CN108092425A - 一种新型电机定子 - Google Patents

Abstract

本发明为一种新型电机定子。该电机定子的组成包括定子基体、刚性柱体和垫片；所述的定子基体由定子硅钢片叠压而成；所述的定子硅钢片的每个定子凸极轭部，均开有一个圆孔；多片定子硅钢片叠压后，在形成了贯穿定子基体上的每一个孔内，均插入有一根刚性柱体，定子基体的两端，设置有螺母固定的垫片；所述的刚性柱体的直径与定子硅钢片上的圆孔直径相等，中部镀有长度等同于定子基体厚度的铜膜；铜膜的厚度为0.2～0.3mm。本定子结构能够在不影响转矩脉动控制的情况下减小振动，并且结构简单，有利于快速投入实际应用。

Description

一种新型电机定子

技术领域：

本发明是关于开关磁阻电机减小电磁振动领域，具体为新型电机定子。

背景技术：

开关磁阻电机由于其结构简单，容错能力强，具有高速运转特性和高性价比，引起了人们的广泛研究，其双凸极结构的特性，至今不能用有效的数学模型加以描述。在换相过程中，开关磁阻电机由于电磁力的瞬时变化使转矩脉动和电磁振动严重，限制了他的大规模应用，尤其是在高端精密设备上的应用。近年来人们采用控制方法和改变电机模型的方法在电机减振和减小转矩脉动上取得了一定的效果，但是通用性不是很强，控制转矩脉动与抑制电磁振动不能更好的兼顾。目前通用的定子如图1，原定子本身结构虽然坚固但是由于电磁力完全施加在其上，且不能很好地将电磁力带来的影响释放到电机外壳。还有一大类改进定子结构是通过改变电机定子齿与转子齿的外形来达到减振效果，如张鑫等的研究中(基于转子齿两侧开槽的开关磁阻电机振动抑制方法研究[J].中国电机工程学报,2015,35(06):1508-1515.)虽然能够达到一定的减振效果，但是对电机产生稳定的转矩造成了一定的影响，使输出转矩降低，转矩特性曲线波形畸变严重。

发明内容：

本发明的目的为针对当前技术中存在的不足，提供一种新型电机定子。该电机定子通过在电机定子硅钢片凸极轭部插入镀有铜膜的刚性柱体，通过铜膜具有绝缘磁场的能力，能够很好的减小刚性柱体的涡流损耗，避免发热严重，同时利用钢性柱体端部直接与电机的外壳螺母紧固，实现优异的减振效果。

本发明的技术方案为：

一种新型电机定子，其组成包括定子基体、刚性柱体和垫片；

所述的定子基体由定子硅钢片叠压而成；所述的定子硅钢片的每个定子凸极轭部，均开有一个圆孔；多片定子硅钢片叠压后，在形成了贯穿定子基体上的每一个孔内，均插入有一根刚性柱体，定子基体的两端，设置有螺母固定的垫片；

所述的刚性柱体的直径与定子硅钢片上的圆孔直径相等，中部镀有长度等同于定子基体厚度的铜膜；铜膜的厚度为0.2～0.3mm。

所述的定子硅钢片上的圆孔的直径为定子硅钢片轭部宽度的45～55％。

本发明的有益效果为:

本发明设计的新型电机定子，其减振效果比原结构提高了30％，噪声也有明显的减小。经过转矩脉动控制电路，可使其在相同转速条件下输出转矩不受影响。综上所述，本发明的新型电机定子结构能够在不影响转矩脉动控制的情况下减小振动，并且结构简单，有利于快速投入实际应用。

