CN101694955B - 横向磁通永磁电机及其定子制造方法 - Google Patents

Abstract

一种横向磁通永磁电机及其定子制造方法，该电机的轴向设有两相或三相电磁感应部件，每相电磁感应部件都由定子和转子组成。其中定子铁心由左、中、右三部分装配组成，该三部分定子铁心的接合面是以电机轴为对称轴的圆锥面。左、右两个部分的定子铁心是用多个外径相等的圆环形硅钢片叠加再经加工制成，该两个定子铁心中间为周边设有对称齿形的通孔，外部形状为一个向中间倾斜、半径逐渐减小的圆锥体面；中间部分的定子铁心是用一个等宽硅钢片沿轴向缠绕组成的薄壁圆筒状构件再经加工制成，其中间通孔两端设有与左、右两部分的定子铁心外径圆锥体面相吻合的内圆锥体面。本发明的定子结构能够有效减小电机的体积，提高电机的功率和转矩密度。

Description

横向磁通永磁电机及其定子制造方法

技术领域

本发明涉及一种结构新颖的永磁电机，确切地说，涉及一种横向磁通永磁电机及其定子制造方法，属于永磁电机技术领域。 

背景技术

随着机器人技术和航空航天领域的科技发展，人们对高功率密度、高转矩密度或直接驱动的电机的要求日益迫切和强烈。 

在传统的电机结构中，磁通经过的齿部和电枢绕组所在的凹槽位于同一截面，磁力线所在平面平行于电机的旋转方向，凹槽的宽度与齿部宽度互相制约。如果需要流经较大的电流，就要有较大的线圈截面空间，齿的宽度就受到影响(且因磁饱和的作用，会使磁通减小)；反之亦然。如果齿宽和凹槽宽度同时增大，则会增大电机的半径，使电机的转矩密度降低。如此，输出转矩难以得到根本的提高。因此，如何在不增大电机外径尺寸的前提下，进一步提高电机的转矩密度而提高其驱动力，就成为业内科技人员关注的新焦点。 

近年来，逐渐成为研究热点的横向磁通永磁电机，成为解决上述现有技术缺陷的突破，该电机的结构组成独特、巧妙，具有较高的功率和转矩密度。在高功率、低速大转矩的应用领域受到业内的深切关注。 

参见图1，介绍目前国内外研制的横向磁通永磁电机的定子结构，其基本上都是采用U形铁心在圆周方向均匀分布的方式，每两个定子铁心之间存在较大的间隙，因而在一定程度上浪费了U形铁心之间的空间，增加了电机的体积。这个不足之处急需改进和提高。 

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种定子铁心结构新颖的横向磁通永磁电 机及其定子制造方法，本发明电机的定子铁心采用一体化结构，通过计算选择合适的齿形与壁厚，使得磁力线所通过的面积近似相等，这样就能够减小该电机的外径和体积，进一步增加电机的转矩密度。 

为了达到上述目的，本发明提供了一种横向磁通永磁电机，设有定子、转子、电机轴、壳体和端盖，其中定子包括用硅钢片制成的定子铁心和线圈绕组；由定子与转子组成的多相电磁感应部件沿着电机的轴向设置；其特征在于： 

该电机的定子铁心是由左、中、右三部分装配组成，该三部分定子铁心的接合面是以电机轴为对称轴的圆锥面；其中左、右两个部分的定子铁心采用多个外径相等的圆环形硅钢片叠加再经加工制成，该两个定子铁心中间为周边设有对称齿形的通孔，外部形状为一个向中间倾斜、半径逐渐减小的圆锥体面；中间部分的定子铁心是用一个相等宽度的硅钢片沿轴向缠绕组成的薄壁圆筒状构件再经加工制成，其中间通孔两端设有与左、右两个部分的定子铁心外径圆锥体面相吻合的内圆锥体面； 

该电机的转子包括转子铁心和多个条状钕铁硼永磁体，转子铁心为外径设有多个U型凹槽的薄壁圆筒状构件，多个条状永磁体均匀地紧固在转子铁心外径的各个U型凹槽中，组成表面式结构的转子，与该电机的定子相配合，有效减小电机的外径和体积，提高电机的转矩密度； 

