CN111313586A - 一种线圈组、集中式绕组及轴向磁通电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线圈组、集中式绕组及轴向磁通电机，所述线圈组包括至少两个线圈，所述线圈依次堆叠，并相互串联连接；其中，所述线圈均为由金属片卷绕成的平面螺旋状；其中，相邻两个所述线圈的螺旋方向相反。本发明利用长条状金属片为主体绕制轴向磁通电机集中式绕组，可有效增加槽满率和绕组端部空间利用率，在降低铜耗方面具有优势。

Description

一种线圈组、集中式绕组及轴向磁通电机

技术领域

本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种线圈组、集中式绕组及轴向磁通电机。

背景技术

轴向磁通永磁同步电机不仅保留了传统的柱式永磁同步电机的高效率、高功率因数等优点，且由于其定子和转子都为薄盘状，很大程度上缩短了电机的轴向尺寸，使得轴向磁通永磁同步电机具有更高的空间利用率，转矩密度和功率密度也因此提高。

分数槽集中式绕组是电机的极数和槽数比较接近时特有的一种绕组结构，该结构的特点是绕组中线圈的节距为一个槽距，该结构具有绕组端部体积小、齿槽转矩小、易模块化生产等优点，研究集中式绕组的结构和生产工艺意义重大。

传统的轴向磁通电机的定子绕组由圆导线或扁导线绕制，该结构的绕组由于导线的截面积较小，因此该结构在降低铜耗和提高槽满率方面不具有优势。近几年出现用于轴向磁通电机的PCB绕组，它是在一块圆盘状印刷电路板内以绕组的方式布导线，该结构降低了生产难度，但由于印刷电路板的厚度和导热性能的限制，限制了PCB绕组在中大功率电机中的应用。近年来出现的另一种轴向磁通电机集中式绕组结构为环形金属片线圈沿电机轴向堆叠形成每一个线圈组，该结构在铜耗、槽满率方面具有优势，且适用于中大功率场合和无齿槽定子结构中，但是该结构在对抗径向拉应力引起的形变方面不具有优势，并且单个线圈组生产时比较繁琐。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有绕组存在的槽满率差、铜耗高、对抗径向拉应力引起的形变方面不具有优势的问题，提出了本发明。

因此，本发明目的是提供一种线圈组、集中式绕组及轴向磁通电机。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种线圈组，包括至少两个线圈，所述线圈依次堆叠，并相互串联连接；

其中，所述线圈均为由金属片卷绕成的平面螺旋状；

其中，相邻两个所述线圈的螺旋方向相反。

作为本发明所述线圈组的一种优选方案，其中：所述金属片的表面与所述线圈的堆叠方向平行。

作为本发明所述线圈组的一种优选方案，其中：所述线圈组还包括两个出线端，两个所述出线端均位于所述线圈组的轴向空间内。

作为本发明所述线圈组的一种优选方案，其中：所述线圈的数量为偶数；

其中，两个所述出线端均位于所述线圈组远离电机轴的一端，或均位于所述线圈组靠近电机轴的一端。

作为本发明所述线圈组的一种优选方案，其中：所述线圈包括由所述金属片卷绕而成的线圈本体以及引出的第一连接端和第二连接端；

其中，相邻两个所述线圈的所述第一连接端相互串联；

其中，最上层的所述线圈的所述第二连接端以及最下层的所述线圈的所述第二连接端形成所述出线端。

作为本发明所述线圈组的一种优选方案，其中：相邻两个所述线圈的所述第一连接端由同一所述金属片弯折而成。

本发明还公开了一种集中式绕组，包括，

线圈组，所述线圈组为上述所述的线圈组，多个所述线圈组沿圆周方向排布；

连接线，同相的所述线圈组之间通过所述连接线串联或并联，异相的所述线圈组之间通过所述连接线串联或并联。

作为本发明所述集中式绕组的一种优选方案，其中：所述连接线由卷绕所述线圈组的所述金属片向外延伸而成。

作为本发明所述集中式绕组的一种优选方案，其中：串联的所述连接线由同一金属片延伸而成。

本发明还公开了一种轴向磁通电机，所述轴向磁通电机包括上述所述的集中式绕组。

本发明的有益效果：本发明利用长条状金属片为主体绕制轴向磁通电机集中式绕组，在绕组的每个线圈组中采用金属片表面与电机轴平行的轴向多层卷绕结构，由于绕组的主体都是片状，片与片之间环绕包裹几乎没有缝隙，因此该结构可有效增加槽满率；同时，金属片的截面积远大于传统圆导线或扁导线，因此该绕组在降低铜耗方面具有优势。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明线圈组的结构示意图。

