盘式电机的制作方法

1.本技术涉及一种盘式电机。


背景技术：

2.盘式电机(axial flux permanent magnetmachine，afpmm，又称为“盘式永磁电机”，或“轴向磁通永磁电机”)，因其结构紧凑、效率高、功率密度大等优点获得越来越多的关注。这种类型的电机尤其适合应用于电动车辆、可再生能源系统以及其它要求高转矩密度和结构紧凑的场合。
3.总体上，盘式电机包括围绕着输出轴并且沿着由输出轴限定的轴向方向并排布置的定子组件和转子组件。定子组件包括用于产生轴向磁场的定子线圈，所产生的磁场穿过定子组件和转子组件之间的轴向气隙。转子组件包括磁铁，磁铁围绕输出轴转动，同时切割磁场的磁力线。
4.在现有技术的结构中，如图1所示，在垂直于由输出轴限定的轴向方向的截面中，沿围绕着轴向方向的周向方向均匀地布置有多个定子线圈10，每一个定子线圈10通过缠绕在定子铁芯上的导线形成。
5.各定子线圈10的径向内轮廓和径向外轮廓构成内圆周部和外圆周部。这种布置的定子结构，内圆周部的温度高于外圆周部，内圆周部处的容许温度限制导致不能绕更多的导线，进而限制了电机功率密度的提高。
6.希望能够解决上述技术问题，提高电机的功率密度。


技术实现要素：

7.本技术的目的是提供一种能够提高功率密度的新式盘式电机结构。
8.为此，本技术提供了一种盘式电机，包括：
9.输出轴，其限定出中心轴线，并且限定出沿着中心轴线延伸的轴向方向，垂直于轴向方向的径向方向和围绕着轴向方向的周向方向；
10.围绕着所述输出轴安装并且相对于所述盘式电机的外壳固定的定子组件，定子组件包括内层定子线圈组和外层定子线圈组，所述内层定子线圈组和外层定子线圈组分别包括沿周向方向均匀布置的并且具有相等的第一数量的多个内层定子线圈和多个外层定子线圈，每一个内层定子线圈具有在径向方向上对准并且位于在其远离中心轴线的外侧上的对应外层定子线圈；
11.被安装到所述输出轴并且与其一起转动的转子组件，转子组件包括内层磁铁组和外层磁铁组，所述内层磁铁组和外层磁铁组分别包括沿周向方向布置的并且具有相等的第二数量的多个内层磁铁和多个外层磁铁，每一个内层磁铁具有在径向方向上对准并且位于在其远离中心轴的外侧上的对应外层磁铁。
12.在一个实施例中，在垂直于轴向方向的截面中，所述内层定子线圈具有在周向方向上相反的第一侧边缘和第二侧边缘，所述外层定子线圈的外轮廓具有在周向方向上相反
的第一侧边缘和第二侧边缘，所述内层定子线圈的第一侧边缘和第二侧边缘分别与所述外层定子线圈的第一侧边缘和第二侧边缘大致径向对准。
13.在一个实施例中，在垂直于轴向方向的截面中，所述内层定子线圈和外层定子线圈的外轮廓相对于所述输出轴的中心轴线具有大致相等的夹角。
14.在一个实施例中，所述定子组件包括被固定到盘式电机的定子外壳，所述定子外壳包括在周向方向上通过多个间隔部间隔开的多个隔室，每个隔室容置着一个内层定子线圈和与其径向对准的外层定子线圈。
15.在一个实施例中，所述内层磁铁组包括沿周向方向布置并且彼此间隔开的多个内层磁铁子组，每个内层磁铁子组包括沿周向方向邻接的多个内层磁铁；相应地，所述外层磁铁组包括沿周向方向布置并且彼此间隔开的多个外层磁铁子组，每个外层磁铁子组包括沿周向方向邻接的多个外层磁铁。
16.在一个实施例中，在垂直于轴向方向的截面中，所述内层磁铁的外轮廓具有在周向方向上相反的第一侧边缘和第二侧边缘，所述外层磁铁的外轮廓具有在周向方向上相反的第一侧边缘和第二侧边缘，所述内层磁铁的第一侧边缘和第二侧边缘分别与所述外层磁铁的第一侧边缘和第二侧边缘大致径向对准。
17.在一个实施例中，在垂直于轴向方向的截面中，所述内层磁铁和外层磁铁的外轮廓相对应所述输出轴的中心轴线具有大致相等的夹角。
18.在一个实施例中，所述内层定子线圈和所述外层定子线圈分别包括内层芯体和外层芯体，导线分别被缠绕在所述内层芯体和外层芯体的导线缠绕部分上形成所述内层定子线圈和所述外层定子线圈。
19.在一个实施例中，在垂直于轴向方向的截面中，所述内层芯体和所述外层芯体的导线缠绕部分具有大致扇形或大致梯形的形状。
20.在一个实施例中，所述第一数量大于所述第二数量，优选地，所述第一数量是所述第二数量的1.5倍。
