能够将所述线圈元件(15)组装成圆形线圈盘，所述线圈盘具有与所述扁平导线/箔片(9)的宽度大致相同的厚度。
2.根据权利要求1所述的线圈组件，其中在每ー个线圈元件(15)中的线圈腿(13、14)之间的角度(a)为5*360°バ2*6*n)，其中n为等于或大于3的整数，并且所述线圈腿(13、14)的延伸部在所述线圈组件的中心处汇合，这是将所述线圈元件(15)组装成完整的三相线圈组件的需求。
3.根据权利要求1所述的线圈组件，其中所述线圈元件(15)中的一半线圈元件沿逆时针方向(7)缠绕且所述线圈元件(15)中的另一半线圈元件沿顺时针方向(8)缠绕，并且在所述线圈组件中，不同类型的线圈元件(15)聚集成三个组，使得能够使用彼此不交叉的连接导线(29)来连接所述线圈元件(15)。
4.根据权利要求1-3中的一项所述的线圈组件，其中所述线圈元件(15)在组装之后被插入到线圈框架(22)中，所述线圈框架(22)预制有:用于所述线圈元件(15)的头部的边缘(25);用于连接销(5、6)的孔；以及在背侧上的用于所述连接导线(29)的狭槽(26)，所述狭槽(26)被布置使得所述连接导线(29)彼此不交叉。
5.根据权利要求1和4所述的线圈组件，其中所述线圈框架(22)具有孔(27)和狭槽(24、28)，其中所述狭槽(24、28)能够与O形环(30)配合，所述O形环(30)将为冷却流体提供适当密封并且允许冷却流体与所述线圈元件(15)的两侧接触。
6.根据权利要求1、4和5所述的线圈组件，其中所述孔(27)和狭槽(24、28)被布置成使得当若干个线圈组件被一起安装在多盘电机中时，冷却流体能够在线圈组件之间流动。
7.根据权利要求1所述的线圈组件，其中铁被放置在所述线圈之间的间隙中，以增加通过所述线圈的通量密度。
8.根据权利要求1所述的线圈组件，其中所述导线是使用诸如线切割(放电加工)、激光切割、水切割等的技术以所述线圈元件的形状从铜板直接切出。
9.根据权利要求1和8所述的线圈组件，其中所述导线大体围绕所述线圈，特别地在所述八个狭槽(1-4)附近或在所述八个狭槽(1-4)中被赋予变化的厚度，以降低此处的发热。
10.根据权利要求1和8所述的线圈组件，其中在所述导线之间留出空间，所述空间用于插入铁以增加通过所述线圈的通量密度。
【文档编号】H02K15/04GK103493344SQ201280015028
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2012年3月23日 优先权日:2011年3月24日
【发明者】约恩·埃里克·布伦瓦尔 申请人:格灵威能源公司