CN108880049B - 一种定子组件以及多层正弦绕组的无槽高速永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种定子组件以及多层正弦绕组的无槽高速永磁电机，定子组件包括定子铁芯以及多层线圈绕组层，多层线圈绕组层安装于定子铁芯的内侧面，且在径向上呈内外层分布，每层线圈绕组层包括交替设置的第一单元、第二单元和第三单元，第一单元、第二单元和第三单元均包括设定数量的线圈绕组，且相邻层上的第一单元、第二单元和第三单元呈错位设置。本发明提供的技术方案中，多层正弦绕组的无槽高速永磁电机的定子铁芯为无齿槽结构且线圈绕组层呈错位设置，消除电枢反应磁场的径向气隙磁密的齿谐波并大幅度减小特征谐波，能够更好的提升电枢反应磁场的径向气隙磁密的正弦度，且相绕组空间布置，层间不叠绕，可以减小端部绕组的轴向长度。

Description

一种定子组件以及多层正弦绕组的无槽高速永磁电机

技术领域

本发明涉及电机技术领域，特别涉及一种定子组件以及多层正弦绕组的无槽高速永磁电机。

背景技术

近年来，电机的应用已经在农业、工业、交通运输、军工以及航空航天等领域不断扩展，同时也得到较好的应用。与此同时，许多应用领域对电机性能的要求也越来越高，如电机转速高速化、电机体积小型化以及更低的振动噪声指标、更高的效率等。传统的电机材料、电力电子技术、设计方法和设计结构等已经很难达到许多应用场合的高要求。在不断提升电机性能要求的推动下，通过采用新的电机设计方法和拓扑结构、提升电力电子技术、改良电机制造工艺、发展新型电工材料等将会是最大化提升电机性能的首选。

现有电机的定子多采用齿槽结构的单层或双层绕组，这种结构将使电机气隙内的齿槽电磁谐波和特征电磁谐波含量相当丰富，这将非常不利于电机振动噪声性能的改善；同时，高速或超高速表贴式永磁电机的转子永磁体和金属护套上的涡流效应也将加剧，由于转子的散热困难，容易造成转子永磁体的局部失磁甚至不可逆热退磁，降低电机的性能；通常采用两极结构的高速或超高速电机绕组端部也很长，电机体积也难以达到小型化的要求。永磁电机高速化、小型化以及大幅度减小转子永磁体发热等都是高速永磁电机在许多应用领域急需解决的问题。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种定子组件以及多层正弦绕组的无槽高速永磁电机，旨在设计一种能减小永磁体的涡流发热，能向高速化和小型化方向发展的电机。

为实现上述目的，本发明提出的一种定子组件，用于多层正弦绕组的无槽高速永磁电机，所述定子组件包括：

定子铁芯；以及，

多层线圈绕组层，安装于所述定子铁芯的内侧面，且在径向上呈内外层分布，每层所述线圈绕组层包括交替设置的第一单元、第二单元和第三单元，所述第一单元、所述第二单元和所述第三单元均包括设定数量的线圈绕组，且相邻层上的所述第一单元、所述第二单元和所述第三单元呈错位设置。

优选地，所述多层线圈绕组层的层数为N，且N≥3。

优选地，每层所述线圈绕组层的所述第一单元、所述第二单元和所述第三单元的个数均相同，且所述第一单元、所述第二单元和所述第三单元均包括相同个数的线圈绕组。

优选地，每层所述线圈绕组层的线圈绕组的个数为Q，且Q＝2mqp，其中，m为电机相数，q为大于等于所述多层线圈绕组层的层数的整数，p为极对数。

优选地，每个所述线圈绕组的线圈匝数相同。

优选地，相邻层上的所述第一单元、所述第二单元和所述第三单元沿周向上同一方向呈依次错开一个所述线圈绕组设置。

优选地，每层所述线圈绕组层上的所述第一单元、所述第二单元和所述第三单元均设有多个，且沿所述线圈绕组层的周向按照所述第一单元、所述第二单元和所述第三单元的顺序依次排布，相邻层上的所述第一单元、所述第二单元和所述第三单元一一对应且呈错位设置。

