CN110460209A - 一种定子铁芯制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电机定子铁芯制作方法技术领域，具体涉及一种定子铁芯制作方法，具体工艺过程包括确定旋转角度、等分定子冲片和加工定子冲片共三个步骤，基于定子冲片在冲压时，定子铁芯内圆在一定程度上会出现近似椭圆的形变，会产生了极数的倍数次的气隙磁导谐波，显著增大了齿槽转矩，将定子冲片沿轴向旋转叠压加工成定子铁芯，分散定子铁芯内圆的加工误差，削弱相应的气隙磁导谐波，从而有效解决由于加工误差导致永磁电机齿槽转矩增大的问题；其工艺简单，无需额外增加加工装置，生产效率高，根据定子冲片外形形状和槽数选择分段数和旋转角度，能够有效抑制加工误差导致的齿槽转矩，且定子铁芯分段数越多，齿槽转矩的抑制效果越好。

Description

一种定子铁芯制作方法
技术领域：
本发明属于电机定子铁芯制作方法技术领域，具体涉及一种定子铁芯制作方法，制作的定子铁芯能够对永磁电机的齿槽转矩进行有效抑制。
背景技术：
永磁电机是由定子1、转子2和永磁体3构成的，以图1为例进行说明，其中，定子1为12槽，转子2为10极，永磁体3为表贴式结构。不断增加的应用领域和需求量对永磁电机的性能提出了更高的要求；齿槽转矩作为永磁电机的特有问题之一，会使电机产生振动和噪声，尤其在低速和直驱应用中更为明显。基于此，齿槽转矩的抑制技术是高性能永磁电机产品在设计和制造工程中关键技术之一。
齿槽转矩是永磁电机绕组不通电时永磁体和定子铁心之间相互作用产生的转矩，是由永磁体与电枢齿之间相互作用力的切向分量引起的。目前，常用的齿槽转矩削弱方法包括：斜极或斜槽、磁极分块移位、分数槽法、磁性槽楔法、闭口槽法、优化磁极设计、无槽式绕组和辅助凹槽法，例如：中国专利201811413077.6公开的一种极低齿槽转矩的拼接式定子结构包括：定子外侧部分和定子内侧部分；所述定子外侧部分的内表面沿周向间隔设置有多个内齿；相邻所述内齿之间形成定子槽口；所述定子内侧部分固定设置在所述定子外侧部分的内部，用于使得所述定子槽口封闭；中国专利201910152002.5公开的一种削弱盘式永磁单定子双转子开槽电机齿槽转矩的方法，所述开槽电机包括一个盘式定子和两个盘式转子，所述定子上开设有M(M为正整数)个定子槽，转子面向定子一侧上周向均布若干个永磁单元，包括以下步骤：步骤一，使两个转子关于定子镜面对称设置并且分别与定子保持均匀气隙；步骤二，转动其中一个转子，使该转子上永磁单元与另一个转子的永磁单元错开360/2M°；步骤三，通过机械连接结构使两个转子保持相对静止并且该机械连接结构与定子互不干涉；中国专利201821431790.9公开的一种有效削弱电机齿槽转矩的磁极斜极结构，包括磁极、磁轭、铁心，单个磁极按一定角度平行加工，按规定要求进行冲磁，冲磁后磁极按规定要求粘接在磁轭(2)圆柱面上，铁心为直槽结构，磁极与磁轭粘接后，与铁心装配在一起，并通过轴承实现灵活转动；中国专利201910211379.3公开的一种削弱永磁电机齿槽转矩的转子结构，转子本体包括转子铁心及永磁体；所述的转子铁心采用铝基复合材料；所述的永磁体为瓦片式结构，均匀的镶嵌在转子铁心表面，永磁体嵌入转子铁心部分的厚度为永磁体总厚度的一半。
