CN116885910B - 电机定子结构及轴向磁通电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开电机定子结构及轴向磁通电机，属于电机技术领域；定子盘的定子轴孔沿第一方向延伸，多个线圈薄片环绕定子轴孔圆形阵列，并设在定子盘上沿第一方向延伸的安装通孔内，每个线圈薄片由多个通电线圈依次连接而成，所有通电线圈沿第二方向依次层叠，并沿垂直于第二方向的方向依次排布，第二方向与第一方向成锐角。另外，电机定子结构固定于壳体，转子结构具有转子轴孔，转子结构与电机定子结构共同构成转定子组件，若干转定子组件沿第一方向间隔设于壳体的容纳腔内，转轴沿第一方向延伸并穿过定子轴孔和转子轴孔，转轴贯穿壳体并固定于转子结构。本发明解决了铁芯损耗问题，还具有体积小、重量轻、散热效果佳和效率高的优点。

Description

电机定子结构及轴向磁通电机

技术领域

本发明属于电机技术领域，特别涉及一种电机定子结构及轴向磁通电机。

背景技术

在双碳战略的布局下，驱动电机作为新能源汽车的核心部件，需更加注重高效化、小型化、智能化的发展。在新能源汽车及大功率电机的发展中，驱动电机的功率密度、效率等核心指标和降低成本成为了电机进一步发展的急需解决的问题。

在现有技术中，电机的定子结构利用软磁材料即硅钢，并将线圈缠绕在硅钢上，在通电后便会产生磁场，但是，绕组会产生涡流现象，存在铁芯磁滞、铁芯损耗和齿槽转矩等缺点。因此，无铁芯的轴向磁通电机（或称盘式电机）应运而生。轴向磁通电机采用定子无铁芯的结构设计，具有高功率密度、高电压调整率和高效率等优点，然而，现有的轴向磁通电机存在着体积和重量大、散热效果差、效率低的缺点。

发明内容

为解决上述提及的技术问题，本发明目的在于提供一种电机定子结构及轴向磁通电机，不仅避免产生铁芯损耗的问题，而且还具有体积小、重量轻、散热效果佳和效率高的优点。

为解决上述技术问题所采用的技术方案：

第一方面，本发明公开了一种电机定子结构，其包括：

定子盘，其具有定子轴孔，所述定子轴孔的中轴线沿第一方向延伸；

线圈薄片，其设有多个，所有的所述线圈薄片环绕所述定子轴孔呈圆形阵列设置，所述定子盘设有多个沿第一方向延伸的安装通孔，每个所述线圈薄片对应设在所述安装通孔内，每个所述线圈薄片由多个通电线圈依次连接而成，且所有的所述通电线圈沿第二方向依次层叠，并沿垂直于第二方向的方向依次排布，第二方向与第一方向成锐角。

本发明提供的电机定子结构至少具有如下的有益效果：线圈薄片由多个通电线圈依次连接而成，所有通电线圈不仅沿第二方向依次层叠设置，而且，还沿垂直于第二方向的方向依次排布，促使线圈薄片呈长长的扁平形状，增大线圈薄片的表面积；多个线圈薄片分别设置在定子盘的多个安装通孔内，安装通孔的轴向沿第一方向延伸，由于通电线圈是沿第二方向层叠，第二方向与第一方向之间成锐角，因此，可以减少线圈薄片在第一方向上的尺寸，能节省空间，从而能够减少定子盘在第一方向上的尺寸，令轴向磁通电机的体积更小，重量更轻，同时，磁通路径更高效，能提升轴向磁通电机的效率；安装通孔沿第一方向贯穿定子盘的相对两个表面，因此，流经安装通孔的空气能够将线圈薄片的热量带走，而且，线圈薄片的表面积有所增大，能提升散热效果。

作为上述技术方案的进一步改进，每个所述线圈薄片包括铜线和自粘绝缘漆层，所述自粘绝缘漆层包覆设于所述铜线的外表面。如此设置，通过自粘绝缘漆层促使任意相邻的两个通电线圈粘接牢固，从而形成整体稳定、不易散开的线圈薄片，方便将线圈薄片设置在定子盘的安装通孔。