图2为图1的爆炸图。

图3为本发明的电机与现有技术的电机转矩测试的对比图。

图4为本发明线圈组由同一金属片绕制的结构示意图。

图5为本发明四层线圈组成的线圈组的结构示意图。

图6为本发明线圈组的出线端位于内端部的结构示意图。

图7为本发明的电机与现有技术的电机铜耗测试的对比图。

图8为本发明集中式绕组的结构示意图。

图9为本发明有齿槽定子的集中式绕组的结构示意图。

图10为本发明无齿槽定子的集中式绕组的结构示意图。

图11为图10中支架的爆炸图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

再其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

实施例1

参照图1，提供了一种线圈组，线圈组100包括两个线圈101，两个线圈101相互堆叠，并相互串联连接；

其中，线圈101为由金属片200卷绕成的平面螺旋状，每层线圈101的卷绕圈数可相等或不等；其中，两个线圈101的螺旋方向相反。

具体绕制时，参照图2所示，取一根金属片200，将金属片200的第一连接端101b固定，将金属片200的第二连接端101c从第一连接端101b的左侧向内沿顺时针方向平面螺旋形成线圈本体101a，形成如图2所示的上层线圈101-1；

另取一根金属片200，将金属片200的第一连接端101b固定，将金属片200的第二连接端101c从第一连接端101b的右侧向内沿逆时针方向平面螺旋形成线圈本体101a，形成如图2所示的下层线圈101-2；

将上层线圈101-1堆叠在下层线圈101-2上方，通过连接线300将上层线圈101-1的第二连接端101c与下层线圈101-2的第二连接端101c串联；本实施例的连接线300为金属块，将金属块放置在两个第二连接端101c之间，再将其焊接固定；当然，本领域技术人员也可以采用其他方式串联，例如，将两个第二连接端101c直接焊接相连，或用导线将两个第二连接端101c相连，本发明不限制串联连接的具体方式。

由于两个堆叠在一起的线圈101的螺旋方向相反，因此单个线圈组在通电后每层产生磁场的方向相同。

而且，单个线圈组易于模块化生产，可降低生产成本和难度。

其中，同一线圈101内的相邻金属片200之间以及两个线圈101之间分别由绝缘体填充，本实施例采用绝缘纸填充相邻金属片200之间的间隙；当然，本领域技术人员也可以采用其他绝缘方式，例如在金属片200表面涂绝缘漆，实现绝缘。

为提高绕组的空间利用率和金属片的利用率，每个线圈组的轴向多层卷绕结构中的单层在用金属片绕制时相邻卷绕金属片之间的间隙尽量小，每个线圈组的轴向多层卷绕结构中相邻两层之间的轴向间隙尽量小。

由于线圈101的主体都是片状，片与片之间环绕包裹几乎没有缝隙，因此本实施例的线圈组100结构可有效增加槽满率，提高了电机的空间利用率。

其中，槽满率的定义是槽内金属部分占槽的截面积的比重。

如图3所示，以将齿槽填满为条件，分别对现有技术电机和本发明电机进行测试，其中现有技术电机的绕组是通过传统导线绕制，对比两者在导体截面电流密度相同的条件下，不同转速所对应的转矩。

从图中可以看出，本发明电机与现有技术电机对比，在4000rpm之前，在相同的导体电流密度和转速下，本发明电机的转矩明显大于现有技术电机的转矩；由于反电势和转速成正比，转速超过一定值后反电势会使绕组端电压不足，就需要通过弱磁来减小反电势，才能让转速进一步提高，但是会导致转矩减小，在4000rpm之后，虽然电机转矩减小，但是本发明电机的转矩依然大于现有技术电机的转矩。

根据电磁转矩的计算公式：

其中，T_e为电磁转矩，p为极对数，ψ为磁链，i_q为交轴电流分量，i_d为直轴电流分量，L_q为电机的交轴电感，L_d为电机的直轴电感。

由式(1)可知，在相同的导体电流密度和转速下，槽满率越高，槽内绕组的金属部分截面积越大，总电流越大，所以等效变换后的交轴电流分量i_q和直轴电流分量i_d越大，电磁转矩T_e就越大。