然而，即使在电机的设计阶段采取措施使电机的齿槽转矩达到性能的要求，但是，永磁电机样机的齿槽转矩的测试结果往往与设计值相差较大，甚至会增大数倍，如图2和图3所示，外形为方形的定子冲片，不考虑加工形变时的齿槽转矩最大值为33.1mN·m，考虑定子加工形变时的齿槽转矩增大至162.9mN·m。这是由制造过程中的加工误差导致的：定子冲片在冲压时，定子内圆一定程度上出现近似椭圆的形变，虽然满足误差要求，却产生了极数的倍数次的气隙磁导谐波，显著增大了齿槽转矩，如图4所示，根据虚功原理和理想电机内磁场能量全部分布于气隙中的假设，齿槽转矩为：其中，F2(α,θ)为永磁磁动势的平方值，dG(α)为气隙微元磁导，F2(α,θ)按照傅里叶级数为：其中，v为极数2p的倍数，F0、Fav和Fbv分别为傅里叶分解分量幅值。
由于加工误差导致的定子形变180°对称，故采用椭圆模型进行分析：当定子内圆为椭圆时，相当于在气隙磁导中引入了2的倍数次磁导谐波，且转子的转动不会影响气隙磁导，此时，气隙微元磁导为：dG(α)＝[G0+Gμ(α)+Gτ(α)]dα，其中，G0为气隙磁导的恒定分量，Gμ(α)和Gτ(α)分别为定子开槽产生的谐波磁导部分和椭圆引入的谐波磁导部分的表达式，分别为：和其中，μ为槽数z的倍数，τ为2的倍数，及分别为气隙微元磁导第μ次和第τ次谐波的余弦、正弦项系数，β为定子内圆变形引入2的倍数次磁导相对于未变形气隙磁导的偏移角，即椭圆长轴(或短轴)与定子齿(或槽)轴线的夹角。
所以：T＝T1+T2，其中，T1和T2分别为定子开槽产生的齿槽转矩部分和椭圆引入的齿槽转矩部分的表达式，分别为：和由此可知，定子内圆形变为椭圆引入的转矩分量产生的条件为τ＝ν，即齿槽转矩会额外产生转子极数2p的倍数次谐波。
对于如何抑制由加工误差造成的齿槽转矩，现有技术尚未提出有效的解决方案。因此，研发设计一种能够抑制由于加工误差造成的永磁电机齿槽转矩的定子铁芯制作方法，具有社会和经济效益。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，研发设计一种定子铁芯制作方法，通过将定子冲片沿轴向分段旋转叠压的方式加工成定子铁芯，分散定子内圆的加工误差，解决齿槽转矩增大的问题。
为了实现上述目的，本发明涉及的定子铁芯制作方法的具体工艺过程包括确定旋转角度、等分定子冲片和加工定子冲片共三个步骤：
(一)确定旋转角度：根据永磁电机定子冲片的形状和槽数Q，确定定子铁芯的旋转角度αr；
(二)等分定子铁芯：基于定子铁芯的旋转角度αr，将定子铁芯沿轴向等分为m段，m＝k·180/αr，其中，k＝1.2.3…，m等于定子铁芯的总数；
(三)加工定子铁芯：将m段定子铁芯分别叠压，按照旋转角度αr沿轴向依次排列，整体叠压，完成定子铁芯的加工。
本发明步骤(一)涉及的定子冲片的形状是指定子冲片的外形为方形、圆形或圆周旋转90°对称的对称形状；当定子冲片的外形为圆形时，定子铁芯的旋转角度αr为360/Q-90°，且为360/Q的整数倍，即旋转整数个槽的角度；当定子冲片的外形为方形时，定子铁芯的旋转角度αr为90°，定子槽数Q为偶数。
本发明步骤(二)涉及的定子铁芯沿轴向的分段数m与αr相关，当旋转角度αr为多个值时，分段数m为多个值，定子铁芯的分段数m由用户根据加工工艺和设定的齿槽转矩大小决定：定子铁芯的分段数m越多，齿槽转矩越小，永磁电机加工工艺要求越高。
本发明涉及的定子冲片的外形为圆形时，定子冲片依次旋转一个槽距角(360/Q)，能够将齿槽转矩降低到最小。
本发明涉及的定子冲片的外形为方形时，定子冲片依次旋转90°，能够将齿槽转矩降低到最小。
本发明制作的定子铁芯通过定子冲片的旋转，削弱或消除气隙磁密中极数2p的倍数次的谐波，达到抑制齿槽转矩的目的。
