CN108539946A - 分数槽集中绕组永磁无刷电机及其定子的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分数槽集中绕组永磁无刷电机及其定子的制造方法，属于电机及其制造领域。所述分数槽集中绕组永磁无刷电机包括定子和转子，所述定子包括定子铁芯和定子绕组，所述转子包括转子永磁体和转子铁芯，所述定子铁芯由软磁复合材料制成，所述定子铁芯包括定子轭和定子齿，所述定子齿包括定子齿身和定子齿顶，所述定子齿顶的轴向长度大于所述定子齿身的轴向长度，所述定子轭包括中间定子轭和设置于所述中间定子轭两端的端部定子轭，所述定子齿身设置于所述中间定子轭的内壁上。本发明在电机高速转动时能够降低转子损耗，进而提高电机的功率密度和转矩密度。
Description
技术领域
本发明涉及电机及其制造领域，特别是指一种分数槽集中绕组永磁无刷电机及其定子的制造方法。
背景技术
分数槽集中绕组永磁无刷电机具有绕组端部短、磁路路径短、轭部厚度小的优点，因此可以使分数槽集中绕组永磁无刷电机具有高转矩密度，适于电机的低速大转矩驱动。现有技术中的分数槽集中绕组分数槽集中绕组永磁无刷电机主要采用叠压硅钢材料作为其导磁材料，叠压硅钢材料具有高的不饱和导磁率的特性，但同时具有各向异性的磁特性和高频下铁耗高的缺陷，因此该种电机只能用于低速场合。分数槽集中绕组的分数槽集中绕组永磁无刷电机尽管具有很短的绕组端部，但是这一绕组端部只是电机槽中导体的连接部分，而且仍占用电机的轴向空间，从而影响到该种电机的转矩密度和运行效率。
软磁复合材料是一种新型导磁材料，与普通硅钢导磁材料相比，具有高频率下低铁耗及各向同性的磁特性，但其导磁率低于硅钢导磁材料。将软磁复合材料用于分数槽集中绕组分数槽集中绕组永磁无刷电机中，不但可以使电机高速运行，从而使电机具有高功率密度，而且可以充分利用软磁复合材料的各向同性的磁特性，使电机具有三维磁路结构，从而使电机的绕组端部及端部空间得到充分利用，使电机具有更高的转矩密度、功率密度和运行效率。
目前软磁复合材料主要用于盘式电机及外转子电机中，如专利CN203554080U公开的高功率密度的电机定子铁芯结构及应用其的电机中，其定子铁芯由软磁材料构成；专利CN104377846A公开的盘式转子马达中，其定子齿由软磁材料粉构成；以及专利CN103595215A公开的轴向磁场永磁无刷直流电机中，其定子齿由软磁材料粉构成。但是上述三个专利中的电机在高速转动时，会存在较大的转子损耗，因此只能用于低转速中，电机的功率密度和转矩密度较低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种在电机高速转动时能够降低转子损耗，进而提高电机的功率密度和转矩密度的分数槽集中绕组永磁无刷电机及其定子的制造方法。
为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：
一种分数槽集中绕组永磁无刷电机，包括定子和转子，所述定子包括定子铁芯和定子绕组，所述转子包括转子永磁体和转子铁芯，所述定子铁芯由软磁复合材料制成，所述定子铁芯包括定子轭和定子齿，所述定子齿包括定子齿身和定子齿顶，所述定子齿顶的轴向长度大于所述定子齿身的轴向长度，所述定子轭包括中间定子轭和设置于所述中间定子轭两端的端部定子轭，所述定子齿身设置于所述中间定子轭的内壁上。
进一步的，所述中间定子轭的轴向长度与所述定子齿身的轴向长度相等。
进一步的，所述中间定子轭的内壁上设置有若干均匀分布的与所述定子齿身相配合的凹槽。
进一步的，所述转子永磁体的轴向长度与所述转子铁芯的轴向长度相等，并且大于所述定子齿身的轴向长度。
进一步的，所述转子铁心采用叠轧硅钢片材料制成。
进一步的，所述转子永磁体的结构为内置磁体结构、表面贴式结构或者表面插入结构。
进一步的，所述转子铁芯的轴向长度与所述转子永磁体的轴向长度相同，均大于所述定子齿身的轴向长度。
上述分数槽集中绕组永磁无刷电机的定子的制造方法，包括：
步骤1：采用软磁复合材料模具压制出所述定子齿；
步骤2：在与所述定子绕组接触的所述定子齿的各个面上放置绝缘层，然后将所述定子绕组套在定子齿上；
步骤3：分别采用软磁复合材料模具压制所述端部定子轭和中间定子轭；
