CN110011449A - 一种极薄盘式绕组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种极薄盘式绕组结构及制造方法，本极薄盘式绕组采用同平面式线径差异化绕组结构，线径自内向外逐渐增大。同相绕组由,但不限于，整块导电材料经线切割制造而成或由多段焊接，形成一体的绕组基础件。绕组基础件位于电机磁场下的有效段采用同平面式设计；上下无效段（端部）采用U型叠扣式设计。定子绕组由各相绕组基础件叠放而成，使各相绕组有效段位于同一平面下，上下无效段可在留有足够绝缘间隙的前提下，实现分层排布。绕组外表面包覆有若干层绝缘材料与支撑材料。极薄盘式绕组由绕组端部实现与机壳间的固定连接。本发明结构简单，可降低盘式电机的电磁间隙轴向尺寸，提高绕组的空间利用率，同时在保证合理温升特性前提下，增大盘式电机的极限驱动电流、改善转矩特性及功率密度等。

Description

一种极薄盘式绕组

技术领域

本发明属于电机绕组设计与制造领域，特别涉及一种极薄盘式绕组。

背景技术

盘式电机有别于径向磁场电机，气隙呈平面型，磁通呈轴向分布，属轴向磁场电机。得益于定子、转子独特的盘式外形，盘式电机的体积与重量较小，同时效率较高。通常定子部分由若干匝铜线或扁铜线缠绕在定子槽内，或没有齿槽结构，绕组直接置于轴向磁场之下，转子部分由不同充磁方向的永磁体贴附于转子盘上，定转子等经过配合形成盘式电机。

基于体积小、重量轻、结构紧凑等优点，盘式电机在许多行业的得到广泛应用。随着对盘式电机功率密度、转矩密度等性能的需求日益增长，盘式电机自身散热问题愈加严重，如何在合理的温度攀升限定内提升电机驱动电流以达到更优性能是当前盘式电机重要研究方向。

盘式电机运行时，内部的各类损耗会导致机体产生大量的热量，定子绕组的铜耗尤为严重，温度的攀升会致使绕组温升过高而损坏绝缘层或致使永磁体退磁，造成不可逆的损坏。盘式电机的温升相当程度上制约着其性能的进一步优化。因此，绕组温升特性是考量盘式电机优劣的重要衡量指标。

盘式电机体积往往有严格限制，即盘式电机的气隙总面积有限，若提高盘式电机的空间利用率，特别是绕组槽满率，可在有限的槽面积内产生更大的电流，有效地提高盘式电机转矩特性、功率密度以及效率等性能。

现有能够优化定子及绕组结构的发明中，集中于定子结构与槽型、绕组连接方式等的创新，未从绕组自身空间拓扑结构入手，盘式电机绕组空间利用率仍然不够充分，无法实现有限空间内电流密度的提升，而且在结构强度方面还有待进一步研究。

现有能够提高定子绕组散热能力的发明中，一部分以盘式电机定子绕组包覆高导热材料为研究技术点，如在每相绕组外部包裹一层高导热系数的热管，提高绕组的散热能力。此类发明由于增加热管，一方面导致电机的厚度增加，另一方面热管对盘式电机的电磁性能和机械性能产生一定的影响。另一部分以绕组主动冷却结构为研究技术点，此类发明在极其有限的空间内，增加大量液冷通道，大幅增加盘式电机的外径与轴向厚度，同时结构复杂难以得到实际应用。

现有能够降低电机厚度的发明中，一部分以无刷直流电机等径向磁通电机为研究对象，无法适用于盘式电机的特殊结构；还有部分研究主要集中于盘式电机机壳厚度的降低、负载与转子连接方式上的创新，未能从盘式电机自身拓扑结构入手进行优化创新。

以上现有技术中，均没有提出适用于盘式电机的新型绕组拓扑结构，且未能提高绕组空间利用率，同时对超薄绕组的研究并不适用于盘式电机的特殊结构。

发明内容

针对现有技术的上述缺点或优化需求，本发明提供了一种极薄盘式绕组，其目的在于解决盘式电机绕组轴向厚度较大、磁场减弱、绕组空间利用率不足、绕组电流密度无法提升的问题。