作为上述技术方案的进一步改进，每个所述通电线圈呈椭圆状。

作为上述技术方案的进一步改进，所述线圈薄片的数量为3的倍数，且任意相邻的三个所述线圈薄片分别连接有三相电线。如此设置，能够实现三相直流变频无感控制。

作为上述技术方案的进一步改进，每个所述安装通孔内设有安装架，所述安装架设有安装腔，所述安装腔沿第一方向延伸并贯穿所述安装架的相对两表面，所述线圈薄片设在所述安装腔内，并与所述安装架卡扣连接。如此设置，将线圈薄片置于安装架的安装腔内，并促使线圈薄片与安装架发生卡扣连接，令线圈薄片相对安装架固定不动，然后，将安装架设置在定子盘的安装通孔，完成线圈薄片安装于定子盘的工作。

作为上述技术方案的进一步改进，所述安装腔的内周面设有限位挡边和卡块，所述限位挡边和所述卡块沿第一方向间隔排布，并共同限定出用于容纳所述线圈薄片的安装空间，所述卡块沿所述安装腔的内周面设有多个，所述卡块远离所述限位挡边的侧面设有导向斜面。由于安装腔设有多个卡块，每个卡块设置有导向斜面，因此，能够令线圈薄片顺利卡入至由限位挡边和卡块限定的安装空间，从而实现安装架与线圈薄片之间产生卡扣连接作用。

作为上述技术方案的进一步改进，所述安装架在第一方向上的其中一个表面朝内延伸形成所述限位挡边，所述安装架对应每个所述卡块设有缺口，所述缺口的开口朝向所述限位挡边设置，且所述缺口分别贯穿所述安装腔内外两侧。如此设置，限位挡边和卡块只会遮挡着线圈薄片在第一方向的一侧面，增加位于安装架上的线圈薄片的散热面积，从而提高线圈薄片的散热效果。

作为上述技术方案的进一步改进，每个所述安装通孔设有两个沿第一方向排布的所述安装架，所述限位挡边与所述定子盘在第一方向上的表面平齐。如此设置，在电机定子结构与转子结构配合工作时，能够减少线圈薄片与转子结构之间的气隙，从而减少磁路磁阻，从而能提升轴向磁通电机的效率。

第二方面，本发明公开了一种轴向磁通电机，其包括：

壳体，其具有容纳腔；

如上述任一技术方案的电机定子结构，其与所述壳体固定连接；

转子结构，其具有转子轴孔，所述转子结构与所述电机定子结构共同构成转定子组件，所述转定子组件沿第一方向间隔设有若干个，并设于所述容纳腔内；

转轴，其沿第一方向延伸，所述转轴分别穿过所述定子轴孔和所述转子轴孔，并贯穿所述壳体，所述转轴与所述转子结构固定连接。

本发明提供的轴向磁通电机至少具有如下的有益效果：轴向磁通电机采用上述结构的电机定子结构，能够解决现有轴向磁通电机所存在的体积和重量大、散热效果差和效率低的问题。

作为上述技术方案的进一步改进，所述转子结构包括转子盘和多个磁环，所述转子盘设有用于安装所述磁环的贯穿通孔，多个所述磁环环绕所述转子轴孔呈圆形阵列设置，所述磁环的数量与所述线圈薄片的数量一致。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明；

图1是本发明实施例所提供的轴向磁通电机中，转轴与多个转定子组件连接的结构立体图；

图2是本发明实施例所提供的轴向磁通电机中，转定子组件的结构示意图；

图3是本发明实施例所提供的电机定子结构中，线圈薄片与安装架连接的结构示意图；

图4是本发明实施例所提供的轴向磁通电机的结构***图；

图5是本发明实施例所提供的轴向磁通电机的轴截面示意图。

附图中标记如下：100、密封盖；210、端盖；220、外壳；221、凹槽；300、密封圈；400、轴承；500、电机定子结构；510、定子盘；520、线圈薄片；530、线缆；540、凸部；550、安装架；551、限位挡边；552、卡块；553、安装腔；554、定位部；555、缺口；600、转子结构；610、转子盘；620、磁环；700、转轴。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，如果具有“若干”之类的词汇描述，其含义是一个或者多个，多个的含义是两个及以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二、第三只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参照图1至图5，下面对本发明的电机定子结构及轴向磁通电机举出若干实施例。