步骤4：在所述端部定子轭的内壁上以及所述中间定子轭与定子齿身非接触的内壁上放置绝缘层；
步骤5：将套好所述定子绕组的定子齿粘在所述中间定子轭的内壁上，然后将端部定子轭粘接在所述中间定子轭的两端。
进一步的，所述步骤1和步骤3中，当所述定子齿和/或定子轭的轴向长度小于300mm时，采用一套软磁复合材料模具直接压制而成；当所述定子齿的轴向长度大于等于300mm时，采用一套软磁复合材料模具压制出两段或三段轴向长度相同的分段定子齿，然后将所述分段定子齿粘接形成所述定子齿。
进一步的，所述步骤3中，当所述定子轭的直径小于200mm时，采用一套软磁复合材料模具直接压制而成；当所述定子轭的直径大于等于200mm时，将所述定子轭沿其圆周方向分成相同的多个分段定子轭，采用一套软磁复合材料模具压制出所述分段定子轭，然后将多个分段定子轭粘接形成所述定子轭。
本发明具有以下有益效果：
首先，与现有技术相比，本发明的分数槽集中绕组永磁无刷电机的定子铁芯采用软磁复合材料制成，转子铁芯采用叠压硅钢材料制成，避免了转子铁芯采用软磁复合材料带来的机械强度不足的问题，并且由于转子铁芯不存在基频铁耗，电机在高速转动时，即使转子铁芯采用叠压硅钢材料，也不会产生较大的转子损耗。本发明的分数槽集中绕组永磁无刷电机可以在高速高频状态下运行，能够提高电机的功率密度和转矩密度。
其次，本发明的分数槽集中绕组永磁无刷电机中，定子铁芯包括定子轭和定子齿，其中，定子轭包括中间定子轭和设置于中间定子轭两端的端部定子轭，这种结构使得中间定子轭和端部定子轭可以分别采用软磁复合材料模具压制成型；定子齿包括定子齿身和定子齿顶，定子齿身设置在中间定子轭的内壁上，并且定子齿顶的轴向长度大于定子齿身的轴向长度，这样不但可以充分利用定子绕组的端部空间，而且定子绕组端部的铜线也会产生电磁转矩，有利于提高电机的功率密度、转矩密度和运行效率。
再次，本发明的分数槽集中绕组永磁无刷电机中的定子铁心的定子轭和定子齿分开压制，采用的软磁复合材料模具简单，能够获得所希望形状的定子铁心；并且采用分开压制的方式可以将定子绕组直接套在定子齿上，定子绕组无需从定子的槽口嵌放，有利于缩短定子绕组端部的长度，同时定子齿的宽度可以很小，有利于降低电机的有效气隙长度，从而减少了转子永磁体的用量。
附图说明
图1为本发明的分数槽集中绕组永磁无刷电机的定子和转子的装配结构示意图；
图2为本发明的分数槽集中绕组永磁无刷电机的定子齿的一种结构示意图；
图3为本发明的分数槽集中绕组永磁无刷电机的定子齿的另一种结构示意图；
图4为本发明的分数槽集中绕组永磁无刷电机的定子铁心的结构示意图；
图5为本发明的分数槽集中绕组永磁无刷电机的定子轭的结构示意图；
图6为本发明的分数槽集中绕组永磁无刷电机的中间定子轭的结构示意图；
图7为本发明的分数槽集中绕组永磁无刷电机中放置定子铁心的中间定子轭的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
一方面，本发明提供一种分数槽集中绕组永磁无刷电机，如图1至图7所示，包括定子1和转子2，定子1包括定子铁芯1-1和定子绕组1-2，转子2包括转子永磁体2-1和转子铁芯2-2，定子铁芯1-1由软磁复合材料制成，定子铁芯1-1包括定子轭1-1-1和定子齿1-1-2，定子齿1-1-2包括定子齿身1-1-21和定子齿顶1-1-22，定子齿顶1-1-22的轴向长度大于定子齿身1-1-21的轴向长度，定子轭1-1-1包括中间定子轭1-1-11和设置于中间定子轭1-1-11两端的端部定子轭1-1-12，定子齿身1-1-21设置于中间定子轭1-1-11的内壁上。
定子齿身1-1-21的轴向两端可以是平面结构，如图2所示；也可以是半圆柱结构，如图3所示。定子齿身1-1-21用于放置定子绕组线圈1-2，如图4所示。定子齿顶1-1-22的轴向长度大于定子齿身1-1-21的轴向长度，如图2和图3所示。定子轭1-1包括中间定子轭1-1-11和端部定子轭1-1-12，如图5所示。中间定子轭1-1-11在内壁开有凹槽1-1-12-1，用于定位定子齿1-1-2和安装定子齿身1-1-21。端部定子轭1-1-12为圆筒型，用于粘在中间定子轭1-1-11的轴向两端。中间定子轭1-1-11的轴向长度与定子齿身1-1-21的轴向长度相同，因此定子轭1的轴向长度大于定子齿身1-1-21的轴向长度，定子轭1的轴向长度一般也会大于定子齿顶1-1-22的轴向长度。