附图说明：

图1为当前常用定子的结构图；

图2为新型电机定子的结构图；

图3为打孔硅钢叠片的结构图；

图4为只包含前后端盖而无外壳的电机结构图；

图5为实施例1定子结构改进后打孔直径选择为4.5mm的在转矩脉动控制方式下输出的转矩特性曲线图；

图6为实施例2定子结构改进前在转矩脉动控制方式下输出的转矩特性曲线图；

图7为实施例1定子结构改进后打孔直径选择为4.5mm的振动加速度曲线图；

图8为实施例2定子结构改进前的振动加速度曲线图；

图9为实施例1-6中不同打孔直径和电流下的转矩特性曲线图；

图10为实施例2改进前电机的电磁振动力频谱图；

图11为实施例7-12中不同打孔直径和电流下的转矩特性曲线图；

图12为实施例7定子结构改进后打孔直径选择为8mm的振动波形图；

图13为实施例8定子结构改进前的振动波形图。

具体实施方式：

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1:

本发明所述的新型电机定子的结构如图2所示，其组成包括定子基体1、刚性柱体2和垫片4；

所述的定子基体1由如图3所示的定子硅钢片3叠压而成；所述的定子硅钢片3的每个定子凸极轭部，均开有一个圆孔；圆孔的直径为定子硅钢片3的轭部宽度的50％(即4.5mm)；多片定子硅钢片3叠压后，在形成了贯穿定子基体1上的每一个孔内，均插入有一根刚性柱体2，定子基体1的两端，设置有垫片4，通过螺母将刚性柱体2固定；

所述的刚性柱体2为高强度钢，刚性柱体1的直径与定子硅钢片上的圆孔直径相等，中部镀有长度等同于定子基体1厚度的铜膜；铜膜的厚度为0.2～0.3mm(本实施例具体为0.3mm)；

本实施例中具体电机定子结构参数如表1所示。

表1实施例1-6电机结构参数

所述的定子硅钢片3(是在市售标准牌号的定子硅钢片的基础上打孔而得)，由于磁阻电机工作在硅钢片磁饱和状态，且定转子之间最大的电磁力作用的部位为定转子齿部，因此将硅钢片的打孔位置设置在定子凸极轭部，能有效抵抗电磁力施加在定子齿部上的作用效果，考虑到机械强度的要求，圆孔均开在定子硅钢片3的每个定子凸极轭部的对称位置，如图3所示。

电机定子的安装组件有三部分，第一部分为如图3所示的已经打孔的定子硅钢片3叠压而成的定子基体1。第二部分为外部电镀均匀厚度的铜膜的刚性柱体2。在常温下可以使成型的刚性柱体直径略大于定子孔径，然后经过低温处理刚性柱体后使其直径略小于定子孔径，这样就可以在低温下将刚性柱体插入相应的定子孔径中，并且能够很好地抱死如图2。第三部分为采用垫片4压紧刚性柱体2，刚性柱体2与电机的外壳直接贯穿并用紧固螺母扎牢。图4所示为只包含前后端盖5而无外壳的电机结构。

从降低刚性柱体的涡流损耗出发，得出本实施例能有效绝缘磁场的铜膜最低厚度为0.3mm。推荐刚性柱体的材质为杨氏模量2.0×10¹¹Pa以上的高强度钢，本实施例采用16锰钢。本实施例硅钢片的材料为50W470。

采用振动测试仪和转矩测试系统分别对磁阻电机的振动特性和转矩特性进行测试。图5和图6分别为实施例1改进结构和实施例2原结构在转矩脉动控制方式下输出的转矩,可以看出两者的转矩特性基本相同。图7和图8为实施例1改进结构和实施例2原结构的振动加速度对比图,可以看出改进结构具有更小的振动加速度。

该电机突出的特点有三部分，一是电机定子硅钢片凸极轭部打了一定直径的孔，二是插入的刚性柱体外表面电镀了均匀厚度的铜膜，该铜膜具有绝缘磁场的能力，能够很好的减小刚性柱体的涡流损耗，避免发热严重。三是该钢性柱体端部直接与电机的外壳螺母垫片紧固，可以直接将定子硅钢片上的电磁力传递到电机外壳上，只要电机外壳固定牢固就会有非常好的减振效果。这其中最重要的部件是钢性柱体，其直径一定要与定子孔直径相同，这样才能够很好地使刚性柱体与电机定子抱死，使刚性柱体与定子接触部分成为整体。

