CN112821591B - 一种模块化爪极永磁电机的核心部件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种模块化爪极永磁电机的核心部件，将核心部件里的定子铁心分成形状相同、易于制作的定子模块，一个定子模块包含一个爪极和部分定子轭。在进行定子铁心的制作时只需制作一定数量的定子模块，再将其依次放在环氧树脂等绝缘材料制成的骨架上，就完成了定子铁心模块的拼接。通过这种方式可以解决爪极数较多时，定子铁心不易压制的问题。同时，在某一个爪极受到损耗时，也可以方便直接地对受损爪级模块进行替换。经过对由该核心部件构成的电机进行性能测试，模块化的电机的性能优于传统的一体化定子铁芯的电机性能。
Description
技术领域
本发明涉及横向磁通永磁电机技术领域，具体涉及一种模块化爪极永磁电机的核心部件。
背景技术
爪极电机作为横向磁通电机的一种特例，其本质是对横向磁通电机的定子齿部顶端位置进行轴向延伸，使得其能引入更多的磁通，以提高电机的转矩能力。它不但有横向磁通电机转矩密度高、功率密度高，电路与磁路不存在空间上的竞争等特点，而且爪极电机制造简单、成本低廉，在机电装置中有广泛的应用前景，现广泛应用于汽车发电机和小型风扇电机中。
在传统电机中，通常用硅钢片作为电机的导磁材料。但磁化过程中存在着不可逆性磁滞损耗，在交变磁场作用下还会产生大量的磁滞和涡流损耗。又由于爪极电机的爪极本身结构复杂，爪极采用电工硅钢片很难制成。基于以上情况，国内外学者提出了爪极采用软磁复合材料直接压制而成。通常的原理是，在高温下，这些软磁复合材料粉末与滑润剂和粘合剂一起压制成形，在压制过程中，材料的内部产生了应力，其能够在材料的热处理过程中被减轻，热处理方式也增加了材料的强度。而且软磁复合材料可以压成理想的形状，这也为形状复杂的爪极的制造提供了可能。
爪极电机的转矩密度通常情况下和其爪极极对数成正比，但对于爪极数量较多的电机，使用软磁复合材料直接压制存在成本高、不易制作的情况。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供一种模块化爪极永磁电机的核心部件。将核心部件里的定子铁心分成形状相同、易于制作的定子模块，一个定子模块包含一个爪极和部分定子轭。在进行定子铁心的制作时只需制作一定数量的定子模块，再将其依次放在环氧树脂等绝缘材料制成的骨架上，就完成了定子铁心模块的拼接。通过这种方式可以解决爪极数较多时，定子铁心不易压制的问题。同时，在某一个爪极受到损耗时，也可以方便直接地对受损爪级模块进行替换。经过对由该核心部件构成的电机进行性能测试，模块化的电机的性能优于传统的一体化定子铁芯的电机性能。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：一种模块化爪极永磁电机的核心部件，其特征在于，该核心部件由多个单相爪极电机单元构成，每个单相爪极电机单元结构相同且为单定子单转子结构，多个单相爪极电机单元同轴心无间隙设置；多个爪极电机单元的转子结构并列设置且状态相同，相互之间无偏角；相邻两个爪极电机单元的定子结构在轴向上呈固定偏角设置，该固定偏角的角度为360°/NPm，其中Np为极对数，m为相数；极对数指的是一个转子结构上的永磁体的对数，相数指的是轴向排列的单相爪极电机单元数量；装配时，多个爪极电机单元的转子结构的轴心、多个爪极电机单元的定子结构的轴心与电机转轴的轴心重合；
所述单相爪极电机单元的转子结构包括具有一定高度与宽度的环形的转子铁心，以及均匀的设置在转子铁心的曲面上的永磁体；所述单相爪极电机单元的定子结构包括定子铁心与电枢绕组；