实施例2

参照图4，该实施例不同于第一实施例的是：相邻两个线圈101的第二连接端101c由同一金属片200弯折而成。

具体绕制时，取一根金属片200，金属片200的两端从中部向金属片200的同侧弯折，例如，金属片200的左端沿顺时针方向向一侧弯折，金属片200的右端则沿逆时针方向向同侧弯折，为了使金属片200两端能够高低错开，使卷绕后的两个线圈101处于不同平面内，金属片200弯折采用在金属片200表面呈45°角的弯折，弯折角度为90°，弯折后的金属片200的左端自内向外沿逆时针方向卷绕成平面螺旋状的线圈101，金属片200的左端的端部多余部分向外延伸，形成出线端102；弯折后的金属片200的右端自内向外沿顺时针方向卷绕成平面螺旋状的线圈101，金属片200的右端的端部多余部分向外延伸，同样形成出线端102。

若线圈组100由多层线圈101组成，如图5所示，由四层线圈101组成的线圈组100，则在上述绕制方法的基础上以此类推，用同一根金属片绕制而成。

由于采用同一根金属片绕制而成，相较于焊接连接的方式，能够降低电阻，通过更大的电流。

实施例3

参照图1、2、4、5、6，该实施例不同于以上实施例的是：线圈组100的两个出线端102均位于线圈组100的轴向空间内；使单个线圈组100的两个出线端102及其连接线300都在轴向多层卷绕结构的轴向空间内，避免了传统的单层卷绕结构中出线端或连接线在轴向占用更多空间，提高了电机的空间利用率。

单个线圈组100分为有效边、内端部和外端部，有效边为线圈组100中与电机径向平行的部分，内端部为线圈组100靠近电机转轴的端部，外端部为线圈组100靠近电机机壳侧的端部；为保证有效边的完整性，防止有效边受损，主磁场被削弱，线圈组100与外部设备进行连接时选择在内端部或外端部进行连接；当然，在有效边进行连接也具有可行性。

具体绕制时，单个线圈组100中线圈101的数量为偶数，即可保证两个出线端102位于线圈组100的轴向空间内；如图4所示，两个出线端102均位于线圈组100的外端部；如图6所示，两个出线端102均位于线圈组100的内端部；即可保证有效边的完整性。

实施例4

参照图1、2、4、5、6，该实施例不同于以上实施例的是：金属片200的表面与线圈101的堆叠方向平行，具体应用时，金属片200的表面与电机的轴线平行。具体的，本实施例采用的金属片200由H59-1黄铜带切割而成，H59-1黄铜带的厚度为0.05～3.0mm，宽度为10～1050mm，金属片200的具体宽度由电机的相数、极数、槽数和绕组层数共同决定。

普通的绕组是由导线绕制，单根线比较细，故受到和转子之间的轴向拉应力时容易形变；另一种形式的盘式电机绕组为金属片沿电机轴向叠放，如专利CN 208445375 U中公开的结构，在金属片受到的轴向拉应力时，最外侧的金属片受到较大的拉应力容易发生明显的翘起，产生变形。

本实施例的金属片200的片状本体表面与电机轴平行，有效边处的金属片200沿电机径向延伸，内端部或外端部处的金属片200则沿电机周向延伸，而且金属片200的厚度朝向最外侧，单个金属片200在受到轴向拉应力时，是很难产生变形的，因此该结构的绕组在对抗轴向磁拉力引起的轴向形变方面具有优势。

而且，金属片200的截面积远大于传统圆导线或扁导线，因此该绕组在降低铜耗方面具有优势。

参照图7所示，以绕组绕制的总截面积相同为条件，分别对现有技术电机和本发明电机进行测试，其中现有技术电机的绕组是通过传统导线绕制，对比两者的铜耗，从图中可以看出，本发明电机与现有技术电机相比，在绕组总截面积相同的条件下，本发明电机的铜耗明显小于现有技术电机的铜耗。