如图1至图3所示，本发明实施例一提供了一种电机定子结构500，该电机定子结构500能够很好地解决现有定子结构存在铁芯损耗、转矩波动、齿槽转矩和定子磁滞等的问题，该电机定子结构500包括定子盘510和多个线圈薄片520，该电机定子结构500具有体积小、重量轻、散热效果佳和效率高的优点。

定子盘510具有定子轴孔，定子轴孔的中轴线沿着第一方向延伸设置。在本实施例中，定子盘510为圆盘，选用超轻刚性材质，比如镁锂合金、钛合金、碳纤维等，在此不限定。定子轴孔位于定子盘510的中部位置，定子轴孔为圆孔。

所有的线圈薄片520环绕定子盘510的定子轴孔呈圆形阵列设置。定子盘510设置有安装通孔，安装通孔的轴向沿着第一方向延伸设置，安装通孔的数量为多个，安装通孔和线圈薄片520在数量上是一致的。安装通孔为线圈薄片520提供安装位置。每个线圈薄片520分别对应安装在定子盘510上的安装通孔内，促使所有的线圈薄片520与定子盘510相对固定。

每个线圈薄片520都是由多个通电线圈依次连接而成，而且，所有的通电线圈沿着第二方向依次层叠设置，同时，所有的通电线圈沿着垂直于第二方向的方向依次排布，其中，第二方向与第一方向成锐角。

可以理解的是，在线圈薄片520结构中，通电线圈的数量可以根据实际情况而选择，在此不做具体限定。在每个线圈薄片520制造工艺中，使用一根通电线不断圈绕制造出一个个通电线圈，通电线圈的轴向沿着第二方向延伸设置，任意相邻两个通电线圈在第二方向上排布，并在垂直于第二方向的方向上错开设置。每个线圈薄片520都具有两个接线端。

可以理解的是，在本实施例提供的电机定子结构500中，由于线圈薄片520是通过多个通电线圈依次连接而构成的，而且，所有通电线圈不仅沿着第二方向依次层叠设置，而且，还沿着垂直于第二方向的方向依次排布，因此，线圈薄片520整体结构呈长长的扁平形状，能够增大线圈薄片520的表面积。

由于多个线圈薄片520分别安装在定子盘510上的多个安装通孔内，安装通孔的轴向沿着第一方向延伸设置，所有的通电线圈是沿着第二方向依次层叠的，第二方向与第一方向之间成锐角，因此，在线圈薄片520安装于定子盘510后，线圈薄片520的轴向（也即第二方向）与定子盘510的第一方向成一定角度的锐角，那么，能够以减少线圈薄片520在第一方向上的尺寸，能节省线圈薄片520在第一方向上的安装空间，从而能够减少定子盘510在第一方向上的尺寸，使得轴向磁通电机的体积更小，重量更轻，进而能提高轴向磁通电机的单位体积功率密度和单位重量功率密度。

同时，定子盘510设置有上述结构的线圈薄片520，能够使得磁通路径更高效，并提高磁场能，降低能耗，扩展磁的空间，从而令轴向磁通电机能够达到耐高温、高功率密度、高扭矩密度和大转速区间的目的，可以提升轴向磁通电机的效率。

由于安装通孔沿着第一方向延伸并贯穿定子盘510的相对两个表面，因此，流经安装通孔的空气能够将线圈薄片520的热量带走，而且，线圈薄片520的表面积有所增大，可以提升电机定子结构500的散热效果。