所述定子铁心由与第一定子铁芯与第二定子铁芯构成，第一定子铁芯由多个结构相同的定子模块组成，一个定子模块包含一个爪极和一部分定子轭部，多个定子模块上的定子轭部构成一个完整的环形结构，在每一个定子模块的定子轭部的中部水平向外延伸有一个由梯形与矩形衔接而成的连接部，连接部的末端衔接有一个与连接部所在平面垂直的爪极；且在定子轭部的靠近连接部的一侧设置有以定子轭部的高度与连接部的高度之差为高度的一圈空隙，用于安装电枢绕组，该一圈空隙与爪极位于定子轭部的同一侧；多个定子模块以爪极朝向同一侧排布的形式构成一个环形的第一定子铁芯，第二定子铁芯的结构与第一定子铁芯结构相同，两者以爪极相向且爪极居中交错的形式排布在骨架的槽口内，从而组装成一个整体，形成模块化的定子铁心；
骨架为一体化结构，由绝缘材料制造而成，包括圆环状的内部挡圈，在内部挡圈的高度方向的上部、中部、下部向外各延伸有一圈环形挡板，分别为上部挡板、中部挡板和下部挡板，在上部挡板与中部挡板之间、中部挡板和下部挡板之间均垂直设置有卡位板，卡位板沿内部挡圈的径向方向设置；卡位板的上、下端分别衔接在相邻的两层挡板上，卡位板靠近内部挡圈的一侧与内部挡圈的外侧面衔接在一起；在上部挡板与中部挡板之间的卡位板以及中部挡板与下部挡板之间的卡位板均沿径向方向均匀布置一周，但衔接上部挡板的卡位板在空间上位于两个相邻的衔接下部挡板的卡位板之间；相邻的两层挡板内的两个相邻的卡位板以及位于该两个相邻的卡位板之间的挡板侧面、内部挡圈外表面部分形成一个槽口；一个槽口的尺寸与一个定子模块的远离爪极一侧的定子轭部的尺寸相匹配，一个定子模块通过嵌入定子轭部的方式设置在一个槽口上，两者通过接触面之间的摩擦力紧固连接，安装时，定子模块的定子轭部通过挤进的方式嵌入槽口内；槽口的数量与定子模块的数量相同；内部挡圈的与挡板平行的侧面上设置有沿轴向的通孔，用于定子结构的安装与固定；
骨架上的上部挡板与下部挡板的环宽不小于定子轭部的衔接连接部的环宽，中部挡板的环宽不大于定子铁芯的一圈空隙处的内侧的定子轭部的环宽，卡位板的沿内部挡圈的径向的长度不大于定子铁芯的一圈空隙处的内侧的定子轭部的环宽；卡位板的厚度为相邻两个定子模块之间的拼接气隙尺寸，即同一轴向平面拼接气隙尺寸；中部挡板的厚度为第一定子铁芯与第二定子铁芯之间的拼接气隙尺寸，即不同轴向平面拼接气隙尺寸；
第一定子铁芯与第二定子铁芯组装时，第一定子铁芯上的爪极的末端不超过第二定子铁芯的定子轭部的外侧面；所述爪极为梯形爪极，即沿轴向爪极的截面积不等；
电枢绕组安装在第一定子铁芯和第二定子铁芯的爪极与定子轭部的一圈空隙所围成的环形定子空腔内；电枢绕组采用全局环型绕组结构，呈圆环形；
所述转子铁心为一个圆环形结构，其高度和第一定子铁芯的外侧面到第二定子铁芯的外侧面之间的距离相等，在转子铁心的内侧曲面或者外侧曲面上沿周向设置有与定子铁心的爪极的数量相等且位置正对的永磁体，永磁体的长度与转子铁心的高度相等；所述永磁体沿转子铁芯径向进行充磁，且相邻永磁体充磁方向相反；
所述永磁体为具有两个相互平行的曲面的六面体结构，为一个与转子铁芯等高度的圆环形结构的一部分，永磁体通过在其一曲面上涂布粘合剂与转子铁芯的曲面连接，两者连接处的曲面平行。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
a)生产加工方便，对于有复杂爪极形状的定子铁心，仅需将软磁复合材料压制成多个相同的含有一个爪极的定子模块，在压制完成后进行拼装即可。避免了因爪极数过多，整个定子铁心不易压制的问题。在某个爪极受到损耗时，可以将受损定子模块取出，使用新的定子模块进行替换，延长了电机的使用寿命。
b)可在进行定子铁心的定子模块剖分时设计剖分的形状，使用特殊的模块形状可以在拼接时增大模块之间的接触面积，减小磁阻。
c)本发明设计的模块化爪极永磁电机的核心部件适用性广，不仅可以应用于内转子电机，同时适用于外转子电机。
附图说明
图1为本发明模块化爪极永磁电机的核心部件一种实施例的单个爪极电机单元的主视结构示意图；
图2为本发明模块化爪极永磁电机的核心部件一种实施例的单个爪极电机单元的立体结构示意图；
图3为本发明模块化爪极永磁电机的核心部件一种实施例的单个爪极电机单元的定子结构的左视结构示意图；
图4为本发明模块化爪极永磁电机的核心部件一种实施例的位于同一轴向截面的两个相邻爪极的状态示意图；