21.在一个实施例中，所述至少一个定子组件是两个定子组件，所述至少一个转子组件是一个转子组件，其中在所述轴向方向上所述一个转子组件布置于所述两个定子组件之间；或者
22.所述至少一个定子组件是一个定子组件，所述至少一个转子组件是两个转子组件，其中在所述轴向方向上所述一个定子组件布置于所述两个转子组件之间；或者
23.所述至少一个定子组件包括一个定子组件，所述至少一个转子组件包括一个转子组件，其中所述一个定子组件和所述一个转子组件在所述轴向方向上并排布置。
24.根据本技术的盘式电机，定子组件包括在径向方向上彼此分开的内层定子线圈组和外层定子线圈组，对应地，转子组件包括在径向方向上彼此分开的内层磁铁组和外层磁铁组。由于在内层定子线圈组构成的内圆周部达到容许温度的极限时外层定子线圈组构成的外圆周部并未达到最高容许温度，所以单独、分开地设置内层定子线圈组和外层定子线圈组使得外层定子线圈组中每一个外层定子线圈的绕线匝数能够独立于其对应的内层定子线圈单独增加，进而提升功率密度。
附图说明
25.下面将参考附图、结合本技术的示例性实施例详细描述本技术的前述和其它特征、优势和益处。
26.图1是构成现有技术的盘式电机的定子组件的定子线圈的布置的示意图；
27.图2示出了根据本技术的包括两个转子组件和夹置于所述两个转子组件之间一个定子组件的盘式电机的立体图；
28.图3是图2的另一视图，其中一个转子组件被移除以暴露出定子组件的定子线圈的布置；
29.图4是图3的正视图，其中只示出了定子线圈的布置；
30.图5是图4的一部分的放大图，该部分包括一个内层定子线圈和位于其径向外面的对应外层定子线圈；
31.图6是图2中的根据本技术的盘式电机的转子组件的示意图；
32.图7是图6的正视图，其中只示出了磁铁的布置；和
33.图8是图7的一部分的放大图，该部分包括一个内层磁铁子组和位于其径向外面的对应外层磁铁子组。
具体实施方式
34.本技术的盘式电机(或称为“盘式永磁电机”，“轴向磁通永磁电机”)总体上包括输出轴以及至少一个定子组件和至少一个转子组件。
35.盘式电机的输出轴限定出中心轴线或旋转轴线，沿着中心轴线延伸的轴向方向，垂直于轴向方向的径向方向，以及围绕着轴向方向延伸的周向方向。所述至少一个定子组件和所述至少一个转子组件围绕着输出轴安装并且沿着上述轴向方向并排布置。例如，盘式电机可以包括两个定子组件和在轴向方向上设置于所述两个定子组件之间的一个转子组件；或者两个转子组件和在轴向方向上设置于所述两个转子组件之间的一个定子组件；或者在轴向方向上并排布置的一个转子组件和一个定子组件。可选地，本技术并不限制于上述这些电机配置，包含沿轴向方向布置的任何数量的定子组件和转子组件的盘式电机都在本技术的范围内。图2示出了包括两个转子组件20和夹置于所述两个转子组件20之间一个定子组件30的盘式电机1的立体图。其中盘式电机1的输出轴安装在通孔12中。
36.为清楚起见，在本技术中，盘式电机1的输出轴(未示出)的中心轴线延伸的方向为轴向方向z，径向方向r垂直于轴向方向z径向延伸，周向方向c围绕轴向方向z，这些方向在图4和7中分别表示出来。
37.盘式电机的定子组件30包括多个定子铁芯和缠绕在各定子铁芯上的定子线圈，转子组件20包括在垂直于轴向方向的平面内的转子盘以及设置于转子盘上的磁铁，例如永磁铁。定子线圈产生具有轴向磁力线的磁场，轴向磁力线穿过定子组件和转子组件之间的轴向气隙。转子组件的转子盘被固定到输出轴，并且连同设置于转子盘上的磁铁一起随定子线圈产生的旋转磁场而旋转。
38.图3是图2的另一视图，图中一个转子组件20被移除，暴露出定子组件30的定子线圈的布置。图4是图3的正视图，示出了图3中的定子组件30的定子线圈在垂直于轴向方向的截面中的布置。
39.如图3所示，盘式电机1的定子组件30包括被固定到盘式电机1的外壳(未示出)的定子外壳32和容置于定子外壳32内的定子线圈，定子外壳32限定出在周向方向c上通过多个间隔部34间隔开的多个隔室36，每个隔室36容置着一组对应的内层定子线圈110和外层定子线圈210。
