[發明專利]徑向磁通無鐵芯繞組、制備工藝及具有該繞組的永磁電機

在審

• 申請號: 201811435133.6
• 申請日: 2018-11-28
• 公開（公告）號: CN109474101A
• 公開（公告）日: 2019-03-15
• 發明（設計）人: 李健;賴俊全;肖天正
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H02K3/04
• 分類號: H02K3/04;H02K15/04;H02K15/02;H02K21/14;H02K16/04;H02K21/22
• 代理公司: 武漢東喻專利代理事務所(普通合伙) 42224
• 代理人: 王福新

本發明公開了一種徑向磁通無鐵芯繞組，所示繞組的導線為截面長邊沿電機徑向的帶狀銅薄片，所示帶狀銅薄片沿圓周360°方向相鄰排布以形成集中繞組結構，或沿圓周360°方向層疊排布形成整體為圓環形的繞組結構。本發明還公開該徑向磁通無鐵芯繞組的制備工藝以及具有該徑向磁通無鐵芯繞組的永磁電機。本發明的徑向磁通無鐵芯繞組，該繞組的導線為截面長邊沿電機徑向的帶狀銅薄片，相鄰帶狀銅薄片沿圓周360°方向層疊排布形成整體為圓環形的繞組結構，徑向磁通無鐵芯繞組結構氣隙空間內的銅截面占比可達80％～90％，在保證系統效率的同時有效提升電機功率密度，降低電機重量。

技術領域

本發明屬于無鐵芯繞組技術領域，更具體地，涉及一種徑向磁通無鐵芯繞組、制備工藝及具有該繞組的永磁電機。

背景技術

近年來，由于化石能源的不可再生性以及日益嚴峻的環境問題，電動汽車的研發受到各國學者與汽車廠商的重視，相關技術也取得了長足的進步。現存電動汽車主要采用集中驅動系統，即驅動電機位于車輛內部，通過傳動系統將動力輸出至車輪；與之相對的是電動輪驅動系統，即將電機直接安裝于車輪內。與傳統驅動方式相比，電動輪驅動系統具有多方面優勢：(1)結構簡單，省去了復雜的機械傳動系統，簡化底盤結構，大大增加車內空間，提升乘坐舒適性；(2)能實現車輛的電氣制動，提高能源利用率；(3)各輪轂電機獨立可控，可提高車輛轉彎靈活性，省去差速裝置。雖然輪轂電機驅動系統具有諸多優點，但是仍存在一些問題制約其發展及廣泛應用：(1)輪轂電機需要安裝在輪內空間，輪轂的結構尺寸限定了電機的外徑而汽車的懸掛裝置則限定其軸向長度，使得輪轂電機具有體積小的需求；(2)輪轂電機位于車輪內，會增加汽車的簧下質量，影響汽車的乘坐舒適性、行駛平順性和操控穩定性，因而對電機質量非常敏感；(3)直驅的輪轂電機不存在減速裝置，需要輸出較大的轉矩，且電機位于輪轂內，散熱條件較為惡劣。因此，輪轂電機領域迫切需求一種輕量化高功率密度密度的解決方案。相比常見的徑向磁通電機結構，軸向磁通電機具有軸向長度短、單位體積功率密度高等優點；無鐵芯電機因省去大量鐵芯結構，定子重量極小，單位重量功率密度具有極大的優勢，去除齒槽結構后，轉子損耗顯著降低且無定子鐵芯損耗，因而效率可顯著提升；結合兩者優勢，軸向磁通無鐵芯電機可達到極高的功率密度和系統效率，迎合了輪轂電機、直升機尾翼驅動及艦艇推進等特種電機應用場合的嚴苛要求。

目前，常見的雙轉子-中間定子軸向磁通無鐵芯電機結構轉子由磁鋼及轉子軛構成，磁鋼通常采用halbach陣列以減小漏磁增強氣隙磁場，轉子軛根據需求可導磁也可不導磁；現有無鐵芯繞組通常由Litz線繞制，其定子繞組下線加工后再由環氧樹脂或其他非金屬材料灌封一體成型。與常規電機相比，該結構不存在定子鐵芯結構，因而相近功率等級下，電機整體重量可顯著減小。與此同時，沒有定子鐵芯作為導磁路徑，磁力需要穿過磁導率接近空氣的銅材料，磁阻遠大于常規電機，因而磁鋼需求量顯著增大。一方面，實際的電磁氣隙需計及繞組厚度，出于減小成本、重量的考慮，需要減小繞組厚度；另一方面，繞組厚度減小會增加電阻及電密，帶來銅耗上升，導致效率下降及過熱風險，因而如何提高氣隙中銅截面占比從而減小電樞軸向厚度成為了亟待解決的難題。此外無鐵芯電機的繞組暴露在交變磁場中，除常規電機重點考慮的直流銅耗外，交流銅耗的抑制顯得尤為重要，很多場合下甚至大于直流銅耗。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供徑向磁通無鐵芯繞組、制備工藝及具有該繞組的永磁電機，其要解決的技術問題是：在較低的氣隙銅截面占比引起較大直流銅耗，且交流銅耗與直流銅耗相互制約，因而繞組軸向厚度無法有效降低，較大的電磁氣隙使得磁鋼用量顯著提高，阻礙電機的功率密度的進一步提升。

為了實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供一種徑向磁通無鐵芯繞組，所示繞組的導線為截面長邊沿電機徑向的帶狀銅薄片，所示線圈沿圓周360°方向相鄰排布以形成集中繞組結構，或沿圓周360°方向層疊排布形成整體為圓環形的繞組結構。

進一步地，所述繞組包括彎曲線圈和直線線圈，所述直線線圈，并列排布，所述彎曲線圈的有效部分之間空腔恰好套設于所述直線線圈，并列排布后的有效部分上。