图5为本发明模块化爪极永磁电机的核心部件一种实施例的位于不同轴向截面的两个相邻爪极的状态示意图；
图6为本发明模块化爪极永磁电机的核心部件一种实施例的定子结构的骨架的一个槽口的结构示意图；
图7为本发明模块化爪极永磁电机的核心部件一种实施例的单个爪极电机单元的定子铁芯的装配示意图；
图8为本发明模块化爪极永磁电机的核心部件一种实施例的单个爪极电机单元的电枢绕组的装配示意图；
图9为本发明模块化爪极永磁电机的核心部件一种实施例的单个爪极电机单元的转子结构的结构示意图；
图10为本发明模块化爪极永磁电机的核心部件一种实施例的永磁体的立体结构示意图；
图11为本发明模块化爪极永磁电机的核心部件一种实施例的位于不同轴向截面的两个相邻爪极之间的内部磁路示意图；
图12为本发明实施例1中的模块化爪极永磁电机的核心部件的三个单相爪极电机单元的装配示意图；
图13为本发明实施例1中的模块化爪极永磁电机的核心部件的三个单相爪极电机单元的定子结构的装配示意图；
图14为本发明实施例1中的模块化爪极永磁电机的核心部件的三个单相爪极电机单元的转子结构的装配示意图；
图15为由本发明实施例1中的模块化爪极永磁电机的核心部件所构成的电机的定子模块在同一轴向和不同轴向平面的拼接气隙均为0.5mm时的三相合成转矩(Torque)曲线图；
图16为由本发明实施例1中的模块化爪极永磁电机的核心部件所构成的电机的定子模块在同一轴向和不同轴向平面的拼接气隙为不同值时的铁心损耗 (Coreloss)平均值的柱状图(图中，同一轴向平面拼接气隙为0mm，则记为 A:0，拼接气隙为0.5mm，则记为A:0.5；不同轴向平面拼接气隙为0mm，则记为B:0，拼接气隙为0.5mm，则记为B:0.5)；
图17为由本发明实施例1中的模块化爪极永磁电机的核心部件所构成的电机的定子模块在同一轴向和不同轴向平面的拼接气隙均为0.5mm时的空载反电动势(InducedVoltage)曲线图；
图18为由本发明实施例1中的模块化爪极永磁电机的核心部件所构成的电机的在不同电流密度的情况下的三相合成转矩(Torque)平均值的曲线图。(图中，横坐标为电流密度，纵坐标为三相合成转矩的平均值；同一轴向平面拼接气隙为0mm，则记为A:0，拼接气隙为0.5mm，则记为A:0.5；不同轴向平面拼接气隙为0mm，则记为B:0，拼接气隙为0.5mm，则记为B:0.5)；
图19为由本发明实施例1中的模块化爪极永磁电机的核心部件所构成的电机的定子模块在同一轴向和不同轴向平面的拼接气隙为不同值时的空载反电动势(InducedVoltage)的曲线图(图中，同一轴向平面拼接气隙为0mm，则记为 A:0，拼接气隙为0.5mm，则记为A:0.5；不同轴向平面拼接气隙为0mm，则记为B:0，拼接气隙为0.5mm，则记为B:0.5)。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式做进一步解释说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“轴向”、“横向”、“径向”、“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的技术人员，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提供一种模块化爪极永磁电机的核心部件，该核心部件由多个单相爪极电机单元构成，每个单相爪极电机单元结构相同且为单定子单转子结构，多个单相爪极电机单元同轴心无间隙设置；多个爪极电机单元的转子结构并列设置且状态相同，相互之间无偏角；相邻两个爪极电机单元的定子结构在轴向上呈固定偏角设置，该固定偏角的角度为360°/NPm，其中Np为极对数，m为相数；极对数指的是一个转子结构上的永磁体的对数，相数指的是轴向排列的单相爪极电机单元数量。装配时，多个爪极电机单元的转子结构的轴心、多个爪极电机单元的定子结构的轴心与电机转轴的轴心重合。