40.参考图3和图4，定子组件30的定子线圈包括位于径向内部并且因而较靠近输出轴的中心轴线的内层定子线圈组100和位于径向外侧并且因而较远离输出轴的中心轴线的外层定子线圈组200。内层定子线圈组100和外层定子线圈组200分别包括围绕着轴向方向z、沿周向方向c均匀布置的多个(例如在图示实施例中为12个)内层定子线圈110(图3和4中仅一个内层定子线圈被标注有附图标记)和相同数目的多个外层定子线圈210(图中仅一个外层定子线圈被标注有附图标记)。每一个内层定子线圈110都具有位于其径向外侧的对应外层定子线圈210，例如，在图2中，与标注有附图标记110的内层定子线圈对应的外层定子线圈即是标注有附图标记210的那个外层定子线圈。
41.图5则示出了一个内层定子线圈110和与其径向对应的外层定子线圈210的放大图。
42.如图5所示，内层定子线圈110包括位于其径向内部的内层定子铁芯(未示出)，导线沿箭头所示的缠绕方向w(或者，在另一实施例中，与图示的方向w相反的方向)缠绕在内层定子铁芯上形成内层定子线圈110。
43.在图5的截面图中，内层定子线圈110的外轮廓呈大致扇形形状，并且具有沿周向方向c相反的第一侧边缘132和第二侧边缘134，并且具有位于径向最内侧的内侧边缘136和位于径向最外侧的内侧边缘138。
44.每个内层定子线圈110的内层定子铁芯具有在截面图中为大致梯形或大致矩形或大致方形或大致扇形的导线缠绕部分，对于每个内层定子线圈110的内层定子铁芯，导线缠绕部分具有在该垂直于轴向方向的截面图中与内层定子线圈110的内轮廓相符的轮廓并且沿着轴向方向z伸长。
45.在一些实施例中，每个内层定子线圈110的内层定子铁芯可以只包括位于内层定子线圈110内部的导线缠绕部分。在另外一些实施例中，为了实现定子组件到电机外壳或定子外壳的固定，每个内层定子线圈110的内层定子铁芯还可以包括与导线缠绕部分一体地形成或者附接到一起的其他延伸部分。例如，每个内层定子线圈110的内层定子铁芯可以是大致“工”或“t”字形，即还包括横向于导线缠绕部分从其伸出的其他部分。
46.同理，如图3-5所示，在截面图中，外层定子线圈210的外轮廓也呈大致扇形形状，并且具有在周向方向c上相反的第一侧边缘232和第二侧边缘234，并且具有位于径向最内侧的内侧边缘236和位于径向最外侧的外侧边缘238。
47.同理，每个外层定子线圈210的外层定子铁芯具有在该截面图中为大致梯形或大致矩形或大致方形或大致扇形的导线缠绕部分，对于每个外层定子铁芯，导线缠绕部分具有在该垂直于轴向方向的截面图中与外层定子线圈210的内轮廓相符的轮廓并且沿着轴向方向z伸长。
48.在一些实施例中，每个外层定子线圈210的外层定子铁芯可以只包括其缠绕的导线缠绕部分。在另外一些实施例中，为了实现定子组件到电机外壳或定子外壳的固定，每个外层定子线圈210的外层定子铁芯还可以包括与导线缠绕部分成一体或者附接到要求的其
他延伸部分。例如，每个外层定子线圈210的内层定子铁芯可以是大致“工”或“t”字形，即还包括横向于导线缠绕部分从其伸出的其他部分。
49.每个内层定子线圈110的内层定子铁芯可以与每个外层定子线圈210的外层定子铁芯的形状相同，或者可以不同。
50.在本技术中，定子组件30的内层定子线圈110与外层定子线圈210径向对准，意思是每一个内层定子线圈110的第一侧边缘132和第二侧边缘134分别与对应的外层定子线圈210的第一侧边缘232和第二侧边缘234大致径向对准，因而，内层定子线圈110与外层定子线圈210的扇形包角(相当于两个侧边缘相对于输出轴的中心轴线的夹角)和大致相等。
51.如上述的定子组件结构，当由所有内层定子线圈110的内侧边缘136构成的内圆周部具有最高容许温度时，每一个内层定子线圈110的匝数(圈数)n1基本上等于现有技术中每个定子线圈的匝数。然而，由所有外层定子线圈210的外层边缘236构成的外圆周部还没有达到最高容许温度，所以每一个外层定子线圈210的匝数n2可以大于现有技术中每个定子线圈的匝数，因而能够承载更大的电流。由于外层定子线圈组200的匝数增多，能输入更多的能量，使得本技术的盘式电机的功率密度得以提高。
52.图6示出了转子组件20的示意图，图7是图6的正视图，但仅清楚地显示了转子组件20的磁铁在垂直于轴向方向z的截面中的布置。转子组件20包括转子盘25和附接于转子盘25上的多个磁铁。