物体的电阻计算公式：

其中，R为电阻，S为截面积，L为长度，ρ为电阻率。

由式(2)可知，物体的电阻R大小和截面积S成反比，和长度L成正比。

由于本实施例的多层卷绕结构的槽满率大于普通导线结构，故单个槽内多层卷绕结构的金属部分截面积大于普通导线的金属部分截面积。

单个线圈组的导线长度等于单圈长度乘以匝数，由于单根金属片的截面积远大于普通导线，故绕制一个线圈组，多层卷绕结构的匝数明显小于普通导线的匝数，故绕制单个线圈组，多层卷绕结构的导线长度明显小于普通导线。

综合导线长度和截面积，单个多层卷绕结构线圈组的电阻小于普通导线线圈组的电阻。

绕组铜耗的计算公式：

P＝R×I² (3)

其中，P为铜耗，R为电阻，I为电流。

由式(3)可知，铜耗P和电阻R大小成正比，所以在产生相同大小的磁动势的前提下，单个多层卷绕结构线圈组的铜耗小于普通导线线圈组的铜耗。

实施例5

参照图8，本实施例提供一种集中式绕组，包括多个线圈组100和多个连接线300，线圈组100以及连接线300的具体数量由电机的相数、极数、槽数和绕组层数共同决定；在无特殊制造或需求条件下，单个线圈组100中的每层线圈101的卷绕圈数相等，不同线圈组100中每个对应层的线圈101的卷绕圈数相等。

其中，多个线圈组100沿圆周方向排布，同相的线圈组100之间通过连接线300串联，异相的线圈组100之间通过连接线300串联或并联。

其中，连接线300由卷绕线圈组100的金属片200向外延伸而成；

进一步的，串联的连接线300由同一金属片200延伸而成。

本实施例的集中式绕组中，每个线圈组100中采用金属片200表面与电机轴平行的轴向多层卷绕结构，使单个线圈组100的两个出线端102及其连接线300都在轴向多层卷绕结构的轴向空间内，避免了传统的单层卷绕结构中出线端或连接线在轴向占用更多空间，提高了电机的空间利用率；并且该结构的绕组在对抗轴向磁拉力引起的轴向形变方面具有优势；同时，由于绕组的主体都是片状，片与片之间环绕包裹几乎没有缝隙，因此该结构可有效增加槽满率和绕组端部空间利用率；金属片的截面积远大于传统圆导线或扁导线，因此该绕组在降低铜耗方面具有优势；单个线圈组易于模块化生产，可降低生产成本和难度。

实施例6

参照图9，该实施例不同于上述实施例的是：一种轴向磁通电机，包括上述的集中式绕组，本实施例的轴向磁通电机采用有齿槽定子结构，如图9所示，本实施例提供的是一种3相10极12槽轴向磁通电机的星形连接绕组，包括第一线圈组100-1、第二线圈组100-2、第三线圈组100-3、第四线圈组100-4、第五线圈组100-5、第六线圈组100-6以及第一连接线300-1、第二连接线300-2、第三连接线300-3、第四连接线300-4、第五连接线300-5、第六连接线300-6、第七连接线300-7、第八连接线300-8；在无特殊制造或需求条件下，线圈组100沿电机的圆周方向均匀排布。

其中，第一线圈组100-1和第四线圈组100-4均属于A相，第二线圈组100-2和第五线圈组100-5均属于B相，第三线圈组100-3和第六线圈组100-6均属于C相，每个线圈组100均由两层线圈101堆叠而成，每层线圈101均卷绕于定子铁芯400上，每层线圈101的卷绕圈数都为6圈，且每个线圈组100的有效边长度、内端部长度、外端部长度相等；在无特殊制造或需求条件下，绕组中每个线圈组100的有效边、内端部和外端部的尺寸相同。

第一线圈组100-1的一个出线端与第一连接线300-1相连，用于与外部供电设备相接，第一线圈组100-1的另一个出线端通过第四连接线300-4与第四线圈组100-4的一个出线端串联；

第二线圈组100-2的一个出线端与第二连接线300-2相连，用于与外部供电设备相接，第二线圈组100-2的另一个出线端通过第五连接线300-5与第五线圈组100-5的一个出线端串联；

第三线圈组100-3的一个出线端与第三连接线300-3相连，用于与外部供电设备相接，第三线圈组100-3的另一个出线端通过第六连接线300-6与第六线圈组100-6的一个出线端串联；