所述单相爪极电机单元的转子结构包括具有一定高度与宽度的环形的转子铁心，以及均匀的设置在转子铁心的曲面上的永磁体；所述单相爪极电机单元的定子结构包括定子铁心与电枢绕组。
所述定子铁心由与第一定子铁芯与第二定子铁芯构成，第一定子铁芯由多个结构相同的定子模块组成，一个定子模块包含一个爪极和一部分定子轭部，多个定子模块上的定子轭部构成一个完整的环形结构，在每一个定子模块的定子轭部的中部水平向外延伸有一个由梯形与矩形衔接而成的连接部，连接部的末端衔接有一个与连接部所在平面垂直的爪极；且在定子轭部的靠近连接部的一侧设置有以定子轭部的高度与连接部的高度之差为高度的一圈空隙，用于安装电枢绕组，该一圈空隙与爪极位于定子轭部的同一侧；多个定子模块以爪极朝向同一侧排布的形式构成一个环形的第一定子铁芯，第二定子铁芯的结构与第一定子铁芯结构相同，两者以爪极相向且爪极居中交错的形式排布在骨架的槽口内，从而组装成一个整体，形成模块化的定子铁心；
骨架为一体化结构，由绝缘材料制造而成，包括圆环状的内部挡圈，在内部挡圈的高度方向的上部、中部、下部向外各延伸有一圈环形挡板，分别为上部挡板、中部挡板和下部挡板，在上部挡板与中部挡板之间、中部挡板和下部挡板之间均垂直设置有卡位板，卡位板沿内部挡圈的径向方向设置；卡位板的上、下端分别衔接在相邻的两层挡板上，卡位板靠近内部挡圈的一侧与内部挡圈的外侧面衔接在一起；在上部挡板与中部挡板之间的卡位板以及中部挡板与下部挡板之间的卡位板均沿径向方向均匀布置一周，但衔接上部挡板的卡位板在空间上位于两个相邻的衔接下部挡板的卡位板之间。相邻的两层挡板内的两个相邻的卡位板以及位于该两个相邻的卡位板之间的挡板侧面、内部挡圈外表面部分形成一个槽口；一个槽口的尺寸与一个定子模块的远离爪极一侧的定子轭部的尺寸相匹配，一个定子模块通过嵌入定子轭部的方式设置在一个槽口上，两者通过接触面之间的摩擦力紧固连接，安装时，定子模块的定子轭部通过挤进的方式嵌入槽口内；槽口的数量与定子模块的数量相同。内部挡圈的与挡板平行的侧面上设置有沿轴向的通孔，用于定子结构的安装与固定；根据相邻两个爪极电机单元的定子结构之间的固定偏角，对应的相邻的定子结构的骨架上的通孔也成与上述固定偏角的角度相等的偏角，使得多个定子结构呈固定偏角设置时，每一个定子结构的骨架上的通孔均处于正对状态，便于多个定子结构的并列安装与固定。
骨架上的上部挡板与下部挡板的环宽不小于定子轭部的衔接连接部的环宽，中部挡板的环宽不大于定子铁芯的一圈空隙处的内侧的定子轭部的环宽，卡位板的沿内部挡圈的径向的长度不大于定子铁芯的一圈空隙处的内侧的定子轭部的环宽。卡位板的厚度(沿内部挡圈的轴向的宽度)为相邻两个定子模块之间的拼接气隙尺寸，即同一轴向平面拼接气隙尺寸。中部挡板的厚度为第一定子铁芯与第二定子铁芯之间的拼接气隙尺寸，即不同轴向平面拼接气隙尺寸。
第一定子铁芯与第二定子铁芯组装时，第一定子铁芯上的爪极的末端不超过第二定子铁芯的定子轭部的外侧面(对于第一定子铁芯或第二定子铁芯，以设置有一圈气隙处的侧面为内侧面，与之相对的另一侧面为外侧面)。所述爪极为梯形爪极，即沿轴向爪极的截面积不等。
电枢绕组安装在第一定子铁芯和第二定子铁芯的爪极与定子轭部的一圈空隙所围成的环形定子空腔内。电枢绕组采用全局环型绕组结构，呈圆环形。
定子铁心是由一种新型软磁复合材料(Soft Magnetic Complex，简称SMC) 压铸成型。SMC定子铁心模块可以向厂家定制也可以自己采用粉末冶金的制造工艺压制或者采用线切割的方法制造。
所述转子铁心为一个圆环形结构，其高度和第一定子铁芯的外侧面到第二定子铁芯的外侧面之间的距离相等，在转子铁心的内侧曲面或者外侧曲面上沿周向设置有与定子铁心的爪极的数量相等且位置正对的永磁体，永磁体的长度与转子铁心的高度相等。所述永磁体沿转子铁芯径向进行充磁，且相邻永磁体充磁方向相反。
所述永磁体为具有两个相互平行的曲面的六面体结构，为一个与转子铁芯等高度的圆环形结构的一部分，永磁体通过在其一曲面上涂布粘合剂与转子铁芯的曲面连接，两者连接处的曲面平行。
