CN110011436A

CN110011436A - 一种组合式永磁无刷电机定子及制作方法

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Publication number: CN110011436A
Application number: CN201910200571.2A
Authority: CN
Inventors: 杨世国
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-03-16
Filing date: 2019-03-16
Publication date: 2019-07-12

Abstract

一种组合式永磁无刷电机定子及制作方法，定子铁芯由卷绕而成的齿部铁芯和轭部铁芯两部分组合而成，齿部铁芯在内，轭部铁芯在外，齿部铁芯的内圆面没有槽口，绕组是从外圆面安放入槽内或逐齿绕制，齿部绕组制作完成之后套装于轭部铁芯之中构成定子总成，既适用于分数槽绕组也适用于分布式绕组，这种铁芯没有槽口，几乎没有齿槽转矩，电机运行性能好，材料利用率高，设计优化灵活，容易提高电机效率、比功率、且容易实现自动化生产。

Description

一种组合式永磁无刷电机定子及制作方法

技术领域

本发明属于电机领域，尤其是关于电机定子的设计和制造方法。

背景技术

电机作为一种动力机械已有一百多年的历史，各种电机大量用于社会生产和生活的各个方面。特别是用于新能源车辆对电机的驱动控制性能、制造使用成本、体积重量提出了新的更高的要求。对于定子在转子外配置形式的电机，现有技术的定子（图1）通常用向内开槽的环形硅钢冲片堆叠而成。这种工艺设计的缺点是：其一，材料利用率很低，约35%左右，如果使用高性能的材料，更加觉得可惜。为此有人提出了各种组合铁芯的设计，例如国内公开的CN108808917A。日韩欧美也有类似设计例如：分块拼装铁芯专利如松下电器的CN1062385C，挠性连接拼装铁芯专利如日本东芝专利CN1196598A和韩国三星专利CN1149214A；它们主要作法是采用沿圆周方向分断拼装铁芯或链式组合铁芯，这些方案使材料利用率有所提高，且便于使用机器绕制线圈，但这些设计都只能用于在单个齿上绕制线圈，线圈节距y不能大于1，只能用于分数槽配置的永磁无刷电机，而不适于分布式配置绕组的电机，而分布式绕组容易获得好的正弦波反电势，运行品质高，更适于PMSM永磁同步电机。其二，这种定子为了绕制或嵌放线圈，需要要在工作气隙面制作槽口，而槽口的存在会使定子和转子之间气隙的磁场发生畸变，产生齿槽转矩和高次谐波，影响电机运行平顺性，产生振动和噪声NVH（Noise Vibration Harshness）。迄今为止，仍然是电机设的一个难题。广东威灵电机制造有限公司的专利CN101043154A《用于异步电机的定子总成及制造方法为》为小家电提出的单向异步电机的定子方案，也不能用于分布绕组的三相永磁同步电机，且整片冲制齿部和轭部，材料利用率不高。因此，克服现有技术的缺陷，提出一种不产生齿槽转矩的谐波能量很小的而且材料利用率更高的永磁无刷电机定子设计方案及相关的实现自动化生产的方法是有意义的。

发明内容

一种组合式永磁无刷电机定子及制作方法。包括定子铁芯的轭部和齿部、绝缘层和绕组；其特征在于定子的铁芯是由连续卷绕而成的齿部铁芯和轭部铁芯两部分组合而成的，齿部铁芯在内，轭部铁芯在外，轭部铁芯和齿部铁芯配合间隙为零，轭部铁芯轴向长度大于等于齿部长度，轭部和齿部能够使用相同材料或不同材料分别制作，齿部铁芯的内圆面无槽口，而在齿部铁芯与轭部铁芯连接的外圆面预留槽口，齿数z是相数m的倍数且z≥12；绕组是从外圆面安放进入槽内或逐齿绕制的，齿部绕组绕嵌完成之后套装于轭部铁芯之中即构成定子总成，同时槽口被轭部铁芯封闭（图2）。