该电机设有两相或三相沿轴向分布的定子线圈绕组，每相定子线圈绕组嵌固在其定子铁心内，各相定子之间在圆周方向相差相同的电角度；沿着电机轴向设置的各相转子是藉由电机轴上的键槽定位的。 

所述紧固在转子铁心外径的各个U型凹槽内的条状永磁体，彼此相邻的两个条状永磁体的极性相反。 

为了达到上述目的，本发明还提供了一种横向磁通永磁电机的定子制造方法，其特征在于：先分别制造左、右两个部分和中间部分的定子铁心，再将缠绕好的线圈绕组嵌入该中间部分的定子铁心内部，然后将左、右两个部分定子铁心分别紧固在中间部分的定子铁心的左、右两侧内圆锥体内，构成一体化的定子组件；所述方法中，制造左、右两个部分的定子铁心的操作包括下列步骤： 

(1)将多个涂有绝缘漆的、外径相等的圆环形硅钢片根据设定的厚度叠加在一起，分别构成左、右两个部分的定子铁心的毛胚件； 

(2)根据定子铁心的设计参数，分别在定子铁心的毛胚件上加工两个对称的螺孔，并用螺钉将其螺固为一体； 

(3)把该两个定子铁心的毛胚件的中间通孔加工为直径相等、周边设有多个对称齿形的通孔，并将该毛胚件外径形状加工为一个向中间倾斜、半径逐渐减小的圆锥体面。 

所述方法中，制造中间部分的定子铁心的操作包括下列步骤： 

(1)将一条具有设定相同宽度及其相应长度、并涂有绝缘漆的硅钢片沿着圆柱形模具缠绕成薄壁圆筒状； 

(2)根据设计参数，在该薄壁圆筒状定子铁心的毛胚件上加工两个对称的螺孔，并用螺钉将其螺固为一体； 

(3)把该薄壁圆筒状定子铁心的左、右两端分别加工成为与左、右两个部分的定子铁心外径形状相吻合的圆锥体面。 

所述线圈绕组的加工和装配操作包括下列步骤： 

(1)根据电机和定子铁心的设计参数，将绕组缠绕成圆环状并浸泡绝缘漆； 

(2)将该线圈绕组嵌入到中间部分的定子铁心内孔，再将左、右两个部分的定子铁心藉由圆锥体面对称地紧固在线圈绕组的两侧，构成一相完整的定子。 

本发明横向磁通永磁电机的结构特点是：采用硅钢片制成的定子铁心是由左、中、右三部分零件装配制成，因此加工工艺和装配都较为简单、容易：左、右两个部分的定子铁心是用圆环形硅钢片叠加并经机加工制成，中间通孔周边设有等径、对称的齿形，其外形为一个圆锥体面；中间部分的定子铁心是用硅钢片沿轴向缠绕成薄壁筒状，并加工生成与左、右部分定子铁心相配合的圆锥面。这种定子铁心结构能充分利用电机空间，减小电机体积。绕组线圈形状为缠绕而成的圆环，圆环外径与定子铁心中间通孔的内径相等，绕组线圈镶嵌在定子铁心中间。转子由钕铁硼永磁体和转子铁心组成，转子采用表面式结构，永磁体均匀地分布在转子铁心外表面上，相邻的永磁体呈现不同极性。这种定、 转子结构能够有效减小电机的外径和体积，具有较高的功率和电机的转矩密度。同时，因定子铁心为叠加的硅钢片，线圈通电时，磁力线沿着硅钢片方向分布和传播，降低了电机的涡流损耗。 

本发明的横向磁通永磁电机设有沿电机转轴的轴向均匀分布的两相或三相电磁感应部件，每相电磁感应部件均由定子和转子组成。两相或三相的定子在径向均匀分布而间隔相同的电角度，各相转子也沿着轴向对齐，通过电机轴上的键槽来准确定位。每相转子的磁极在其轴向前后形成两个磁极环，彼此极性相差180°电角度。这种结构的电机，每相磁路各自独立，相互影响较小。 