多个单相爪极电机单元并列装配时，多个转子结构以相同状态通过转子连接结构固定成一个整体，并通过连接结构与电机转轴固定；多个定子结构以相邻两个定子结构之间以固定偏角的状态通过定子连接机构固定成一个整体，并通过定子连接机构与电机外壳或端盖固定；
模块化爪级永磁电机通过其核心部件的内、外的不同装配方式，可组装成内转子电机或外转子电机；当为内转子电机时，多个转子结构通过转子连接结构与电机转轴固定连接，此时，转子铁芯在其外侧面沿周向设置有与定子铁心的爪极数量相等且位置正对的永磁体；定子铁芯镶嵌在骨架上，并通过骨架上的通孔固定在定子连接机构上；定子连接机构上设置有带有安装孔的连接耳，多个定子结构通过连接机构与电机外壳固定；定子结构设置在转子结构的内侧，且两者的位置正对，同轴心。所述转子连接结构整体为环状，内侧通孔尺寸与电机转轴的尺寸相匹配，并通过轴套固定在电机转轴上，其外侧端面沿径向设置且在周向上均匀分布的方形紧固圈，多个转子结构通过方形紧固圈实现并列无间隙的固定，并通过拧紧或拧松方形紧固圈上的紧固螺钉实现转子结构的装配与拆卸。定子连接机构的整体为环状，为两个平行的环状片平行设置且在环状片的内侧边缘出设置有通孔的结构，在两个环状片的外侧边缘处沿周向均匀设置有将两个环状片衔接在一起的连接耳，连接耳的上部设置有通孔；多个定子结构以相邻两个定子结构之间以固定偏角的状态设置在定子连接机构的两个环状片内并通过骨架上的通孔与环状片的内侧边缘处紧固连接。电机外壳为多块组装式结构，衔接处的数量与连接耳的数量相等，将连接耳设置在电机外壳的衔接处的中部，通过螺钉将连接耳与电机外壳的衔接处紧固连接，从而实现定子结构与电机外壳的固定。
当为外转子电机时，转子铁心的内侧面沿周向设置有与定子铁心的爪极数量相等且位置正对的永磁体，转子结构设置在定子结构的外周，且位置正对。电机外壳的一侧设置有端盖，在端盖的中部设置有朝向电机外壳的另一侧的圆柱状凸起，在圆柱状凸起的中部设置有容许电机转子通过的通孔，在圆柱状凸起的两侧面上沿轴向设置有用于固定安装定子结构的通孔，圆柱状凸起的直径不大于定子结构的外径，多个定子结构以相邻两个定子结构之间以固定偏角的状态通过骨架上的通孔固定在圆柱状凸起的内侧面上，实现定子结构的固定。转子结构通过电机外壳的未设置端盖的一侧放置于电机外壳的内部，在电机转轴上设置有圆筒状的转子安装结构，该转子安装结构一端为中间设置有容许电机转轴通过的通孔的圆饼状结构，该圆饼状结构通过轴套固定在电机转轴上；在该圆饼状结构的朝向端盖的一侧按圆周沿轴向延伸出一段空心圆筒，在该空心圆筒的内侧面上沿径向设有方形紧固圈，多个转子结构通过方形紧固圈实现并列无间隙的固定，并通过拧紧或拧松方形紧固圈上的紧固螺钉实现转子结构的装配与拆卸。装配时，转子结构设置在转子安装结构的空心圆筒内部的外圈，定子结构位于空心圆筒内部的内圈。
以上对内转子电机和外转子电机的辅助安装部件结构的描述，仅用于说明电机的定子铁芯、转子铁芯以及永磁体的装配方式，辅助安装部件的具体结构不限制本申请的保护范围。
本发明模块化爪极永磁电机的核心部件的工作原理及过程是：电机运转时，定子模块静止，多个转子模块同步绕轴向旋转。一条回路中由两块永磁体提供磁动势，从一块永磁体的N极发出的磁通经过了两个气隙磁阻、两个爪极磁阻、一个定子轭部磁阻和转子轭部磁阻，最终回到S极(参见图11)。
实施例1
本实施例提供一种模块化爪极永磁电机的核心部件，该核心部件为外转子电机的一部分，该核心部件由3个单相爪极电机单元构成，每个单相爪极电机单元结构相同且为单定子单转子结构，3个单相爪极电机单元同轴心无间隙设置；3个爪极电机单元的转子结构并列设置且状态相同，相互之间无偏角；相邻两个爪极电机单元的定子结构在周向上呈固定偏角设置，极对数为10，因此该固定偏角为12度。装配时，多个爪极电机单元的转子结构的轴心、多个爪极电机单元的定子结构的轴心与电机转轴的轴心重合。