转子2由转子永磁体2-1和转子铁心2-2构成，图1所示的转子永磁体结构为内置磁体结构，且每个磁极只有一块永磁体。实际上，转子永磁体2-1的结构可以是表面贴装式结构，即转子铁心2-2表面光滑，将转子永磁体2-1制成瓦片结构镶嵌在转子铁心2-2的表面；转子永磁体2-1的结构也可以是表面插入式结构，转子铁心2-2表面有凸起燕尾结构，用于插入转子永磁体2-1；转子永磁体2-1的结构也可以是其他的内置式磁极，比如V型结构、U型结构和W型结构等。
转子铁心2-2采用叠压硅钢材料构成。转子铁心2-2的轴向长度与转子永磁体2-1的轴向长度相同，都大于定子齿身1-1-21的轴向长度，一般可以和定子齿顶1-1-22的轴向长度相同。
另一方面，本发明提供一种上述分数槽集中绕组永磁无刷电机的定子的制造方法：
采用软磁复合材料模具压制定子齿1-1-2。如果定子齿1-1-2的轴向长度小于300mm，可以采用一套软磁复合材料模具直接压制出定子齿1-1-2，如果定子齿的轴向长度大于等于300mm，可以将定子齿1-1-2沿轴向平均分成两部分，采用一套软磁复合材料模具压制出1/2的定子齿，两个1/2的定子齿粘在一起形成一个定子齿1-1-2；如果定子齿2的轴向长度大于等于500mm，则可以将定子齿1-1-2沿轴向分成3部分，两端部分完全相同，包括定子齿身1-1-21的轴向端部和定子齿顶1-1-22的轴向端部，采用一套软磁复合材料模具压制，定子齿1-1-2的中间部分采用另一套软磁复合材料模具压制，这样压制定子齿1-1-2需要两套不同软磁复合材料模具，压制成型后各部分粘在一起构成整体的定子齿1-1-2。
定子齿1-1-2成型后，需要在与定子绕组线圈1-2相接触的定子齿1-1-2的各个面上放置绝缘层，用以在电上隔绝定子绕组线圈1-2和定子齿1-1-2。之后将成型的定子绕组线圈1-2套在定子齿身1-1-21上，如图4所示。
采用软磁复合材料模具压制定子轭1-1-1。如果端部定子轭1-1-12的直径小于200mm，可以采用一套软磁复合材料模具直接压制而成；如果端部定子轭1-1-12的直径大于等于200mm，可以沿端部定子轭1-1-12的圆周方向将其分成相同的多个分段端部定子轭，采用一套软磁复合材料模具压制各分段端部定子轭，然后将各分段端部定子轭粘在一起形成整体的端部定子轭1-1-12，然后在端部定子轭1-1-12的内壁放置绝缘层，
如果中间定子轭1-1-11的直径小于200mm，可以采用一套软磁复合材料模具直接压制成型；如果中间定子轭1-1-11的直径大于等于200mm，可以沿圆周方向分成相同的多个分段中间定子轭，采用一套软磁复合材料模具压制各分段中间定子轭，然后将各分段中间定子轭粘在一起形成整体的中间定子轭1-1-11；如果中间定子轭1-1-11的轴向长度大于等于300mm，可以沿轴向分成相同的多个分段中间定子轭，采用一套软磁复合材料模具压制各分段中间定子轭，然后将各分段中间定子轭粘在一起形成整体的中间定子轭1-1-11；如果中间定子轭1-1-11不但直径大于等于200mm，而且轴向长度也大于等于300mm，则可以将中间定子轭1-1-11沿圆周方向将其分成相同的多个分段中间定子轭，并沿轴向将其分成相同的多个分段中间定子轭，最终也是采用一套软磁复合材料模具压制各分段中间定子轭，然后将各分段中间定子轭粘在一起形成整体的中间定子轭1-1-11。在中间定子轭1-1-11制成后，在其内壁非凹槽部分1-1-11-2放置绝缘层。
将放置好定子绕组线圈1-2的定子齿1-1-2粘在中间定子轭1-1-11的凹槽1-1-11-1中，然后将端部定子轭1-1-12分别粘在中间定子轭1-1-11的两端，整体成型定子1，如图7所示。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
首先，本发明的分数槽集中绕组永磁无刷电机的定子铁芯采用软磁复合材料制成，转子铁芯采用叠压硅钢材料制成，避免了转子铁芯采用软磁复合材料带来的机械强度不足的问题，并且由于转子铁芯不存在基频铁耗，电机在高速转动时，即使转子铁芯采用叠压硅钢材料，也不会产生较大的转子损耗。本发明的分数槽集中绕组永磁无刷电机可以在高速高频状态下运行，能够提高电机的功率密度和转矩密度。