优选地，每层所述线圈绕组层上的所述第一单元、所述第二单元和所述第三单元均设有两个。

优选地，所述多层线圈绕组层呈同心设置，所述多层线圈绕组层的相绕组呈空间布置，层间不叠绕。

本发明提出的一种多层正弦绕组的无槽高速永磁电机，包括：

定子组件，包括定子铁芯以及多层线圈绕组层，所述多层线圈绕组层安装于所述定子铁芯的内侧面，且在径向上呈内外层分布，每层所述线圈绕组层包括交替设置的第一单元、第二单元和第三单元，所述第一单元、所述第二单元和所述第三单元均包括设定数量的线圈绕组，且相邻层上的所述第一单元、所述第二单元和所述第三单元呈错位设置；以及，

转子组件，套设于所述多层线圈绕组层的内侧。

本发明提供的技术方案中，所述多层正弦绕组的无槽高速永磁电机的定子铁芯为无齿槽结构，其中，无齿槽结构消除了主磁场和电枢反应磁场的气隙磁密齿谐波，所述多层线圈绕组层的交错分布可以大幅减小电枢反应磁场的径向气隙磁密的特征谐波，从而能够更好的提升电枢反应磁场的径向气隙磁密的正弦度，并能很好的抑制电机电磁激励的振动与噪声，并且，每层绕组采用同心式结构，层间不交叉，可以是电机具有更短的绕组轴向长度，有利于减小电机的体积、重量以及相绕组的电阻和电感。本发明尤其适用是两极高速或超高速表贴式永磁电机，电枢反应磁场的径向气隙磁密的高正弦度有利于减小转子永磁体及金属护套的涡流损耗，为实现大功率下的高功率密度高速或超高速电机提供强有力的保证。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明提供的多层正弦绕组的无槽高速永磁电机的一实施例的结构示意图；

图2为图1中的多层正弦绕组的无槽高速永磁电机的电枢反应磁场的径向气隙磁密分布图；

图3为图1中的多层正弦绕组的无槽高速永磁电机的电枢反应磁场的径向气隙磁密频谱图。

附图标号说明：

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动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。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提供一种多层正弦绕组的无槽高速永磁电机，图1为本发明提供的多层正弦绕组的无槽高速永磁电机的一实施例。

请参阅图1，所述多层正弦绕组的无槽高速永磁电机包括定子组件以及转子组件，所述转子组件套设于所述定子组件的多层线圈绕组层的内侧。所述转子组件包括转子铁芯1和安装于所述转子铁芯1的永磁体2，所述永磁体2与所述多层线圈绕组层之间形成气隙3。

具体地，请参阅图1，在本实施例中，所述定子组件包括定子铁芯5以及多层线圈绕组层，所述多层线圈绕组层安装于所述定子铁芯1的内侧面(所述定子铁芯1呈环状设置，所述多层线圈绕组层可以通过粘接等方式固定于所述定子铁芯1，所述多层线圈绕组层可以通过灌胶的方式一体成型后安装于所述定子铁芯1)，且在径向上呈内外层分布，每层所述线圈绕组层包括交替设置的第一单元4a、第二单元4b和第三单元4c，所述第一单元4a、所述第二单元4b和所述第三单元4c均包括设定数量的线圈绕组4，且相邻层上的所述第一单元4a、所述第二单元4b和所述第三单元4c呈错位设置。

本发明提供的技术方案中，所述多层正弦绕组的无槽高速永磁电机的定子铁芯5为无齿槽结构，其中，无齿槽结构消除了主磁场和电枢反应磁场的气隙磁密齿谐波，所述多层线圈绕组层的交错分布可以大幅减小电枢反应磁场的径向气隙磁密的特征谐波，从而能够更好的提升电枢反应磁场的径向气隙磁密的正弦度，并能很好的抑制电机电磁激励的振动与噪声，并且，每层绕组采用同心式结构，层间不交叉，可以是电机具有更短的绕组轴向长度，有利于减小电机的体积、重量以及相绕组的电阻和电感。本发明尤其适用是两极高速或超高速表贴式永磁电机，电枢反应磁场的径向气隙磁密的高正弦度有利于减小转子永磁体及金属护套的涡流损耗，为实现大功率下的高功率密度高速或超高速电机提供强有力的保证。

具体地，请参阅图1，在本实施例中，每层所述线圈绕组层的所述第一单元4a、所述第二单元4b和所述第三单元4c的个数均相同(具体地，在本实施例中，每层所述线圈绕组层上的所述第一单元4a、所述第二单元4b和所述第三单元4c均设有两个)，且所述第一单元4a、所述第二单元4b和所述第三单元4c均包括相同个数的线圈绕组4，这样加工工艺较为简单，所述多层线圈绕组层形成的磁场也会较为均匀。通常地，每层所述线圈绕组层的线圈绕组4的个数为Q，且Q＝2mqp，其中，m为电机相数，q为大于等于所述多层线圈绕组层的层数的整数，p为极对数。