所述齿部铁芯的制造方法是轴向盘旋绕制而成的，预先将硅钢带制作成带槽的连续的长条，然后在工装上经卷绕、压紧、叠扣而成（图4）。

所述轭部铁芯的制造方法之一是卷绕而成的，将硅钢带在工装上经卷绕、拉紧、直到需要的直径，最后将尾端与其他层相固定，比如焊接在相邻内层上（图5）。

所述轭部铁芯的制造方法之一是整体成型，例如采用新型材料—铁基软磁复合材料（SMC）采用粉末冶金工艺制作，具有较高的导磁率和零导电率，适用于高频率工作的超高速电机。

所述绕组制作方法之一是逐齿绕制线圈，每次绕一个齿，绕完一个齿后连续绕制同相其他齿，绕完一相后换绕另一相，适合于分数槽配置的永磁无刷电机的自动化绕线。

所述绕组制作方法之二是所述分布式绕组从外向内嵌放于槽内是由专用绕嵌机完成的，专用绕嵌机包括绕线机构、嵌线机构、槽楔机构。

绕线机构主要包括张力系统（17），线轴（18），绕线机座（19）和绕线机头（20），绕线组模（21），过线轮（22），过线孔（23）；绕线机座可轴向移动，绕线机头由伺服电机驱动旋转，绕线组模和绕线机头连接，绕线组模包括a端（21a）和b端（21b），端距可以增大或缩小，可以张紧或退脱绕组；线轴上的电磁线（11）经过张力系统施加张力后经过线轮和过线孔输送给绕线组模，绕线机头按程序完成绕组制作后将绕组a边（5）嵌入齿部铁芯（2）槽内。

嵌线机构包括嵌线机械手（24），指尖（24a），指节（24b），定子工装轴（25），挡板（26）；定子工装轴（25）用于夹持定子齿部铁芯（2），并按设定角度步进转动，指尖（24a）用于勾住已到达位置的绕组b边，指节（23b）带动指尖按R所示轨迹运动将绕组b边嵌入槽中，继而由挡板（26）保持于槽中。

槽楔机构主要包括槽楔压入机构（27）和槽楔匣（28），位于挡板尾端；槽楔匣逐次将槽楔送至规定位置，由压入机构逐次将槽楔压入槽中固定位置。

上述嵌线机构嵌放绕组时，开始须放过y-1个绕组b边（y是节距），暂不嵌入槽内（这时内层边未嵌），也不压入槽楔，留待这些绕组b边再次经过时才嵌入槽的外层边（这时内层边已嵌），压入槽楔。

采用本发明技术方案可获得以下有益效果:

第一，由于定子内圆面没有槽口，容易获得连续渐变的磁场分布，不产生齿槽转矩，从而大幅度降低NVH（Noise Vibration Harshness）。

第二，提高电磁材料利用率，本发明的齿部铁芯只去除槽部材料，齿部材料利用率明显提高，同样成本可以使用更好的材料以提高电机的效率；而轭部铁芯几乎没有边角废料，材料利用率近乎100%。

第三，可设计轭部铁芯比齿部铁芯长，从而增加轭磁路截面积而不增加外径，或降低磁密减少铁损，又或使同等磁密减少电机直径，轭部铁芯带材还可以选用长度取向的导磁材料，提高了电机优化的灵活性。

第四，从外部安装分布式绕组的方法使内径较小的电机定子更容易实现线圈绕组智能化生产和嵌放，提高生产效率。

第五，从外部绕制分数槽无刷电机可使用技术成熟的飞叉式绕线机直接绕制线圈绕组，可以使用较粗的电磁线在齿上绕制紧密的线圈，槽满率高且端部长度少、使铜损小。相反从定子孔内很难实现机器绕制。

附图说明

图1现有技术之普通圆形冲片叠成的永磁无刷电机定子，标号7所指为槽口。

图2本专利组合式永磁无刷电机定子。

图3 本专利组合式永磁无刷电机定子立体图，为便于观察拆去了部分绕组。

图4 齿部铁芯绕制示意。

图5 轭部铁芯卷绕示意。

图6 分数槽绕组线圈绕制示意。

图7 分布式绕组装配示意。

图8 表示线圈绕制组模。

上述附图中标号分别是：1轭部铁芯， 2齿部铁芯，2a铁芯齿，2b铁芯槽，3绝缘层，4槽楔，5绕组a边，6绕组b边，7槽口，8飞叉，9挡板，10鹰嘴，11电磁线，12持线器，17张力系统，18线轴，19绕线机座，20绕线机头，21绕线组模，22过线轮，23过线孔，24嵌线机械手，24a指尖，24b指节， 25定子工装轴，26挡板，27槽楔压入机，28槽楔匣。

