CN112865467B - 组合定子铁心爪极横向磁通永磁无刷电机结构及其方法 - Google Patents

Abstract

本公开提出了组合定子铁心爪极横向磁通永磁无刷电机结构及其方法，包括：由内至外依次布置的转轴、转子及定子；其中，所述定子由三组结构尺寸相同的一相定子模块组成，每相定子模块均包括定子轭、定子齿以及一相绕组线圈，所述定子齿由定子齿齿身和定子齿齿靴组成，所述定子齿齿身部分嵌入到定子轭中，所述定子齿齿靴与定子齿齿身过盈配合，具有高转矩密度、高效率、过载能力强、制造加工工艺简单、驱动控制方式简单的优势。

Description

组合定子铁心爪极横向磁通永磁无刷电机结构及其方法

技术领域

本公开属于电机技术领域，尤其涉及组合定子铁心爪极横向磁通永磁无刷电机结构及其方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

直驱电机目前并没有非常严格的定义，其主要特点为低速大转矩，一般是指转速低于500转/分钟可以直接驱动负载的电机。对于设计转速低于50转/分钟的直驱电机，则称其为超低速直驱电机。当前直驱电机在工业领域中有着非常广泛的应用，在商业通风、工业生产传送系统、油田开采、港口起重、风力发电等场合开始逐渐发挥作用。传统采用感应电机加装机械减速器的动力系统往往存在整体结构复杂庞大、减速器昂贵且易故障磨损、设备整体可靠性差、检修频率高、维修周期长以及设备整体运行效率低等问题，已经无法满足当前经济社会发展以及节能环保的需求，因此可以预见直驱电机将会在工业领域得到更广的普及并发挥更大的价值。特别是近些年来各主流企业开始引进工业机器人代替传统劳动力进行生产。工业机器人的4大组成部分为：本体、伺服系统(包括伺服驱动和伺服电动机)、减速器、控制器。但是，仅其中的减速器成本占比就达到36％。工业机器人通过加装直驱电机代替传统的伺服电机+减速器组合传动机构，则可以极大程度降低工业机器人整体成本，此外通过摒弃减速器这一复杂机械机构，工业机器人设备运行可靠性和安全性可以大幅提升。

传统的感应电机作为直驱电机使用存在诸多问题。感应电机在设计为低额定转速时，要求其有较多的极数，导致励磁电流大幅增加，进而造成电机效率和功率因数下降，因此，目前主流研究均不采用感应电机作为直驱电机使用。永磁同步电机的励磁磁场由永磁体提供，因而不会存在励磁电流，电机可以具有更高的极对数，适宜低速大转矩直驱应用；此外，永磁电机还具有功率因数高、效率高等优点，满足了工业生产对节能减排的需求。