同样是为了形成较为均衡的磁场，在本实施例中，每个所述线圈绕组4的线圈匝数相同。

相邻层上的所述第一单元4a、所述第二单元4b和所述第三单元4c呈错位设置，具体地，请参阅图1，在本实施例中，相邻层上的所述第一单元4a、所述第二单元4b和所述第三单元4c沿周向上同一方向呈依次错开一个所述线圈绕组4设置，请参阅图2和图3，所述多层正弦绕组的无槽高速永磁电机的电枢反应磁场的径向气隙磁密相对值的基波含量为0.158，其总谐波畸变率(THD)为0.99％，无齿槽谐波，同时特征谐波含量也极小。所述多层正弦绕组的无槽高速永磁电机可以有效的减小电枢反应磁场径向气隙磁密的总谐波畸变率，提高径向气隙磁密的正弦度。

请参阅图1，在本实施例中，每层所述线圈绕组层上的所述第一单元4a、所述第二单元4b和所述第三单元4c均设有多个，且沿所述线圈绕组层的周向按照所述第一单元4a、所述第二单元4b和所述第三单元4c的顺序依次排布，相邻层上的所述第一单元4a、所述第二单元4b和所述第三单元4c一一对应且呈错位设置，这样加工工艺较为简单，所述多层线圈绕组层形成的磁场也会较为均匀。

请参阅图1，在本实施例中，所述多层线圈绕组层呈同心设置(具体地，在本实施例中，所述多层线圈绕组层的层数为N，且N≥3)，所述多层线圈绕组层的相绕组(即为所述第一单元4a、所述第二单元4b和所述第三单元4c)呈空间布置，层间不叠绕，因为所述多层正弦绕组的无槽高速永磁电机的相绕组为同层同心式结构，相绕组空间布置，层间不叠绕，故所述多层正弦绕组的无槽高速永磁电机的绕组轴向长度将比现有层间叠绕的绕组分布方式的电机绕组的轴向长度要短，这样有利于减小电机的体积、重量以及相绕组的电阻和电感。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种定子组件，用于多层正弦绕组的无槽高速永磁电机，其特征在于，所述定子组件包括：

定子铁芯；以及，

多层线圈绕组层，安装于所述定子铁芯的内侧面，且在径向上呈内外层分布，每层所述线圈绕组层包括交替设置的第一单元、第二单元和第三单元，所述第一单元、所述第二单元和所述第三单元均包括设定数量的线圈绕组，且相邻层上的所述第一单元、所述第二单元和所述第三单元呈错位设置；多层多数线圈绕组层通过灌胶方式设置为一体，多层所述线圈绕组层通过粘接方式固定于所述定子铁芯；

每层所述线圈绕组层的所述第一单元、所述第二单元和所述第三单元的个数均相同，且所述第一单元、所述第二单元和所述第三单元均包括相同个数的线圈绕组；

每层所述线圈绕组层上的所述第一单元、所述第二单元和所述第三单元均设有多个，且沿所述线圈绕组层的周向按照所述第一单元、所述第二单元和所述第三单元的顺序依次排布，相邻层上的所述第一单元、所述第二单元和所述第三单元一一对应且呈错位设置；

所述多层线圈绕组层呈同心设置，所述多层线圈绕组层的相绕组呈空间布置，层间不叠绕。

2.如权利要求1所述的定子组件，其特征在于，所述多层线圈绕组层的层数为N，且N≥3。

3.如权利要求1所述的定子组件，其特征在于，每层所述线圈绕组层的线圈绕组的个数为Q，且Q＝2mqp，其中，m为电机相数，q为大于等于所述多层线圈绕组层的层数的整数，p为极对数。

4.如权利要求3所述的定子组件，其特征在于，每个所述线圈绕组的线圈匝数相同。

5.如权利要求1所述的定子组件，其特征在于，相邻层上的所述第一单元、所述第二单元和所述第三单元沿周向上同一方向呈依次错开一个所述线圈绕组设置。

6.如权利要求1所述的定子组件，其特征在于，每层所述线圈绕组层上的所述第一单元、所述第二单元和所述第三单元均设有两个。

7.一种多层正弦绕组的无槽高速永磁电机，其特征在于，包括：定子组件，为如权利要求1至6任意一项所述的定子组件；以及，转子组件，套设于所述多层线圈绕组层的内侧。

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