本实施例的电机定子结构500将传统电机的定子铁芯中所有的软磁材料如硅钢取消，采用线圈薄片520与定子盘510组合成定子组件，改变传统的轴向磁通电机的定子电磁作用方式，使得尺寸更小，重量更轻，十分适用于新能源汽车。

在一些实施例中，每个线圈薄片520的结构包括有自粘绝缘漆层和铜线。其中，铜线可以选用具有高电导率和低损耗的超级铜线，自粘绝缘漆层可以选用耐电晕、高导热率的自粘绝缘漆材料。自粘绝缘漆层包覆设在铜线的外表面，从而形成漆包线。

通过自粘绝缘漆层促使任意相邻的两个通电线圈粘接牢固，从而形成整体稳定、不易散开的线圈薄片520，方便将线圈薄片520设置在定子盘510的安装通孔。

在一些实施例中，每个通电线圈采用呈椭圆状的设计。当然，不排除通电线圈采用圆形设计。

在一些实施例中，在定子盘510的同一圆周上，线圈薄片520的数量为3的倍数，而且，任意相邻的三个线圈薄片520分别连接有三相电线，如此能够实现三相直流变频无感控制。

如图1和图2所示，在本实施例中，定子盘510设置有六个线圈薄片520，六个线圈薄片520以定子盘510的轴心为圆形采用圆形阵列方式布置。线圈薄片520的延伸方向垂直于线圈薄片520的中心与定子盘510的中心之间所连成的连线。

在一些实施例中，如图1至图3所示，定子盘510的每个安装通孔内都设置有安装架550，安装架550内部中空形成有安装腔553，安装腔553沿着安装架550的第一方向延伸，并贯穿安装架550的相对两个表面。安装架550的形状与安装通孔的形状相适配，安装架550嵌装在安装通孔。

线圈薄片520设置在安装架550的安装腔553内，并且，线圈薄片520与安装架550之间进行卡扣连接，令线圈薄片520相对安装架550固定不动，促使线圈薄片520与安装架550共同组成无铁芯的定子绕组，方便包装运输，无需使用软磁材料如硅钢来组成线圈绕组。然后，将安装架550设置在定子盘510的安装通孔，完成线圈薄片520安装于定子盘510的工作。

在本实施例中，安装架550设置有卡块552和限位挡边551。具体的，安装腔553的内周面朝内凸起并形成有限位挡边551，另外，安装腔553的内周面朝内凸起并形成有卡块552，卡块552的数量为多个，并沿着安装腔553的内周面间隔设置。卡块552和限位挡边551沿着安装腔553的第一方向按照一定的间隔设置，而且，卡块552和限位挡边551共同限定出安装空间，安装空间的作用是用于容纳线圈薄片520。

另外，卡块552远离限位挡边551的侧面设置有导向斜面。在本实施例中，卡块552呈直角三棱柱状。

可以理解的是，限位挡边551和卡块552都是与安装架550一体成型。限位挡边551和卡块552的尺寸可以根据实际情况而设定，在此不做具体限定。由于安装架550的安装腔553内设有多个卡块552，每个卡块552设置有导向斜面，因此，能够令线圈薄片520顺利卡入至安装架550上的安装空间。由于线圈薄片520受到卡块552和限位挡边551的限位作用，促使线圈薄片520无法轻易沿着第一方向移动，从而实现安装架550与线圈薄片520之间产生卡扣连接作用。

进一步的，安装架550在第一方向上的其中一个表面朝内延伸形成限位挡边551，也即限位挡边551与安装架550的其中一个表面相平齐。而且，安装架550对应每个卡块552设置有缺口555，缺口555和卡块552在数量上一致。缺口555的开口朝向限位挡边551设置，且缺口555分别贯穿安装腔553内外两侧。如图3所示，安装架550的其中一个表面朝卡块552的方向凹陷并形成缺口555，缺口555沿第一方向延伸直至缺口555的壁面与卡块552相接。