所述单相爪极电机单元的转子结构包括具有一定高度与宽度的环形的转子铁心3，以及均匀的设置在转子铁心3的内侧曲面上的永磁体4；所述单相爪极电机单元的定子结构包括定子铁心1与电枢绕组2。
所述定子铁心1由与第一定子铁芯与第二定子铁芯构成，第一定子铁芯由多个结构相同的定子模块组成，一个定子模块包含一个爪极6和一部分定子轭部6，多个定子模块上的定子轭部构5成一个完整的环形结构，在每一个定子模块的定子轭部5的中部水平向外延伸有一个由梯形与矩形衔接而成的连接部，连接部的末端衔接有一个与连接部所在平面垂直的爪极6；且在定子轭部5 的靠近连接部的一侧设置有以定子轭部5的高度与连接部的高度之差为高度的一圈空隙7，用于安装电枢绕组2，该一圈空隙7与爪极6位于定子轭部5的同一侧；多个定子模块以爪极6朝向同一侧排布的形式构成一个环形的第一定子铁芯，第二定子铁芯的结构与第一定子铁芯结构相同，两者以爪极相向且爪极居中交错的形式排布在骨架的槽口内，从而组装成一个整体，形成模块化的定子铁心1；
骨架为一体化结构，由绝缘材料制造而成，包括圆环状的内部挡圈，在内部挡圈的高度方向的上部、中部、下部向外各延伸有一圈环形挡板，分别为上部挡板、中部挡板和下部挡板，在上部挡板与中部挡板之间、中部挡板和下部挡板之间均垂直设置有卡位板，卡位板沿内部挡圈的径向方向设置；卡位板的上、下端分别衔接在相邻的两层挡板上，卡位板靠近内部挡圈的一侧与内部挡圈的外侧面衔接在一起；在上部挡板与中部挡板之间的卡位板以及中部挡板与下部挡板之间的卡位板均沿径向方向均匀布置一周，但衔接上部挡板的卡位板在空间上位于两个相邻的衔接下部挡板的卡位板之间。相邻的两层挡板内的两个相邻的卡位板以及位于该两个相邻的卡位板之间的挡板侧面、内部挡圈外表面部分形成一个槽口；一个槽口的尺寸与一个定子模块的远离爪极一侧的定子轭部的尺寸相匹配，一个定子模块通过嵌入定子轭部的方式设置在一个槽口上，两者通过接触面之间的摩擦力紧固连接，安装时，定子模块的定子轭部通过挤进的方式嵌入槽口内；槽口的数量与定子模块的数量相同。内部挡圈的与挡板平行的侧面上设置有沿轴向的通孔，用于定子结构的安装与固定；
骨架上的上部挡板与下部挡板的环宽不小于定子轭部的衔接连接部的环宽，中部挡板的环宽不大于定子铁芯的一圈空隙处的内侧的定子轭部的环宽，卡位板的沿内部挡圈的径向的长度不大于定子铁芯的一圈空隙处的内侧的定子轭部的环宽。卡位板的厚度(沿内部挡圈的轴向的宽度)为相邻两个定子模块之间的拼接气隙尺寸，即同一轴向平面拼接气隙尺寸。中部挡板的厚度为第一定子铁芯与第二定子铁芯之间的拼接气隙尺寸，即不同轴向平面拼接气隙尺寸。
第一定子铁芯与第二定子铁芯组装时，第一定子铁芯上的爪极的末端不超过第二定子铁芯的定子轭部的外侧面(对于第一定子铁芯或第二定子铁芯，以设置有一圈气隙处的侧面为内侧面，与之相对的另一侧面为外侧面)。所述爪极为梯形爪极，即沿轴向爪极的截面积不等。
电枢绕组2安装在第一定子铁芯和第二定子铁芯的爪极与定子轭部的一圈空隙所围成的环形定子空腔内。电枢绕组采用全局环型绕组结构，呈圆环形。
定子铁心1是由一种新型软磁复合材料(Soft Magnetic Complex，简称SMC) 压铸成型。SMC定子铁心模块可以向厂家定制也可以自己采用粉末冶金的制造工艺压制或者采用线切割的方法制造。
所述转子铁心3为一个圆环形结构，其高度和第一定子铁芯的外侧面到第二定子铁芯的外侧面之间的距离相等，在转子铁心3的内侧曲面上沿周向设置有与定子铁心1的爪极的数量相等且位置正对的永磁体4，永磁体4的长度与转子铁心3的高度相等。所述永磁体4沿转子铁芯3径向进行充磁，且相邻永磁体4充磁方向相反。
所述永磁体4为具有两个相互平行的曲面的六面体结构，为一个与转子铁芯4等高度的圆环形结构的一部分，永磁体4通过在其一曲面上涂布粘合剂与转子铁芯3的曲面连接，两者连接处的曲面平行。
所述转子铁心3由硅钢片或软磁复合材料制成，优选的，由硅钢片制成，为圆环形。
所述永磁体4采用铁氧体材料或者钕铁硼材料或其他永磁材料制成。所述骨架为环氧树脂材料。
本实施的单相爪极电机单元的参数见表1。
表1结构基本参数