53.与定子组件30包括内层定子线圈组100和外层定子线圈组200相对应地，转子组件20的磁铁也包括位于径向内部因而靠近输出轴的中心轴线的内层磁铁组300和位于径向外面因而远离输出轴的中心轴线的外层磁铁组400。内层磁铁组300和外层磁铁组400分别包括围绕着轴向方向z、沿周向方向c布置的相同数量的内层磁铁310和外层磁铁410。内层磁铁组300中的每一个内层磁铁310具有位于其径向外侧并且与其对应的一个外层磁铁410，例如图6-8中具有附图标记的内层磁铁310和410是径向对应的内层磁铁和外层磁铁。
54.构成内层磁铁组300的内层磁铁310分成沿周向方向c布置且沿周向方向c彼此稍稍间隔开的多个内层磁铁子组310a，每一个内层磁铁子组310a包括两个或更多个内层磁铁310。在图示实施例中，内层磁铁310包括10个内层磁铁子组310a，每一个内层磁铁子组310由沿周向方向c邻接的5个内层磁铁310构成。
55.相应地，构成外层磁铁组400的外层磁铁410分成沿周向方向c布置且沿周向方向c彼此稍稍间隔开的多个外层磁铁子组410a，每一个外层磁铁子组410a包括两个或更多个外层磁铁410。在图示实施例中，外层磁铁410包括10个外层磁铁子组410a，每一个外层磁铁子组410由沿周向方向c邻接的5个外层磁铁410构成。沿周向方向相邻的两个外层磁铁子组410a之间、以及两个内层磁铁子组310a具有周向间隙。
56.参考图8，内层磁铁子组310a和外层磁铁子组410a以及各内层磁铁310和外层磁铁410径向对应，即内层磁铁310具有在周向方向c上相反的第一和二侧边缘332和334，外层磁铁410具有在周向方向c上相反的第一和二侧边缘432和434，内层磁铁310的第一侧边缘332和外层磁铁410的第一侧边缘432在径向方向r上大致对齐，并且内层磁铁310的第二侧边缘334和外层磁铁410的第二侧边缘434在径向方向r上大致对齐。内层磁铁310和外层磁铁410分别具有位于径向最内侧的内侧边缘336和436，和分别具有位于径向最外侧的外侧边缘338和438。由此，内层磁铁310具有通过第一和二侧边缘332和334、内侧边缘336和外侧边缘
338限定的扇形形状，外层磁铁410具有通过第一和二侧边缘432和434、内侧边缘436和外侧边缘438相等的扇形形状，径向对应的内层磁铁310限定的扇形形状与外层磁铁410的扇形形状具有大致相等的扇形包角。
57.由转子组件20的内层磁铁组300的所有内层磁铁310的内侧边缘336和外侧边缘338构成的内圆周部和外圆周部分别与由定子组件的内层定子线圈组100的各内层定子线圈110的内侧边缘136和外侧边缘138构成的内圆周部和外圆周部沿轴向方向z大致对准，由转子组件20的外层磁铁组400的所有外层磁铁410的内侧边缘436和外侧边缘438构成的内圆周部和外圆周部与由定子组件的外层定子线圈组200的各外层定子线圈210的内侧边缘236和外侧边缘238构成的内圆周部和外圆周部轴向方向z大致对准。
58.可选的，定子组件的内层或外层定子线圈组100或200中包含的周向布置的内层或外层定子线圈110或210的数量m1大于转子组件的内层或外层磁铁组300或400中包含的周向布置的内层或外层磁铁310的410的数量m2，优选地，数量m1为数量m2的1.5倍。
59.上面参考附图描述了本技术的优选实施例。本领域内的技术人员应理解，上面的描述仅仅是示例性的，并不意于将本技术的范围限制于图中示出的以及在上面描述的具体实施例中。在不偏离本技术的原理的情况下，盘式电机的具体结构或参数可以根据需要进行改变，例如、但不限于：内层或外层定子线圈组中包含的内层或外层定子线圈的数量；内层或外层磁铁组中包含的内层或外层磁铁的数量；内层定子线圈的第一或二侧边缘与外层定子线圈的第一或二侧边缘的径向尺寸比、即内层定子铁芯的导线缠绕部分的径向尺寸与外层定子铁芯的导线缠绕部分的径向尺寸的比；内层或外层定子线圈的内或外侧边缘的周向尺寸；内层定子线圈构成的外圆周部和外层定子线圈构成的内圆周部之间的径向气隙尺寸等等。本技术的保护范围仅由权利要求书限定。