可以理解的是，安装架550设置缺口555，促使安装架550上的限位挡边551和卡块552只会遮挡着线圈薄片520在第一方向的一侧面，避免线圈薄片520同一位置在第一方向上的相对两侧面分别与卡块552和限位挡边551相接触而导致该位置的热量无法散发，那么，如此能够增加位于安装架550上的线圈薄片520的散热面积，从而提高线圈薄片520的散热效果。

在一些实施例中，安装架550的外周面设置有定位部554，定位部554的形状可以根据实际情况而设计，在此不做具体设定。而定子盘510上的安装通孔对应设置有定位槽，促使定位部554在安装架550嵌装于定子盘510的安装通孔时能够对应***至定位槽。当然，安装架550也可以采用螺丝连接等其他方式固定在定子盘510上。

在一些实施例中，定子盘510上的每个安装通孔内都设置有两个安装架550，两个安装架550沿着定子盘510的第一方向排布，而且，每个安装架550上的限位挡边551与定子盘510在第一方向上的表面平齐，如图1至图3所示。那么，在电机定子结构500与转子结构600配合工作时，能够让线圈薄片520更加靠近转子结构600设置，可以减少线圈薄片520与转子结构600之间的气隙，从而减少磁路磁阻，从而能提升轴向磁通电机的效率。

另外，如图1至图5所示，本发明实施例一提供了一种轴向磁通电机，该轴向磁通电机的结构包括有壳体、转子结构600、转轴700以及上述任一实施例的电机定子结构500。

壳体具有容纳腔，容纳腔能够为转子结构600和电机定子结构500提供安装位置。在本实施例中，壳体呈圆柱状，壳体包括端盖210和外壳220，其中，端盖210和外壳220沿第一方向排布。外壳220具有呈圆柱状的凹槽221，端盖210和外壳220固定连接，端盖210的端面和凹槽221共同限定出容纳腔。端盖210和外壳220都设置有贯穿孔，以便转轴700的端部伸出。

转子结构600具有转子轴孔，转子通孔的轴向沿第一方向延伸。电机定子结构500和转子结构600共同构成转定子组件，转定子组件的数量为若干个，所有的转定子组件沿着第一方向按照一定的间隔设置，所有的转定子组件设置在壳体的容纳腔内。

电机定子结构500固定连接于壳体。在本实施例中，定子盘510的外周面设置有多个凸部540，壳体的容纳腔的壁面设有连接部，凸部540和连接部可以通过螺栓进行连接，促使定子盘510相对壳体固定不动。

转轴700的长度方向沿着第一方向延伸设置，转轴700分别穿过每个转定子组件的定子轴孔和转子轴孔，转轴700的端部贯穿壳体，而且，转轴700固定连接于转子结构600。在本实施例中，转子结构600可以通过键连接方式安装在转轴700上，促使转子结构600能够随转轴700一并相对壳体绕转轴700的中轴线旋转。当然，不排除转子结构600通过螺栓安装在转轴700上。

在本实施例中，转子结构600包括有转子盘610和磁环620，磁环620的数量为多个，转子盘610设置有贯穿通孔，贯穿通孔的轴向沿第一方向延伸，贯穿通孔用于安装磁环620，贯穿通孔和磁环620在数量上一致。转子盘610的圆心位置设置有转子轴孔，多个贯穿通孔和多个磁环620都是环绕转子盘610的转子轴孔呈圆形阵列设置。而且，磁环620与线圈薄片520在数量一致。另外，磁环620的延伸长度和线圈薄片520的延伸长度可以一致。

在本实施例中，转定子组件的数量为三个，并按照一定的间隔设置在转轴700上。沿着第一方向，电机定子结构500的定子轴孔的孔径增大，同时，转子结构600的转子轴孔的孔径也增大，那么，转轴700对应设置有台阶部，如图4所示。轴向磁通电机设置有线缆530，线缆530与电机定子结构500上的线圈薄片520相连接。线缆530的数量为六根，分别对应与每个电机定子结构500上的六个线圈薄片520电性连接，能够为线圈薄片520供电，此时，六根线缆530可以分别对应于两组三相电线。