附图说明

图1是现有技术中典型的采用U形铁心的横向磁通电机结构组成示意图。 

图2是本发明的三相横向磁通电机整体结构组成示意图。 

图3(A)、(B)、(C)分别是本发明电机的定子铁心的左、中、右三部分立体图。 

图4是本发明电机的定子铁心单个齿部的局部放大剖视图。 

图5是本发明电机的定子绕制成圆环形状的线圈示意图。 

图6是本发明电机的单相定子铁心结构组成示意图。 

图7是本发明电机的转子铁心组成结构图 

图8是本发明电机的转子组成结构示意图，其中永磁体均匀分布在转子铁心外表面上。 

图9是本发明电机的电机轴的结构示意图。 

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。 

参见图1，介绍本发明横向磁通永磁电机组成结构特点是：在电机的两侧端盖1与7和壳体4的内部，由用硅钢片制成的定子铁心2和线圈绕组6组成 的定子与由转子铁心9和永磁体8组成的转子组成的多相电磁感应部件沿着电机的电机轴5轴向设置，10为电机轴承，3为键槽及键。其中，电机的定子铁心2是由左、中、右三部分装配组成(参见图3和图4所示)，该三部分定子铁心2A、2B、2C的接合面是以电机轴5为对称轴的圆锥面；其中左、右两个部分的定子铁心2A、2C是用多个外径相等的圆环形硅钢片叠加再经加工制成，该两个定子铁心中间为周边设有对称齿形的通孔，外部形状为一个向中间倾斜、半径逐渐减小的圆锥体面。中间部分的定子铁心2B是用一个相等宽度的硅钢片沿轴向缠绕组成的薄壁圆筒状构件再经加工制成，其中间通孔两端设有与左、右两个部分的定子铁心外径圆锥体面相吻合的内圆锥体面。 

参见图5和图6，该电机设有两相或三相沿轴向分布的定子线圈绕组6，每相定子线圈绕组6嵌固在其定子铁心2内，各相定子2之间在圆周方向相差相同的电角度；沿着电机轴向设置的各相转子是藉由电机轴上的键槽3定位的。 

参见图7和图8，本发明电机的转子铁心9为外径设有多个U型凹槽的薄壁圆筒状构件，多个条状永磁体8均匀地紧固在转子铁心9外径的各个U型凹槽中，组成表面式结构的转子。且转子铁心9外径的各个U型凹槽内彼此相邻的条状永磁体8的极性相反。该电机的转子与定子相互配合，能有效减小电机的外径和体积，提高电机的转矩密度。 

本发明电机沿轴向分布的定子线圈绕组6有两相或三相，每相定子线圈绕组6都嵌固在定子铁心2内，各相定子2在圆周方向均匀设置而间隔相同的电角度；沿着电机轴5的轴向设置的各相转子是藉由电机轴上的键槽3定位的(参见图9)。 

下面介绍本发明横向磁通永磁电机的定子制造方法：先分别制造左、右两个部分和中间部分的定子铁心，再将缠绕好的线圈绕组嵌入该中间部分的定子铁心内部，然后将左、右两个部分定子铁心分别紧固在中间部分的定子铁心的左、右两侧内圆锥体内，构成一体化的定子组件。 

其中制造左、右两个部分的定子铁心2A、2C的操作包括下列步骤： 

(1)将多个涂有绝缘漆的、外径相等的圆环形硅钢片根据设定厚度叠加在 一起，分别构成左、右两个部分的定子铁心的毛胚件； 

(2)根据定子铁心的设计参数，在定子铁心的毛胚件上加工两个对称的螺孔，并用螺钉将其螺固为一体； 

(3)把该两个定子铁心的毛胚件的中间通孔加工为直径相等、周边设有多个对称齿形的通孔，并将该毛胚件外径形状加工为一个向中间倾斜、半径逐渐减小的圆锥体面； 

本发明制造中间部分的定子铁心2B的操作包括下列步骤： 

(1)将一条具有设定相同宽度及其相应长度、并涂有绝缘漆的硅钢片沿着圆柱形模具缠绕成薄壁圆筒状； 

(2)根据设计参数，在该薄壁圆筒状定子铁心的毛胚件上加工两个对称的螺孔，并用螺钉将其螺固为一体； 

(3)把该薄壁圆筒状定子铁心的左、右两端分别加工成为与左、右两个部分的定子铁心外径形状相吻合的圆锥体面。 

本发明定子线圈绕组6的加工和装配操作包括下列操作步骤： 

(1)根据电机和定子铁心的设计参数，将线圈绕组缠绕成圆环状并浸泡绝缘漆； 

(2)将该线圈绕组嵌入到中间部分的定子铁心内孔，再将左、右两个部分的定子铁心藉由圆锥体面对称地紧固在线圈绕组的两侧，构成一相完整的定子。 

申请人已经为本发明试验研制了一台三相横向磁通永磁电机，并作了多次运转试验实施，试验的结果是成功的实现了发明目的。 

Claims (5)