针对永磁直驱电机，国内外专家学者开展了大量研究，对其结构进行了不断创新。华中科技大学曲荣海教授设计研发出一种7MW分数槽集中绕组永磁风力发电机，该电机设计转速仅为7转/分钟，转矩密度达到了108kN/m³。浙江大学李云康提出一种适应于低速大转矩输出的游标伪直驱永磁电机，该电机是一种利用磁齿轮效应的磁场调制电机，它将磁性齿轮耦合到电机内部，具有转矩密度高的优势。韩国国立群山大学的Byungtaek Kim教授对永磁游标电机的工作原理和设计方法进行研究推导了反电动势和功率的表达式，在此基础上计算电机的最大功率密度，进而确定转矩与气隙容积的对应关系，得出的游标电机的功率密度随气隙长度的增加而增大。为了进一步提高传统径向磁通永磁电机的转矩密度，Lipo教授等人提出采用多定子或多转子的复合径向磁通结构。江苏大学徐亮等人提出了一种新型径向磁通永磁电机，通过Halbach阵列使磁通量集中来提高电机的性能，使电机具有更高的转矩密度，可以作为直驱电机进行应用。以上研究均是针对径向磁通电机结构展开，径向磁通永磁电机作为一种最常规普通的电机结构，作为直驱电机应用普遍具有结构简单、功率因数高、效率高以及装配维护简单等优点，但同时该种类型电机也存在体积大、重量沉以及轴向长度过大等问题，制约了其作为直驱电机更广泛的应用。为此，许多专家学者开始对转矩密度更高、轴向长度更短的盘式轴向磁通电机展开研究。盘式轴向磁通电机结构丰富，转矩密度大且低速运行平稳，使其在低速大转矩直驱电机领域具有很好的应用价值。Sanjida Moury等人提出一种基于PCB印制绕组的盘式轴向磁通永磁电机，电机转速设计为72转/分钟，电机体积小、效率高，被应用在海流直驱式发电机中。Takeo Ishikawa提出一种兼具轴向磁通和径向磁通结构的永磁电机，其功率密度达到了219kW/m³。Metin Aydin等人提出一种轮辐式聚磁结构转子无铁心盘式轴向磁通永磁电机，与常规电机相比，该电机具有零齿槽转矩、气隙磁密高、转矩密度高等优点，非常适合于直驱应用。意大利学者Giulio De Donato等人提出了一种不对称环形绕组Torus拓扑结构轴向磁通永磁电机，电机设计转速320转/分钟，设计输出转矩2014Nm，电机不仅可以适用于电力牵引装置，还可以进一步推广到其他直驱应用中。国内盘式轴向磁通直驱电机更多应用于风力发电设备中，湖南大学黄守道教授团队就提出将一种SMC材料定子铁心轴向磁通永磁电机作为风力发电机使用，该电机运行速度低，极数多，使用双转子单定子结构，作为直驱风力发电机性能优异效果良好。

除了上述关于直驱电机的研究以外，近年来横向磁通永磁电机作为一种新型结构电机，凭借其转矩密度高、设计自由度大、绕组形式简单、电路磁路相互解耦等优点开始受到了国内外研究学者的青睐，并逐步应用到直驱电机领域。这种基于横向磁通结构的永磁电机潜力巨大，由于横向磁通电机仍属于同步电机的范畴，因而电机的控制方法如矢量控制、直接转矩控制等方法以及现代控制理论的算法如模糊控制、神经网络控制等，仍旧可以应用到横向磁通电机中；并且各相间的解耦使控制更加灵活方便，可以通过控制绕组电流来满足不同直驱电机系统对转矩密度、效率和功率因数等的要求。

20世纪80年代末，德国的H.Weh教授首先提出了横向磁通电机这一新型电机结构形式。横向磁通电机的主磁通路径所在平面与转子运动方向垂直，这使其从理论上克服了传统电机齿槽位于同一截面，几何尺寸相互制约，电机转矩难以根本提高的缺陷，因此特别适合低速大转矩、直接驱动的应用场合。1988年德国率先研制了首台45kW横向磁通永磁电机样机。英国Rolls-Royce国际研发中心于1997年设计并制作了3.0MW采用C形定子铁心的横向磁通永磁电机样机；目前正在研制16相20MW横向磁通永磁电机；美国通用汽车Allsion传动部着手于研究复合软磁材料(SMC)成形定子的横向磁通电机，并研制了30kW电动车用横向磁通电机；2013年，日本本田公司工程师集中展示了三款新型横向磁通电机，电机创新采用了矩形波浪绕组并改进了软磁复合材料铁粉制备工艺，最终制造得到的电机转矩达到140Nm，效率达到83.7％。

国内对横向磁通电机的研究开展较晚，目前都还处于理论研究以及样机设计研发阶段。沈阳工业大学的唐任远院士团队对一种新型卷绕定子铁心、内置聚磁结构转子的横向磁通永磁电机展开了研究，制作了一台20对极、5kW样机；上海学者江建中团队提出了一种基于E型结构铁心的横向磁通永磁电机，并进行了深入分析研究；清华大学邱阿瑞教授团队提出了一种基于U型定子铁心的新型横向磁通永磁电机，设计制造了一台15对极、15kW的电机样机；华中科技大学辜承林教授团队提出一种外转子结构中小功率横向磁通永磁电机，电机结构简单，成本低廉，具有很好的应用价值。此外，在横向磁通永磁电机的国内应用方面，中船重工集团正在致力将横向磁通永磁电机应用到大型船舶推进系统中。