实施例2-6

其它步骤同实施例1，不同之处为所述的定子硅钢片3上的圆孔直径和刚性柱体的直径的变化，分别为0mm,3mm,3.5mm,4mm和5mm。

这是因为圆孔直径的确定需要兼顾电机的工作特性-转矩特性的平稳性和减振效果两方面。一方面，不同孔径和不同电流下电机的转矩特性不同，本发明中通过实施例1-6不同孔径(0mm,3mm,3.5mm,4mm,4.5mm,5mm)不同电流(5A,10A,15A,20A)下电机的转矩特性如图9所示，可以看出，转矩上升过程中不同孔径与原结构相比上升趋势与幅值几乎没有变化，随着孔径的增大转矩平稳区域不断减少，转矩下降沿也逐渐提前，转矩波形畸变严重，对电机的性能产生了一定的影响；另一方面，实施例2原电机的电磁振动力频谱如图10所示，可以看出电机振动的主要频率在1000Hz及以下，而不同孔径下电机各阶振型固有频率如表2所示，因为开关磁阻电机振动主要是由低阶频率引起的，尤其是二阶固有频率，因此可以看出原结构的二阶固有频率与电机振动的主要频率较接近，随着孔径的增大，电机的二阶固有频率偏离电机振动的主要频率越远，因此孔径越大减振效果越好。综合上述可得出了本实施例电机的最佳打孔直径为4.5mm，打孔直径与轭部高度的比为50％左右。

表2实施例1-6不同孔径下各阶振型固有频率

实施例7

为验证打孔直径与轭部高度的比值，本发明仍然采用前所述的过程，对另一个型号的电机进行了减振研究，具体过程如下：

实施例7-12电机的相关数据如表格3所示，表格4为实施例7-12电机不同孔径条件下的固有频率，从数据可以看出，随着孔径的增加，电机的低阶模态固有频率有明显变化，而高阶模态变化不是很明显，因为影响电机振动主要是低阶的固有频率，因此会有很好的减振效果。

表3实施例7-12电机结构参数

其中，定子硅钢片3上的圆孔直径和刚性柱体的直径为8mm。

实施例8-12

其它步骤同实施例7，不同之处为所述的定子硅钢片3上的圆孔直径和刚性柱体的直径的变化，分别为0mm,6mm,7mm,9mm,10mm。

表4实施例7-12不同孔径下各阶振型固有频率

图11所示为实施例7-12不同打孔直径下的转矩特性曲线，如图中的箭头方向，从上到下，依次增大直径，步长为1mm，从转矩特性曲线图可以看出随着打孔直径的不断增加，输出转矩的下降沿不断提前，波形也有了很严重的畸变，为了能够不影响电机的运转性能，打孔直径需要一定的限制。本发明的打孔直径选择为8mm。

如图12和13分别为实施例7改进后采用打孔直径选择为8mm的定子结构和实施例8改进前的定子结构振动波形图，从图中可以看出，该方法的减振效果明显。

综合电机的转矩特性和定子模态，此处打孔直径选择为8mm，得出打孔直径与轭部高度的比仍约为50％左右。

综上所述，采用在电机定子硅钢片凸极轭部打孔的方法，打孔的直径与轭部高度的比约为50％左右，不仅能有效地使转矩不发生严重畸变又能改善电机的振动。

本发明未尽事宜为公知技术。

Claims (2)

1.一种新型电机定子，其特征为该电机定子的组成包括定子基体、刚性柱体和垫片；

所述的定子基体由定子硅钢片叠压而成；所述的定子硅钢片的每个定子凸极轭部，均开有一个圆孔；多片定子硅钢片叠压后，在形成了贯穿定子基体上的每一个孔内，均插入有一根刚性柱体，定子基体的两端，设置有螺母固定的垫片；

所述的刚性柱体的直径与定子硅钢片上的圆孔直径相等，中部镀有长度等同于定子基体厚度的铜膜；

所述的定子硅钢片上的圆孔的直径为定子硅钢片轭部宽度的45~55%。

2.如权利要求1所示的新型电机定子，其特征为铜膜的厚度为0.2~0.3mm。