具体实施方式

下面以一个3相24槽的组合式永磁无刷电机定子为例说明具体设计及制作方法，这种3相24槽的定子可以配合极对数2p=10—20的永磁转子制作分数槽永磁无刷电机，也适用于2p=2—8的永磁转子制作整数槽的分布式绕组电机，分述如下。

例一，2p=16的分数槽电机，相数m=3，槽数Q=24，则每极每相槽数q=0.5。转子直径D1=99，叠厚L=60，定子内径100，外径160，气隙δ=0.5，齿宽8，径向齿高22，径向轭宽8。

齿部铁芯2制作（图4）。首先将硅钢带按设计要求冲出带有齿和槽的长条；然后用卷绕机和工装将齿形条带在直径100的轴上槽口向外作螺旋形盘旋堆叠，直到设定圈数后，轴向压紧后用激光焊接固定；然后制作或装配绝缘层3及接线端子等。

绝缘层3可采用注塑、静电涂覆、嵌放成型绝缘件的方式。

线圈绕制（图6）。将定子铁芯放在工装轴上定位压紧，将电磁线11穿过飞叉8过线轮和过线孔后引入绕线工装固定，勾线器12用于夹持和切断电磁线；预先调定绕行张力，圈数等参数，设定操作程序；启动程序后，飞叉绕x轴为中心旋转，将电磁线按挡板9和鹰嘴10约束的路径缠绕在铁芯对应x轴的齿上，鹰嘴10自动进退将电磁线整齐排列，本例为一跨二绕制，如A相某齿绕到设计圈数后，工装轴自动转过B相和C相2个齿继续绕制A相其它齿，依次完成全部线圈绕制；然后，连接线圈并引出到各相端子；之后进入后续工序。

装配轭部铁芯1。将绕制完成绝缘处理的铁芯线圈，压入整体成型的轭部铁芯1，然后压入加热后的铝合金电机壳体，接着用高温绝缘导热树脂对绕组两端进行封装，这种封装提供了线圈到外壳良好的散热通道。

例二，2p=6的永磁同步电机，相数m=3，槽数Q=24，则每极每相槽数q=2。转子直径D1=84，叠厚L=60，定子内径85，外径160，气隙δ=0.5，齿宽6，径向齿高24，径向轭宽13.5。

齿部铁芯2的制作和例一相同，但齿端增加插入槽楔的构造。使用图7所示机器自动完成绕组绕制、绕组嵌放、槽楔装配。

图7所示即为本专利设计的分布式绕组绕嵌机，主要包括绕线机构、嵌线机构、槽楔机构。

绕线机构主要包括张力系统17，线轴18，绕线机座19和绕线机头20，绕线组模21，过线轮22，过线孔23；绕线机座20可轴向进退移动，绕线机头20由伺服电机驱动旋转，绕线组模21和绕线机头20装配连接，绕线组模用于确定绕组形状，不同电机使用不同规格，绕线组模包括a端和b端，端距可以增大或缩小，便于张紧或退脱绕组；线轴18上的电磁线11经过张力系统17施加设定的绕线张力经过线孔22输送给绕线组模21，绕线机头按程序完成绕组制作然后将绕组a边（内边）嵌入槽内。

嵌线机构包括嵌线机械手24，指尖24a，指节24b，定子工装轴25，挡板26。定子齿部铁芯2由定子工装轴25夹持，按设定角度步进转动，嵌线机械手23用机械手指尖勾住到达位置的绕组b边，机械手指节23b带动指尖按R所示轨迹运动将绕组b边嵌入槽中，继而由挡板保持于槽中待下一步装入槽楔。根据绕组节距（本例为4），须放过最初3个绕组b边，暂不嵌入槽内，留待这些绕组再次经过时才嵌入槽的外层边。