本发明的上述技术问题主要通过下述技术方案得到解决：

一种极薄盘式绕组结构，包括有若干个绕组基础件，本发明公开了一种极薄盘式绕组及制造方法，同相绕组由整块导体经线切割制造而成或由多段导条焊接而成，形成一体的绕组基础件。绕组基础件有效段（磁场覆盖部分）采用同平面式设计；上下无效段（定子内外端部）采用叠扣式设计。定子绕组由各相绕组基础件叠放而成，各相绕组有效段位于同一平面下,上下无效段可在留有足够电气绝缘间隙的前提下，实现基础件分层排布。绕组外表面包覆有若干层绝缘材料与支撑材料。极薄盘式绕组由绕组端部实现与机壳间的固定连接。

作为优选，所述的绕组基础件有效段（磁场覆盖部分）截面积呈非均匀分布，即靠近定子外圆侧的截面积大于靠近定子内圆侧截面积，使定子绕组在径向上的电阻呈差异化分布。当绕组通过相较于一般均匀式定子绕组更大的电流时，由于等效电阻分布不同，造成损耗分布不同，引起定子绕组温度场分布畸变，亦即靠近定子内圆方向绕组阻值大、温度高，靠近定子外圆方向绕组阻值小、温度低。因绕组材料时导热系数较大、导热性能良好，由非均匀绕组引起的温度场分布畸变会在导热作用下趋于均匀，解决电机绕组局部过热的问题。由于上述的定子结构具有以上技术效果，故可在相同空间内使绕组电流增大而不会引起绕组温度的跃升，而绕组总电阻远小于采用同一截面积（接近内圆侧）的绕组。

作为优选，各相绕组基础件有效段（磁场覆盖部分）厚度相同，在定子绕组完全装配后，各相绕组有效段可处于同一平面。本发明所述的极薄盘式绕组设计与制造方法使盘式电机定子绕组在同一平面内即可实现排布，通过交替安排，确保绕组整体一致性的同时，能够使盘式电机轴向尺寸降低，体积缩小。

作为优选，所述的绕组基础件，可由整块导体经线切割工艺制造而成，也可由多段非均匀分布的导条经焊接制成。绕组线圈之间的电气绝缘间隙可控，也可以用绝缘材料包覆。基于上述工艺，使同相绕组一体化，并能够提高绕组结构强度。

作为优选，各相定子绕组基础件配合完成后，由绕组基础件上无效段（定子外端部）通过绝缘材料与盘式电机机体进行连接。对绕组上无效段（定子外端部）进行固定时，相较于下无效段（定子内端部）固定而言力臂较大，在提供相同固定力作用时，对绕组的结构强度要求大大降低。

作为优选，其中一相绕组基础件采用同平面式设计，即有效段（磁场覆盖部分）、无效段（定子内外端部）均处于同一平面；其余相绕组基础件采用叠扣式设计，即绕组基础件上无效段（定子外端部）从有效段所在平面弯曲某一角度，使得弯折后的平面同有效段所在平面平行，两平面间距即为绕组电气绝缘间隙。所述绕组叠放时，可依据绕组有效段进行定位，再将所有相绕组基础件依此叠扣。同理，下无效段（定子内端部）同样以叠扣式设计制作而成。叠扣后各相绕组定位精确，不易产生位置错乱。

通过本发明所设计的技术方案与现有技术相比，一种极薄盘式绕组能够取得下列突出实质性特点和显著技术进步：

1. 本发明提供的绕组基础件结构及制造方法，可保证电机绕组有效段（磁场覆盖部分）位于同一平面，大大降低盘式电机绕组的轴向尺寸。

2．本发明提供的绕组基础件结构及制造方法，可在盘式电机有限的空间内，采用特殊的工艺实现定子绕组线径差异化制造（非均匀分布）。对尺寸相同的盘式电机，在达到良好的热性能的前提下，利用本发明提供的的绕组结构，在提高绕组空间利用率的基础上，可达到更高的电流密度、转矩密度及功率密度等。

