径向磁通无铁芯绕组、制备工艺及具有该绕组的永磁电机的制作方法

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

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。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供径向磁通无铁芯绕组、制备工艺及具有该绕组的永磁电机，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，提供一种径向磁通无铁芯绕组，所示绕组的导线为截面长边沿电机径向的带状铜薄片，所示线圈沿圆周360°方向相邻排布以形成集中绕组结构，或沿圆周360°方向层叠排布形成整体为圆环形的绕组结构。

进一步地，所述绕组包括弯曲线圈和直线线圈，所述直线线圈，并列排布，所述弯曲线圈的有效部分之间空腔恰好套设于所述直线线圈，并列排布后的有效部分上。

进一步地，所述弯曲线圈包括第一端部、第二端部以及设于第一端部、第二端部之间的有效部分，且所述第一端部、第二端部相对于所述有效部分上翘一定距离，且布局于同一平面内。

进一步地，所述距离等于所述直线线圈的厚度。

进一步地，所述第一端部与有效部分连接处其中一侧设有第一斜面或弧面过渡结构，其对应另一侧设有第二斜面或弧面过渡结构。

进一步地，所述第二端部与有效部分连接处其中一侧设有第三斜面或弧面过渡结构，对应另一侧面设有第四斜面或弧面过渡结构。

进一步地，所述直线线圈，结构相同，其中，所述直线线圈包括第三端部和第四端部以及设于所述第三端部和第四端部之间的有效部分。

按照本发明的另一个方面，提供一种所述的径向磁通无铁芯绕组的制备工艺，包括如下步骤：

s1：将薄紫铜板切割成矩形模块；

s2：使用模具将步骤s1中所得矩形模块压制成所述弯曲线圈(100)形状，若采用集中绕组方法则可省去此步骤；

s3：采用线切割等精密加工方式，沿径向将铜板切割成类似带状铜薄片同轴卷绕而成的线圈；

s4：线圈安装、定位、下线至定子轭上；

s5：焊接绕组连接线及出线端；

s6：使用环氧树脂或其他高导热系数的非金属材料，将定子灌封成型。

按照本发明的另一个方面，提供一种永磁电机，包括内转子-外定子无铁芯结构，所述定子包括所述的径向磁通无铁芯绕组。

进一步地，所述电机结构为内外双定子结构-中间转子结构或外定子-内转子结构。

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)本发明的径向磁通无铁芯绕组，该绕组的导线为截面长边沿电机径向的带状铜薄片，相邻带状铜薄片沿圆周360°方向层叠排布形成整体为圆环形的绕组结构，径向磁通无铁芯绕组结构气隙空间内的铜截面占比可达80％～90％，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)本发明的径向磁通无铁芯绕组，直线线圈并列排布后，弯曲线圈的有效部分之间空腔恰好套设于直线线圈并列排布后的有效部分上，从而形成沿圆周排布且厚度相同的圆环形绕组结构。

(3)本发明的径向磁通无铁芯绕组，第一端部、第二端部相对于有效部分上翘一定高度，且布局于同一平面内，该高度优选等于直线线圈、的厚度，从而确保排布时直线线圈并列排布后，弯曲线圈的有效部分之间空腔恰好套设于直线线圈并列排布后的有效部分上。

(4)本发明的径向磁通无铁芯绕组，通过第一斜面或弧面过渡结构和第二斜面或弧面过渡结构，实现第一端部与第三端部的匹配排布，同时，通过第三斜面或弧面过渡结构和第四斜面或弧面过渡结构，实现第二端部与四端部的匹配排布，从而形成沿圆周排布且厚度相同的圆环形绕组结构。

(5)本发明的径向磁通无铁芯绕组，带状铜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。

(6)本发明的径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。

(7)本发明的具有径向磁通无铁芯绕组的永磁电机，采用径向磁通无铁芯绕组，气隙空间内的铜截面占比可达80％～90％，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。