将本实施例所得的模块化爪极永磁电机的核心部件结合建模与仿真的方式，对具有该核心部件的永磁电机的结构进行建模，并进行性能试验测试。同时，设置几组不同的同一轴向平面拼接气隙尺寸与不同轴向平面拼接气隙尺寸，以探讨拼接结构对电机性能的影响。根据电机的设计要求，采用电机常用的设计方法场路结合法确定电机电磁方案，使用电机磁路法设计模块RMxprt对电机进行结构建模和性能分析，完成了电机磁路的优化设计。使用电磁场有限元模块Maxwell 2D对具有该核心部件的永磁电机的瞬态场进行有限元仿真分析。
通过实验结果表明，定子轭部磁阻会受拼接气隙的影响；不同轴向截面定子的拼接气隙对磁路存在一定影响，而同一轴向截面定子的拼接气隙影响很小。
由仿真结果可知，拼接气隙对该外转子电机性能有着微小影响。其中，不同轴向截面的拼接气隙会使铁心损耗、三相合成转矩、空载反电动势略微降低，而同一轴向截面的拼接气隙对铁心损耗、三相合成转矩、空载反电动势的影响不大(参见图16、图18、图19)。
由于空载反电动势最终影响三相合成转矩，因此在进行电机优化时，常考虑铁心损耗和三相合成转矩对电机性能的影响，理想的电机为低损耗、高转矩的电机。在此实施例中，不同轴向截面的气隙会使铁心损耗降低，如图16所示，降幅约7.41％，对电机性能有利。同时，不同轴向截面的气隙会使转矩降低，如图18所示，降幅约4.10％，对电机性能不利。
通过对比有气隙和无气隙时的性能差别，把无气隙设为0mm，有气隙设为 0.5mm(综合考虑定子铁心尺寸和机械制造的精度，选0.5mm比较合适，在不同尺寸或结构的电机中气隙取值并不固定，0.5mm只是举例子的一个值)，做排列组合，形成如附图的四种情况。由仿真结果，A为固定值(0或0.5)，B 为变量时，B为0.5的性能优于B为0的性能。B为固定值(0或0.5)，A为变量时，0.5和0性能差不多。最终得出的结论是：同一轴向截面拼接气隙A 取值合理即可，它的大小对电机性能无影响。不同轴向截面拼接气隙B为0.5 时优于无气隙。
综上，本实施例所得的模块化爪极永磁电机的核心部件，由于采用模块化的定子铁心，使得由其构成的电机性能优于采用一体化定子铁芯的电机的性能。
虽然本发明已经结合其具体实施方式进行了描述，但是应该理解，本发明能够进行进一步变型。本申请意图覆盖总体上根据本发明的任何变型、用途或对本发明作出的改变，包括诸如落入本发明所属技术领域内的已知或惯常实践中的那些与这里公开内容不同的方案以及诸如可以应用于前面提出的基本特征的那些方案。
因为本发明可以以若干形式实施而不脱离本发明基本特征的精神，所以应该明白，除非具体声明，上面描述的实施方式不是用来限制本发明，而是应该在所附权利要求书中限定的本发明精神和范围内广义理解。所描述的实施方式应该在所有方面都被认为只是解释性的，而不是限制性的。
各种变型和等同布置意图被包括在本发明和所附权利要求书的精神和范围内。因此，具体实施方式应被理解为可以实践本发明原理的多种方式的示意性解释。在后面的权利要求书中，装置加功能条款意图覆盖执行所限定功能的结构，以及不仅是结构上等同物还有等同结构。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (5)
1.一种模块化爪极永磁电机的核心部件，其特征在于，该核心部件由多个单相爪极电机单元构成，每个单相爪极电机单元结构相同且为单定子单转子结构，多个单相爪极电机单元同轴心无间隙设置；多个爪极电机单元的转子结构并列设置且状态相同，相互之间无偏角；相邻两个爪极电机单元的定子结构在轴向上呈固定偏角设置，该固定偏角的角度为360°/NPm，其中Np为极对数，m为相数；极对数指的是一个转子结构上的永磁体的对数，相数指的是轴向排列的单相爪极电机单元数量；装配时，多个爪极电机单元的转子结构的轴心、多个爪极电机单元的定子结构的轴心与电机转轴的轴心重合；
所述单相爪极电机单元的转子结构包括具有一定高度与宽度的环形的转子铁心，以及均匀的设置在转子铁心的曲面上的永磁体；所述单相爪极电机单元的定子结构包括定子铁心与电枢绕组；