3.本发明提供的绕组基础件内外端部（上下无效段）采用的叠扣设计，便于不同相绕组基础件之间的定位、配合。同时，同相绕组基础件采用一体式设计，在实际生产中易于安装，且极大地提高了定子绕组的强度，结构稳定性良好。

4.本发明提供的绕组结构可实现绕组电流场、损耗场和温度场的差异性分布，提升盘式电机性能的同时减小电机尺寸。

附图说明

图1为背景技术中传统绕组的结构示意图；

图2为本发明提供的具体实施实例中的定子绕组示意图；

图3为本发明提供的绕组基础件结构示意图；

图4为本发明提供的定子绕组的局部正视图；

图5为本发明提供的定子绕组的局部侧视图；

图6为本发明提供的定子绕组的局部斜45°视图；

图7为本发明提供的盘式电机爆炸图。

具体实施方式

为使本发明的目的、设计方案、制造方式及优点更为清晰明了，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细阐述。下列描述内容仅用于解释本发明的内容，但不作限定本发明之用途。且附图仅为示意图，用于展示同本发明相关的结构设计。

实施例一：

参见图1至图7，本极薄盘式绕组，其特征在于采用同平面式线径差异化绕组结构，线径自内向外逐渐增大，同相绕组由整块导电材料经线切割制造而成、或由多段导条焊接，形成一体的绕组基础件；绕组基础件有效段采用同平面式设计，上下无效段采用U型叠扣式设计；定子绕组由各相绕组基础件叠放而成，使各相绕组有效段位于同一平面下，上下无效段在留有足够绝缘间隙的前提下，实现分层排布；绕组外表面包覆有若干层绝缘材料与支撑材料；由绕组端部实现与机壳间的固定连接；结构简单，可降低盘式电机的电磁间隙轴向尺寸，提高绕组的空间利用率，同时在保证合理温升特性前提下，增大盘式电机的极限驱动电流、改善转矩特性及功率密度等。

实施例二，本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

所述的绕组基础件靠近定子内圆侧导线截面积较小，而靠近定子外圆导线截面积较大；各相绕组的不同匝线圈宽度在径向呈差异化分布，以降低绕组总电阻。

实施例三：

图2为本实施例中的定子绕组，由如图3所示的绕组基础件构成。绕组基础件每匝绕组分为三段，包括为处位于绕组下端部的下无效段（101）、位于绕组上端部的上无效段（102）和位于磁场覆盖部分的有效段（103）。

本实例中涉及的绕组基础件采用同平面式线径差异化绕组结构。如图4所示，线径分布呈上宽下窄。如图5所示，轴向厚度保持一致，绕组所有线圈有效段的上下端面均处于同一平面。此外，可利用线切割等工艺使每匝线圈之间的电气绝缘间隙降至最小，实现绕组空间利用率的最大化，但其间隙大小不应低于线切割线径。

特别地，绕组基础件的加工工艺包括但不限于线切割、焊接和3D打印等技术。

进一步地，将本实施例所述的同平面式线径差异化绕组结构同传统绕组进行电路等效。相较于传统盘式定子绕组，其有效段的电阻呈非均匀分布，径向靠近定子内圆处等效电阻同传统绕组相当、径向靠近定子外圆处等效电阻小于传统绕组。通入电流后，绕组有效段的损耗场呈非均匀分布，引起绕组温度场的差异化分布；考虑到铜的导热性能优良，由绕组不均匀引起的温度差将在铜的良导热作用下趋于均匀；且由于定子外圆线径较宽，绕组通机壳的散热接触面更大，散热性能更优。这样，保持相同温度特性的前提下，同平面式线径差异化绕组结构由于总电阻减小，能够通入更大的驱动电流来提升电机性能。

如图6所示，每一匝线圈的上下无效段（上下端部）均采用的U型叠扣式端部结构。U型叠扣式设计分为三段，包括平面部（201）、弯折部（202）和架设部（203）。平面部即前述绕组基础件的有效段；架设部位于另一绕组基础件端部上方，二者间留有足够的电气绝缘间隙；弯折部位于平面部与架设部之间。弯折部同平面部、架设部呈一定角度的弯折。