1.一种横向磁通永磁电机，设有定子、转子、电机轴、壳体和端盖，其中定子包括用硅钢片制成的定子铁心和线圈绕组；由定子与转子组成的多相电磁感应部件沿着电机的轴向设置；其特征在于：

该电机的定子铁心是由左、中、右三部分装配组成，该三部分定子铁心的接合面是以电机轴为对称轴的圆锥面；其中左、右两个部分的定子铁心采用多个外径相等的圆环形硅钢片叠加再经加工制成，该两个定子铁心中间为周边设有对称齿形的通孔，外部形状为一个向中间倾斜、半径逐渐减小的圆锥体面；中间部分的定子铁心是用一个相等宽度的硅钢片沿轴向缠绕组成的薄壁圆筒状构件再经加工制成，其中间通孔两端设有与左、右两个部分的定子铁心外径圆锥体面相吻合的内圆锥体面；

该电机的转子包括转子铁心和多个条状钕铁硼永磁体，转子铁心为外径设有多个U型凹槽的薄壁圆筒状构件，多个条状永磁体均匀地紧固在转子铁心外径的各个U型凹槽中，组成表面式结构的转子，与该电机的定子相配合，有效减小电机的外径和体积，提高电机的转矩密度；

该电机设有两相或三相沿轴向分布的定子线圈绕组，每相定子线圈绕组嵌固在其定子铁心内，各相定子之间在圆周方向相差相同的电角度；沿着电机轴向设置的各相转子是藉由电机轴上的键槽定位的。

2.根据权利要求1所述的横向磁通永磁电机，其特征在于：所述紧固在转子铁心外径的各个U型凹槽内的条状永磁体，彼此相邻的两个条状永磁体的极性相反。

3.一种横向磁通永磁电机的定子制造方法，其特征在于：先分别制造左、右两个部分和中间部分的定子铁心，再将缠绕好的线圈绕组嵌入该中间部分的定子铁心内部，然后将左、右两个部分定子铁心分别紧固在中间部分的定子铁心的左、右两侧内圆锥体内，构成一体化的定子组件；所述方法中，制造左、右两个部分的定子铁心的操作包括下列步骤：

(1)将多个涂有绝缘漆的、外径相等的圆环形硅钢片根据设定的厚度叠加在一起，分别构成左、右两个部分的定子铁心的毛胚件；

(2)根据定子铁心的设计参数，分别在定子铁心的毛胚件上加工两个对称的螺孔，并用螺钉将其螺固为一体；

(3)把该两个定子铁心的毛胚件的中间通孔加工为直径相等、周边设有多个对称齿形的通孔，并将该毛胚件外径形状加工为一个向中间倾斜、半径逐渐减小的圆锥体面。

4.根据权利要求3所述的定子制造方法，其特征在于：所述方法中，制造中间部分的定子铁心的操作包括下列步骤：

(1)将一条具有设定相同宽度及其相应长度、并涂有绝缘漆的硅钢片沿着圆柱形模具缠绕成薄壁圆筒状；

(2)根据设计参数，在该薄壁圆筒状定子铁心的毛胚件上加工两个对称的螺孔，并用螺钉将其螺固为一体；

(3)把该薄壁圆筒状定子铁心的左、右两端分别加工成为与左、右两个部分的定子铁心外径形状相吻合的圆锥体面。

5.根据权利要求3所述的定子制造方法，其特征在于，所述线圈绕组的加工和装配操作包括下列步骤：

(1)根据电机和定子铁心的设计参数，将绕组缠绕成圆环状并浸泡绝缘漆；

(2)将该线圈绕组嵌入到中间部分的定子铁心内孔，再将左、右两个部分的定子铁心藉由圆锥体面对称地紧固在线圈绕组的两侧，构成一相完整的定子。

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