槽楔机构主要包括槽楔压入机构26，槽楔匣27，位于挡板尾端；槽楔匣逐次将槽楔送至规定位置（如子弹上膛），由压入机构逐次将槽楔压入槽中固定位置，犹如订书机工作方式。同理，根据绕组节距，放过最初3个绕组b边暂不压入槽楔，留待再次经过时压入。全部绕组嵌线固定后，取下装配轭部铁芯，后续工序同普通电机定子工序无异。

Claims

1.一种组合式永磁无刷电机定子及制作方法，这种定子位于永磁转子外部，它包括定子铁芯、绝缘层和绕组；其特征在于定子的铁芯是由连续卷绕而成的齿部铁芯（2）和轭部铁芯（1）两部分组合而成的，齿部铁芯在内，轭部铁芯在外，轭部铁芯和齿部铁芯配合间隙为零，轭部铁芯长度大于等于齿部铁芯长度，齿部铁芯内圆面没有槽口，而齿部铁芯外圆面均匀分布若干槽口，所成齿数z≥12而且是相数m的倍数；绝缘层（3）可采用注塑、静电涂覆、嵌放成型绝缘件的方式，绕组是从外向内嵌放于槽内或逐齿绕制的，齿部绕组制作完成之后套装于轭部铁芯之中即构成槽口封闭的定子总成。

2.如权利要求1所述一种组合式永磁无刷电机定子及制作方法，其特征在于所述齿部铁芯是盘旋绕制而成的，具体是预先将硅钢带制作成带齿（2a）和槽（2b）的连续的长条，然后在工装上经卷绕、压紧、叠扣直到长度增加到需要的数值后与其他叠层相互固定而成。

3.如权利要求1所述一种组合式永磁无刷电机定子及制作方法，其特征在于所述轭部铁芯的制造方法之一是平行卷绕而成的，主要是将硅钢带在工装上经卷绕、拉紧、直到直径增加到需要的数值后将尾端与其他叠层相互固定而成。

4.如权利要求1所述一种组合式永磁无刷电机定子及制作方法，其特征在于所述轭部铁芯的制造方法之一是整体成型，采用新型铁基软磁复合材料（SMC）用粉末冶金工艺制作，这种材料具有较高的导磁率和零导电率，适用于高频率工作的超高速电机。

5.如权利要求1所述一种组合式永磁无刷电机定子及制作方法，其特征在于所述绕组制作方法之一是逐齿绕制于铁芯齿上的，每次绕一个齿，绕完一个齿后连续绕制同相其他齿，绕完一相后换绕另一相，适合于分数槽配置的永磁无刷电机的自动化绕线。

6.如权利要求1所述一种组合式永磁无刷电机定子及制作方法，其特征在于所述分布式绕组从外向内嵌放于槽内是由专用绕嵌机完成的，专用绕嵌机包括绕线机构、嵌线机构、槽楔机构；

绕线机构主要包括张力系统（17），线轴（18），绕线机座（19）和绕线机头（20），绕线组模（21），过线轮（22），过线孔（23）；绕线机座可轴向移动，绕线机头由伺服电机驱动旋转，绕线组模和绕线机头连接，绕线组模包括a端（21a）和b端（21b），其端距可以增大或缩小，以便张紧或退脱绕组；线轴上的电磁线（11）经过张力系统施加张力后经过线轮和过线孔输送给绕线组模，绕线机头按程序完成绕组制作后将绕组a边（5）嵌入齿部铁芯（2）槽内；

嵌线机构包括嵌线机械手（24），指尖（24a），指节（24b），定子工装轴（25），挡板（26）；定子工装轴（25）用于夹持定子齿部铁芯（2），并按设定角度步进转动，指尖（24a）用于勾住已到达位置的绕组b边，指节（23b）带动指尖按R所示轨迹运动将绕组b边嵌入槽中，继而由挡板（26）保持于槽中；

7.如权利要求1所述一种组合式永磁无刷电机定子及制作方法，其特征在于：从外向内嵌放绕组，若分布绕组节距为y时，开始须放过y-1个绕组b边，暂不嵌入槽内，也不压入槽楔，留待这些绕组再次经过时才嵌入槽的外层边（这时内层边已经嵌入），最后压入槽楔。