进一步地，采用U型叠扣式端部设计，仅需将绕组基础件有效段进行定位，端部自动实现叠扣，无需重复定位，同时可避免绕组之间的干涉，且结构简单，对工艺要求较低。

本实施例利用上述同平面式线径差异化绕组结构作为盘式电机定子绕组有效段（磁场覆盖部分）的基本结构，同时采用U型叠扣式绕组结构作为盘式电机定子绕组无效段（绕组上下端部）的基本结构，并将同相绕组按照同心式连接方式进行排布，最后借助前述铜板线切割等加工工艺，进行一体化制造，构成各相绕组基础件。

特别地，每相绕组均由多个同心线圈经串联或并联构成，同相绕组的连接方式不限于同心式连接，目前适用于盘式电机绕组的的所有连接方式在本发明中均适用。

如图2所示，将三相绕组基础件进行配合。进一步地，绕组基础件完成配合后，进行绝缘处理，并在外层包覆碳纤维或其它材料提高绕组强度，最后得到超薄盘式绕组。如图所示，超薄盘式绕组在轴向方向厚度大大降低，提高了气隙磁场强度，节省了盘式电机的空间，使盘式电机尺寸进一步缩小。应用本发明所述技术的简化盘式电机爆炸示意图如图7所示。

上述内容以本实施例为启示提出的一种较优实例，相关技术人员可改变多处细节应用本发明涉及的技术内容，而这种更改不认为属脱离本发明范畴的应用。本发明涉及的技术性范围不限于具体实施方式中的内容，必要时根据权利要求书进行确定。

Claims (7)

1.一种极薄盘式绕组，其特征在于：采用同平面式线径差异化绕组结构，线径自内向外逐渐增大，同相绕组由整块导电材料经线切割制造而成、或由多段导条焊接，形成一体的绕组基础件；绕组基础件有效段采用同平面式设计，上下无效段采用U型叠扣式设计；定子绕组由各相绕组基础件叠放而成，使各相绕组有效段位于同一平面下，上下无效段在留有足够绝缘间隙的前提下，实现分层排布；绕组外表面包覆有若干层绝缘材料与支撑材料；由绕组端部实现与机壳间的固定连接；结构简单，可降低盘式电机的电磁间隙轴向尺寸，提高绕组的空间利用率，同时在保证合理温升特性前提下，增大盘式电机的极限驱动电流、改善转矩特性及功率密度等。

2.根据权利要求1所述的极薄盘式绕组，其特征在于：所述的绕组基础件靠近定子内圆侧导线截面积较小，而靠近定子外圆导线截面积较大；各相绕组的不同匝线圈宽度在径向呈差异化分布，以降低绕组总电阻。

3.根据权利要求1所述的极薄盘式绕组，其特征在于：所述的绕组基础件以电机通用的绕组方式，包括，同心式或单层链式的基准，由整块导电材料经线切割制造或多段导条焊接而成。

4.根据权利要求1所述的极薄盘式绕组，其特征在于：所述的绕组基础件中，使某一相绕组端部与有效段处于同一平面，另两相内外端部采用叠扣式设计，即从绕组有效段所在平面垂直或弯折成某一角度，在周向上确保相绕组基础件间气隙足够的前提下，可实现各相绕组基础件端部的分层叠放，同时各相绕组通过交替叠扣等安排以实现各相绕组电气参数平衡。

5.根据权利要求1所述的极薄盘式绕组，其特征在于：所述的各相绕组基础件有效段——磁场覆盖部分，处于同一平面下。

6.根据权利要求1所述的极薄盘式绕组，其特征在于：所述的绕组基础件外表面由碳纤维、或芳纶纤维、高强度材料编织、或绑扎、或包覆等以增加结构强度。

7.根据权利要求1所述的极薄盘式绕组，其特征在于：所述的绕组基础件由端部通过绝缘材料实现与机体固定部分的连接。