如图4所示，转轴700的相对两端分别通过轴承400安装在壳体上，促使转轴700能够更加顺畅地旋转。而且，外壳220在第一方向上的相对两侧都设置有密封盖100，其中一个密封盖100通过螺栓安装在端盖210远离外壳220的表面，另一个密封盖100通过螺栓安装在外壳220远离端盖210的表面。而且，密封盖100都设置有轴孔，以便转轴700伸出轴孔。转轴700与轴孔之间设置有密封圈300，密封盖100与端盖210或外壳220之间的连接面也设置有密封圈300。

轴向磁通电机采用上述结构的电机定子结构500，能够解决现有轴向磁通电机所存在的体积和重量大、散热效果差和效率低的问题，并具有体积小、重量轻、散热效果佳、效率高和工作稳定性高的优点。

以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种电机定子结构，其特征在于，包括：

定子盘，其具有定子轴孔，所述定子轴孔的中轴线沿第一方向延伸；

线圈薄片，其设有多个，所有的所述线圈薄片环绕所述定子轴孔呈圆形阵列设置，所述定子盘设有多个沿第一方向延伸的安装通孔，每个所述线圈薄片对应设在所述安装通孔内，每个所述线圈薄片由多个通电线圈依次连接而成，且所有的所述通电线圈沿第二方向依次层叠，并沿垂直于第二方向的方向依次排布，第二方向与第一方向成锐角。

2.根据权利要求1所述的电机定子结构，其特征在于，每个所述线圈薄片包括铜线和自粘绝缘漆层，所述自粘绝缘漆层包覆设于所述铜线的外表面。

3.根据权利要求1所述的电机定子结构，其特征在于，每个所述通电线圈呈椭圆状。

4.根据权利要求1所述的电机定子结构，其特征在于，所述线圈薄片的数量为3的倍数，且任意相邻的三个所述线圈薄片分别连接有三相电线。

5.根据权利要求1至4任一所述的电机定子结构，其特征在于，每个所述安装通孔内设有安装架，所述安装架设有安装腔，所述安装腔沿第一方向延伸并贯穿所述安装架的相对两表面，所述线圈薄片设在所述安装腔内，并与所述安装架卡扣连接。

6.根据权利要求5所述的电机定子结构，其特征在于，所述安装腔的内周面设有限位挡边和卡块，所述限位挡边和所述卡块沿第一方向间隔排布，并共同限定出用于容纳所述线圈薄片的安装空间，所述卡块沿所述安装腔的内周面设有多个，所述卡块远离所述限位挡边的侧面设有导向斜面。

7.根据权利要求6所述的电机定子结构，其特征在于，所述安装架在第一方向上的其中一个表面朝内延伸形成所述限位挡边，所述安装架对应每个所述卡块设有缺口，所述缺口的开口朝向所述限位挡边设置，且所述缺口分别贯穿所述安装腔内外两侧。

8.根据权利要求7所述的电机定子结构，其特征在于，每个所述安装通孔设有两个沿第一方向排布的所述安装架，所述限位挡边与所述定子盘在第一方向上的表面平齐。

9.一种轴向磁通电机，其特征在于，包括：

壳体，其具有容纳腔；

如权利要求1至8任一所述的电机定子结构，其与所述壳体固定连接；

转子结构，其具有转子轴孔，所述转子结构与所述电机定子结构共同构成转定子组件，所述转定子组件沿第一方向间隔设有若干个，并设于所述容纳腔内；

转轴，其沿第一方向延伸，所述转轴分别穿过所述定子轴孔和所述转子轴孔，并贯穿所述壳体，所述转轴与所述转子结构固定连接。

10.根据权利要求9所述的轴向磁通电机，其特征在于，所述转子结构包括转子盘和多个磁环，所述转子盘设有用于安装所述磁环的贯穿通孔，多个所述磁环环绕所述转子轴孔呈圆形阵列设置，所述磁环的数量与所述线圈薄片的数量一致。