所述定子铁心由与第一定子铁芯与第二定子铁芯构成，第一定子铁芯由多个结构相同的定子模块组成，一个定子模块包含一个爪极和一部分定子轭部，多个定子模块上的定子轭部构成一个完整的环形结构，在每一个定子模块的定子轭部的中部水平向外延伸有一个由梯形与矩形衔接而成的连接部，连接部的末端衔接有一个与连接部所在平面垂直的爪极；且在定子轭部的靠近连接部的一侧设置有以定子轭部的高度与连接部的高度之差为高度的一圈空隙，用于安装电枢绕组，该一圈空隙与爪极位于定子轭部的同一侧；多个定子模块以爪极朝向同一侧排布的形式构成一个环形的第一定子铁芯，第二定子铁芯的结构与第一定子铁芯结构相同，两者以爪极相向且爪极居中交错的形式排布在骨架的槽口内，从而组装成一个整体，形成模块化的定子铁心；
骨架为一体化结构，由绝缘材料制造而成，包括圆环状的内部挡圈，在内部挡圈的高度方向的上部、中部、下部向外各延伸有一圈环形挡板，分别为上部挡板、中部挡板和下部挡板，在上部挡板与中部挡板之间、中部挡板和下部挡板之间均垂直设置有卡位板，卡位板沿内部挡圈的径向方向设置；卡位板的上、下端分别衔接在相邻的两层挡板上，卡位板靠近内部挡圈的一侧与内部挡圈的外侧面衔接在一起；在上部挡板与中部挡板之间的卡位板以及中部挡板与下部挡板之间的卡位板均沿径向方向均匀布置一周，但衔接上部挡板的卡位板在空间上位于两个相邻的衔接下部挡板的卡位板之间；相邻的两层挡板内的两个相邻的卡位板以及位于该两个相邻的卡位板之间的挡板侧面、内部挡圈外表面部分形成一个槽口；一个槽口的尺寸与一个定子模块的远离爪极一侧的定子轭部的尺寸相匹配，一个定子模块通过嵌入定子轭部的方式设置在一个槽口上，两者通过接触面之间的摩擦力紧固连接，安装时，定子模块的定子轭部通过挤进的方式嵌入槽口内；槽口的数量与定子模块的数量相同；内部挡圈的与挡板平行的侧面上设置有沿轴向的通孔，用于定子结构的安装与固定；
骨架上的上部挡板与下部挡板的环宽不小于定子轭部的衔接连接部的环宽，中部挡板的环宽不大于定子铁芯的一圈空隙处的内侧的定子轭部的环宽，卡位板的沿内部挡圈的径向的长度不大于定子铁芯的一圈空隙处的内侧的定子轭部的环宽；卡位板的厚度为相邻两个定子模块之间的拼接气隙尺寸，即同一轴向平面拼接气隙尺寸；中部挡板的厚度为第一定子铁芯与第二定子铁芯之间的拼接气隙尺寸，即不同轴向平面拼接气隙尺寸；
第一定子铁芯与第二定子铁芯组装时，第一定子铁芯上的爪极的末端不超过第二定子铁芯的定子轭部的外侧面；所述爪极为梯形爪极，即沿轴向爪极的截面积不等；
电枢绕组安装在第一定子铁芯和第二定子铁芯的爪极与定子轭部的一圈空隙所围成的环形定子空腔内；电枢绕组采用全局环型绕组结构，呈圆环形；
所述转子铁心为一个圆环形结构，其高度和第一定子铁芯的外侧面到第二定子铁芯的外侧面之间的距离相等，在转子铁心的内侧曲面或者外侧曲面上沿周向设置有与定子铁心的爪极的数量相等且位置正对的永磁体，永磁体的长度与转子铁心的高度相等；所述永磁体沿转子铁芯径向进行充磁，且相邻永磁体充磁方向相反；
所述永磁体为具有两个相互平行的曲面的六面体结构，为一个与转子铁芯等高度的圆环形结构的一部分，永磁体通过在其一曲面上涂布粘合剂与转子铁芯的曲面连接，两者连接处的曲面平行。
2.根据权利要求1所述的一种模块化爪极永磁电机的核心部件，其特征在于，该核心部件由3个单相爪极电机单元构成，为外转子电机的一部分，极对数为10，固定偏角为12度，永磁体均匀设置在转子铁心的内侧曲面上。
3.根据权利要求1或2任一项所述的一种模块化爪极永磁电机的核心部件，其特征在于，转子铁心由硅钢片或软磁复合材料制成。
4.根据权利要求1或2任一项所述的一种模块化爪极永磁电机的核心部件，其特征在于，永磁体采用铁氧体材料或者钕铁硼材料。
5.根据权利要求1或2任一项所述的一种模块化爪极永磁电机的核心部件，其特征在于，所述骨架为环氧树脂材料。
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