第四线圈组100-4的另一个出线端通过第七连接线300-7与第五线圈组100-5的另一个出线端串联；

第六线圈组100-6的另一个出线端通过第八连接线300-8与第五线圈组100-5的另一个出线端串联；从而形成绕组的星形连接结构；当然，也可以按照实际需要，连接成三角形连接绕组，连接方式为本领域技术人员公知的，在此不再赘述。

其中，各个连接线可以采用导线，也可以是金属片多余部分的延伸。

该实施例中的各个连接线都在线圈组的轴向双层卷绕结构的轴向空间内，没有占用更多的轴向空间，利于缩小电机的体积；外部供电设备和该绕组ABC三相出线端的第一连接线300-1、第二连接线300-2、第三连接线300-3相连并通以三相交流电后，该绕组将产生方向沿电机轴向的磁场，并且该磁场沿电机周向旋转，驱动电机转子旋转，达到电机输出动能的目的；当转子在外力作用下旋转，转子磁场会切割绕组的有效边，在绕组内形成感应电动势，达到发电的目的。

实施例7

参照图10、11，该实施例不同于上述实施例的是：本实施例的轴向磁通电机采用无齿槽定子结构，如图10所示，安装过程中，为了提高绕组的机械强度，采用支架500对集中式绕组进行支撑；支架500包括支架本体501、支撑件502和止挡件503，支架本体501为环形结构，支撑件502沿支架本体501的周向均匀分布，支撑件502的两侧壁平行电机的径向，支撑件502的上下表面与支架本体501的两端面之间留有间隙。

相邻两个支撑件502之间形成放置槽，将单个线圈组100依次放置在放置槽内，再通过连接线300将线圈组100之间串联或并联。

止挡件503为环形结构，止挡件503能够套接于支架本体501的两端外侧，并且通过螺钉或铆钉等固定件将止挡件503与支撑件502之间固定连接，将线圈组100限制在两个止挡件503之间的轴向空间内，即可提高集中式绕组的机械强度，整体安装完成后再将其安装于电机上。

重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本申请的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例、以及参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。

此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征(即，与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征，或于实现本发明不相关的那些特征)。

应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种线圈组，其特征在于：所述线圈组(100)包括至少两个线圈(101)，所述线圈(101)依次堆叠，并相互串联连接；

其中，所述线圈(101)均为由金属片(200)卷绕成的平面螺旋状；

其中，相邻两个所述线圈(101)的螺旋方向相反。

2.如权利要求1所述的线圈组，其特征在于：所述金属片(200)的表面与所述线圈(101)的堆叠方向平行。

3.如权利要求1或2所述的线圈组，其特征在于：所述线圈组(100)还包括两个出线端(102)，两个所述出线端(102)均位于所述线圈组(100)的轴向空间内。

4.如权利要求3所述的线圈组，其特征在于：所述线圈(101)的数量为偶数；

其中，两个所述出线端(102)位于所述线圈组(100)的同侧。

5.如权利要求4所述的线圈组，其特征在于：所述线圈(101)包括由所述金属片(200)卷绕而成的线圈本体(101a)以及引出的第一连接端(101b)和第二连接端(101c)；

其中，相邻两个所述线圈(101)的所述第二连接端(101c)相互串联；

其中，最上层的所述线圈(101)的所述第一连接端(101b)以及最下层的所述线圈(101)的所述第一连接端(101b)形成所述出线端(102)。

6.如权利要求5所述的线圈组，其特征在于：相邻两个所述线圈(101)的所述第二连接端(101c)由同一所述金属片(200)弯折而成。

7.一种集中式绕组，其特征在于：包括，

线圈组(100)，所述线圈组(100)为权利要求1～6任一所述的线圈组，多个所述线圈组(100)沿圆周方向排布；

连接线(300)，同相的所述线圈组(100)之间通过所述连接线(300)串联或并联，异相的所述线圈组(100)之间通过所述连接线(300)串联或并联。

8.如权利要求7所述的集中式绕组，其特征在于：所述连接线(300)由卷绕所述线圈组(100)的所述金属片(200)向外延伸而成。

9.如权利要求8所述的集中式绕组，其特征在于：串联的所述连接线(300)由同一金属片(200)延伸而成。

10.一种轴向磁通电机，其特征在于：所述轴向磁通电机包括如权利要求7～9任一所述的集中式绕组。

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