其次，本发明的分数槽集中绕组永磁无刷电机中，定子铁芯包括定子轭和定子齿，其中，定子轭包括中间定子轭和设置于中间定子轭两端的端部定子轭，这种结构使得中间定子轭和端部定子轭可以分别采用软磁复合材料模具压制成型；定子齿包括定子齿身和定子齿顶，定子齿身设置在中间定子轭的内壁上，并且定子齿顶的轴向长度大于定子齿身的轴向长度，这样不但可以充分利用定子绕组的端部空间，而且定子绕组端部的铜线也会产生电磁转矩，有利于提高电机的功率密度、转矩密度和运行效率。
再次，本发明的分数槽集中绕组永磁无刷电机中的定子铁心的定子轭和定子齿分开压制，采用的软磁复合材料模具简单，能够获得所希望形状的定子铁心；并且采用分开压制的方式可以将定子绕组直接套在定子齿上，定子绕组无需从定子的槽口嵌放，有利于缩短定子绕组端部的长度，同时定子齿的宽度可以很小，有利于降低电机的有效气隙长度，从而减少了转子永磁体的用量。
最后，本发明的分数槽集中绕组永磁无刷电机与常规永磁无刷电机相比，在保证电机效率近似不变的前提下，电机的功率密度提高30％，电机的成本降低10％。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种分数槽集中绕组永磁无刷电机，包括定子和转子，所述定子包括定子铁芯和定子绕组，所述转子包括转子永磁体和转子铁芯，所述定子铁芯由软磁复合材料制成，其特征在于，所述定子铁芯包括定子轭和定子齿，所述定子齿包括定子齿身和定子齿顶，所述定子齿顶的轴向长度大于所述定子齿身的轴向长度，所述定子轭包括中间定子轭和设置于所述中间定子轭两端的端部定子轭，所述定子齿身设置于所述中间定子轭的内壁上。
2.根据权利要求1所述的分数槽集中绕组永磁无刷电机，其特征在于，所述中间定子轭的轴向长度与所述定子齿身的轴向长度相等。
3.根据权利要求2所述的分数槽集中绕组永磁无刷电机，其特征在于，所述中间定子轭的内壁上设置有若干均匀分布的与所述定子齿身相配合的凹槽。
4.根据权利要求3所述的分数槽集中绕组永磁无刷电机，其特征在于，所述转子永磁体的轴向长度与所述转子铁芯的轴向长度相等，并且大于所述定子齿身的轴向长度。
5.根据权利要求1至4中任一所述的分数槽集中绕组永磁无刷电机，其特征在于，所述转子铁心采用叠轧硅钢片材料制成。
6.根据权利要求5所述的分数槽集中绕组永磁无刷电机，其特征在于，所述转子永磁体的结构为内置磁体结构、表面贴式结构或者表面插入结构。
7.根据权利要求6所述的分数槽集中绕组永磁无刷电机，其特征在于，所述转子铁芯的轴向长度与所述转子永磁体的轴向长度相同，均大于所述定子齿身的轴向长度。
8.权利要求1至7中任一所述的分数槽集中绕组永磁无刷电机的定子的制造方法，其特征在于，包括：
步骤1：采用软磁复合材料模具压制出所述定子齿；
步骤2：在与所述定子绕组接触的所述定子齿的各个面上放置绝缘层，然后将所述定子绕组套在定子齿上；
步骤3：分别采用软磁复合材料模具压制所述端部定子轭和中间定子轭；
步骤4：在所述端部定子轭的内壁上以及所述中间定子轭与定子齿身非接触的内壁上放置绝缘层；
步骤5：将套好所述定子绕组的定子齿粘在所述中间定子轭的内壁上，然后将端部定子轭粘接在所述中间定子轭的两端。
9.根据权利要求8中所述的定子的制造方法，其特征在于，所述步骤1和步骤3中，当所述定子齿和/或定子轭的轴向长度小于300mm时，采用一套软磁复合材料模具直接压制而成；当所述定子齿的轴向长度大于等于300mm时，采用一套软磁复合材料模具压制出两段或三段轴向长度相同的分段定子齿，然后将所述分段定子齿粘接形成所述定子齿。
10.根据权利要求8中所述的定子的制造方法，其特征在于，所述步骤3中，当所述定子轭的直径小于200mm时，采用一套软磁复合材料模具直接压制而成；当所述定子轭的直径大于等于200mm时，将所述定子轭沿其圆周方向分成相同的多个分段定子轭，采用一套软磁复合材料模具压制出所述分段定子轭，然后将多个分段定子轭粘接形成所述定子轭。
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