本发明与现有技术相比，考虑到由于定子冲片在冲压时，定子铁芯内圆在一定程度上会出现近似椭圆的形变，虽然满足加工误差的要求，却产生了极数的倍数次的气隙磁导谐波，显著增大了齿槽转矩，基于此，将定子冲片沿轴向旋转叠压加工成定子铁芯，分散定子铁芯内圆的加工误差，削弱相应的气隙磁导谐波，从而有效解决由于加工误差导致永磁电机齿槽转矩增大的问题；其工艺简单，无需额外增加加工装置，生产效率高，根据定子冲片外形形状和槽数选择分段数和旋转角度，能够有效抑制加工误差导致的齿槽转矩，且定子铁芯分段数越多，齿槽转矩的抑制效果越好。
附图说明：
图1为本发明涉及的永磁电机的有限元模型仿真图。
图2为本发明涉及的不考虑加工形变时的齿槽转矩波形图。
图3为本发明涉及的考虑加工形变时的齿槽转矩波形图。
图4为本发明涉及的加工误差导致定子内圆形变的示意图。
图5为本发明实施例1涉及的定子铁芯的制作过程示意图。
图6为本发明实施例1涉及的永磁电机的齿槽转矩波形示意图。
图7为本发明实施例2涉及的定子铁芯的制作过程示意图。
图8为本发明实施例2涉及的永磁电机的齿槽转矩波形示意图。
图9为本发明实施例3涉及的定子铁芯的制作过程示意图。
图10为本发明实施例4涉及的定子铁芯的制作过程示意图。
图11为本发明实施例5涉及的定子铁芯的制作过程示意图。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步描述。
实施例1：
本实施例涉及的定子铁芯制作方法的具体工艺过程包括确定旋转角度、等分定子冲片和加工定子冲片共三个步骤：
(一)确定旋转角度：根据永磁电机定子冲片的形状为方形，槽数Q为12，确定定子铁芯的旋转角度αr为90°；
(二)等分定子铁芯：基于定子铁芯的旋转角度αr为90°，将定子铁芯沿轴向等分为2段，定子铁芯的总数为2；
(三)加工定子铁芯：将2段定子铁芯分别叠压，按照旋转角度αr为90°沿轴向依次排列，整体叠压，完成定子铁芯的加工，如图5所示。
本实施例的涉及的定子铁芯用于制作的12槽10极的永磁电机，定子形变使得齿槽转矩产生了10的倍数次的谐波，气隙磁导Gμ(α)和Gτ(α)分别为：和，当τ＝2(2k-1)(k＝1.2.3…)时，定子内圆形变引入的磁导Gτ_sr(α)＝0，即2(2k-1)次谐波被削除，说明将定子分为2段并偏移90°，能够消除掉2的奇数倍次(τ＝2、6、10…次)的磁导谐波，对应的齿槽转矩中第10、30、50…次谐波均被消除，如图6所示，齿槽转矩最大值为39.4mN·m，接近理想模型的齿槽转矩结果。
实施例2：
本实施例涉及的定子铁芯制作方法的具体工艺过程包括确定旋转角度、等分定子冲片和加工定子冲片共三个步骤：
(一)确定旋转角度：根据永磁电机定子冲片的形状为方形，槽数Q为12，确定定子铁芯的旋转角度αr为90°；
(二)等分定子铁芯：基于定子铁芯的旋转角度αr为90°，将定子铁芯沿轴向等分为4段，定子铁芯的总数为4；
(三)加工定子铁芯：将4段定子铁芯分别叠压，按照旋转角度αr为90°沿轴向依次排列，整体叠压，完成定子铁芯的加工，如图7所示。
本实施例的涉及的定子铁芯用于制作的12槽10极的永磁电机，如图8所示，齿槽转矩最大值为34.2mN·m。
实施例3：
本实施例涉及的定子铁芯制作方法的具体工艺过程包括确定旋转角度、等分定子冲片和加工定子冲片共三个步骤：
(一)确定旋转角度：根据永磁电机定子冲片的形状为圆形，槽数Q为12，确定定子铁芯的旋转角度αr为90°；
(二)等分定子铁芯：基于定子铁芯的旋转角度αr为90°，将定子铁芯沿轴向等分为2段，定子铁芯的总数为2；