(8)本发明的具有径向磁通无铁芯绕组的永磁电机，电机结构为内转子-外定子、内外双定子结构-中间转子结构或者外定子-内转子结构无铁芯径向磁通电机。

附图说明

图1为本发明实施例径向磁通无铁芯绕组结构示意图；

图2为本发明实施例径向磁通无铁芯绕组中弯曲线圈与直线线圈的排布示意图；

图3为本发明实施例径向磁通无铁芯绕组中弯曲线圈的结构示意图；

图4为本发明实施例径向磁通无铁芯绕组中直线线圈的结构示意图；

图5(a)为现有技术中扁铜线结构示意图；

图5(b)为现有技术中litz导线的结构示意图；

图5(c)为本发明实施例径向磁通无铁芯绕组的结构示意图；

图6为本发明实施例径向磁通无铁芯绕组的制备工艺流程图；

图7为本发明实施例具有径向磁通无铁芯绕组的永磁电机结构示意图；

图8(a)为本发明实施例内外双定子-中间转子永磁电机结构；

图8(b)为本发明实施例外转子-内定子永磁电机结构。

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。

现有技术或无法显著提升气隙铜截面占比，或显著提升气隙铜截面占比的同时引入较大的交流铜耗。针对现有技术存在的缺点，本发明提出了一种由薄片式导体构成的高铜截面占比的无铁芯绕组结构如图1所示。该绕组的导线为截面长边沿电机径向的带状铜薄片，相邻带状铜薄片沿圆周360°方向层叠排布形成整体为圆环形的绕组结构。其中，线圈的排布结构可以多种形式，只要满足相邻线圈排布后形成厚度相同的圆环形结构即可。如图2所示为本发明实施例其中一种径向磁通无铁芯线圈的排布示意图。其采用两种不同结构形式的线圈，即包括弯曲线圈100、直线线圈200、300。其中，弯曲线圈100的结构可根据实际需求设计为不同的结构形状，图3给出了本发明其中一个实施例的结构形式。如图3所示，弯曲线圈100包括第一端部101、第二端部103以及设于第一端部101、第二端部103之间的有效部分102。直线线圈200、300的结构相同，以直线线圈200为例，其包括第三端部201和第四端部203，以及设于第三端部201和第四端部203之间的有效部分202。其中，第一端部101、第二端部103优选相对于有效部分102上翘一定高度，且布局于同一平面内，该高度优选等于直线线圈200、300的厚度，从而确保如图2所示排布时，直线线圈200、300并列排布后，弯曲线圈100的有效部分102之间空腔恰好套设于直线线圈200、300并列排布后的有效部分202上，从而形成沿圆周排布且厚度相同的圆环形绕组结构。如图2所述，与传统的litz线绕组相比，本发明的径向磁通无铁芯绕组结构气隙空间内的铜截面占比可达80％～90％，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。

优选地，如图3所示，弯曲线圈100的第一端部101与有效部分102连接处其中一侧设有第一斜面或弧面过渡结构1011，其对应另一侧设有第二斜面或弧面过渡结构1012。对应第二端部103与有效部分102连接处其中一侧设有第三斜面或弧面过渡结构1031，对应另一侧面设有第四斜面或弧面过渡结构1032。通过第一斜面或弧面过渡结构1011和第二斜面或弧面过渡结构1012，实现第一端部101与第三端部201的匹配排布，同时，通过第三斜面或弧面过渡结构1031和第四斜面或弧面过渡结构1032，实现第二端部103与四端部203的匹配排布，从而形成沿圆周排布且厚度相同的圆环形绕组结构。

如图5所示为现有技术中扁铜线、litz线与本发明实施例中线圈的结构示意图。其中，图5(a)中使用扁铜线绕制绕组，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，扁铜线较大的径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，如图5(b)所示，但相应地铜截面占比会明显下降，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两倍。为了解决上述问题，本发明提出了薄片式线圈结构，因为带状铜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，本发明还提供了一种径向磁通无铁芯绕组的制备工艺，通过切割的方式，所提绕组结构由铜薄片构成电流导通路径，其加工成型方法如下：

图6所示为铜板切割法的加工流程：(1)将薄紫铜板切割成图示矩形模块；(2)使用模具将步骤(1)中所得矩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，沿径向将铜板切割成类似带状铜薄片同轴卷绕而成的线圈；(4)线圈安装、定位、下线至定子轭上；(5)焊接绕组连接线及出线端；(6)使用环氧树脂或其他高导热系数的非金属材料，将定子灌封成型。

如图6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，因铜板沿径向切割，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。需强调所提及加工方式只是薄片式无铁芯绕组的具体实施方案，凡是相似结构绕组均在本专利保护范围内。

进一步，本发明实施例提供一种具有径向磁通无铁芯绕组的永磁电机，如图7所示，该永磁电机结构为内转子-外定子无铁芯径向磁通电机，但所提绕组应用不仅限于该结构。如图8(a)所示的内外双定子结构-中间转子结构以及如图8(b)类似的外定子-内转子结构亦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。