(三)加工定子铁芯：将2段定子铁芯分别叠压，按照旋转角度αr为90°沿轴向依次排列，整体叠压，完成定子铁芯的加工，如图9所示。
本实施例的涉及的定子铁芯用于制作的12槽10极的永磁电机，齿槽转矩最大值为39.4mN·m。
实施例4：
本实施例涉及的定子铁芯制作方法的具体工艺过程包括确定旋转角度、等分定子冲片和加工定子冲片共三个步骤：
(一)确定旋转角度：根据永磁电机定子冲片的形状为圆形，槽数Q为12，确定定子铁芯的旋转角度αr为60°；
(二)等分定子铁芯：基于定子铁芯的旋转角度αr为60°，将定子铁芯沿轴向等分为6段，定子铁芯的总数为6；
(三)加工定子铁芯：将6段定子铁芯分别叠压，按照旋转角度αr为60°沿轴向依次排列，整体叠压，完成定子铁芯的加工，如图10所示。
本实施例的涉及的定子铁芯用于制作的12槽10极的永磁电机，能够消除齿槽转矩中低阶的10次、20次、40次、50次等非30的倍数次谐波。
实施例5：
本实施例涉及的定子铁芯制作方法的具体工艺过程包括确定旋转角度、等分定子冲片和加工定子冲片共三个步骤：
(一)确定旋转角度：根据永磁电机定子冲片的形状为圆形，槽数Q为12，确定定子铁芯的旋转角度αr为30°；
(二)等分定子铁芯：基于定子铁芯的旋转角度αr为30°，将定子铁芯沿轴向等分为12段，定子铁芯的总数为12；
(三)加工定子铁芯：将12段定子铁芯分别叠压，按照旋转角度αr为30°沿轴向依次排列，整体叠压，完成定子铁芯的加工，如图11所示。
本实施例的涉及的定子铁芯用于制作的12槽10极的永磁电机，齿槽转矩最大值小于实施例1-4涉及的永磁电机齿槽转矩最大值，说明定子铁芯分段数越多，齿槽转矩的抑制效果越好。

Claims (6)

1.一种定子铁芯制作方法，其特征在于具体工艺过程包括确定旋转角度、等分定子冲片和加工定子冲片共三个步骤：
(一)确定旋转角度：根据永磁电机定子冲片的形状和槽数Q，确定定子铁芯的旋转角度αr；
(二)等分定子铁芯：基于定子铁芯的旋转角度αr，将定子铁芯沿轴向等分为m段，m＝k·180/αr，其中，k＝1.2.3…，m等于定子铁芯的总数；
(三)加工定子铁芯：将m段定子铁芯分别叠压，按照旋转角度αr沿轴向依次排列，整体叠压，完成定子铁芯的加工。
2.根据权利要求1所述一种定子铁芯制作方法，其特征在于步骤(一)涉及的定子冲片的形状是指定子冲片的外形为方形、圆形或圆周旋转90°对称的对称形状；当定子冲片的外形为圆形时，定子铁芯的旋转角度αr为360/Q-90°，且为360/Q的整数倍，即旋转整数个槽的角度；当定子冲片的外形为方形时，定子铁芯的旋转角度αr为90°，定子槽数Q为偶数。
3.根据权利要求1所述一种定子铁芯制作方法，其特征在于步骤(二)涉及的定子铁芯沿轴向的分段数m与αr相关，当旋转角度αr为多个值时，分段数m为多个值，定子铁芯的分段数m由用户根据加工工艺和设定的齿槽转矩大小决定：定子铁芯的分段数m越多，齿槽转矩越小，永磁电机加工工艺要求越高。
4.根据权利要求1或2所述一种定子铁芯制作方法，其特征在于定子冲片的外形为圆形时，定子冲片依次旋转一个槽距角(360/Q)，能够将齿槽转矩降低到最小。
5.根据权利要求1或2所述一种定子铁芯制作方法，其特征在于定子冲片的外形为方形时，定子冲片依次旋转90°，能够将齿槽转矩降低到最小。
6.根据权利要求1或3所述一种定子铁芯制作方法，其特征在于定子铁芯通过定子冲片的旋转，削弱或消除气隙磁密中极数2p的倍数次的谐波，达到抑制齿槽转矩的目的。
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