然而，横向磁通永磁电机拓扑结构复杂，存在漏磁、齿槽转矩大、功率因数低等缺陷，限制了其在直驱领域的应用。为了提高横向磁通永磁电机的性能，主流研究提出在横向磁通永磁电机中采用爪极结构。悉尼科技大学郭有光团队对比研究了爪极横向磁通电机和普通横向磁通永磁电机的转矩密度和效率，结果表明，通过使用爪极结构可以有效减小开槽面积进而减少漏磁量，实现横向磁通永磁电机更高的转矩密度。瑞典查尔姆斯理工大学学者S.K.Tidblad Lundmark等人提出一种Torus绕组环形转子永磁体爪极横向磁通永磁无刷电机，适宜作为直驱伺服电机应用。此外，国内沈阳工业大学、华中科技大学、河北工业大学以及山东大学等院校也均对爪极横向磁通永磁无刷电机进行了相关研究。

电机作为工业生产中最基础的设备部件，其改造升级将对所在行业乃至整个国民经济起到巨大的推动作用。目前工业中使用到的起重机、传输机、清洁能源发电机、工业机器人、油田抽油机以及大型工业风扇等设备普遍还是采用电机+减速箱的传动模式，不能一步到位直接使用直驱电机输出所需求的低速大转矩，这就会导致工业设备整体结构复杂庞大、设备成本高、易故障磨损、设备整体可靠性差、检修频率高、维修周期长以及设备整体运行效率低等问题，与我国当前的经济社会发展需求以及节能减排目标严重不符。因此，设计研发高性能直驱电机并进行普及应用对提高我国的自主创新能力、提升资源利用效率、优化产业结构水平、实现我国工业的转型升级和跨越式发展具有重要意义。目前国内直驱电机的研发水平较国外仍有较大差距，在可靠性、功率密度、转矩密度、运行效率等方面与国外差距较大。同时，国外各种先进直驱电机也并未取得很好的应用示范效果，不能得到有效推广使用。结合以往的相关研究可以得出，爪极横向磁通永磁无刷电机作为一种新型结构电机，由于其转矩密度高、设计自由度大等优点成为直驱电机的未来发展方向。但由于爪极横向磁通永磁无刷电机结构和原理的特殊性，国内外均未得出可以投入实际应用的设计方案。为最终实现爪极横向磁通永磁无刷电机的产业化、商业化，使其能够真正投入到直驱应用领域中，需重点研究和解决以下方面的问题：

1.爪极横向磁通永磁无刷电机的结构创新与优化设计。现有结构的爪极横向磁通永磁无刷电机存在绕组交链的有效磁通偏低,定子爪极易饱和导致电机过载能力差等问题。此外，由于爪极结构的存在，爪极横向磁通永磁无刷电机设计参数的优化与以往传统电机对定子槽参数的优化存在很大不同。因此，对现有结构的爪极横向磁通永磁无刷电机进行结构创新并探究其优化设计方法是需要解决的关键问题。

2.新材料在爪极横向磁通永磁无刷电机中的应用问题。由于爪极横向磁通永磁无刷电机的特殊结构，电机磁路为三维路径，传统电机铁心使用的硅钢片材料由于其二维磁路特性不能直接应用到爪极横向磁通电机中，为此相关研究学者在新材料方面谋求突破。软磁复合材料(SMC)是一种新型导磁功能材料，与电机通用的叠压硅钢材料相比，具有高频铁耗低、各向同性磁热特性等明显优势，用于电机时可实现电机的三维磁路结构、多极高频及模块化设计，基于SMC的爪极横向磁通永磁无刷电机具有结构简单、高效、高转矩密度等优势。将软磁复合材料(SMC)应用到爪极横向磁通永磁无刷电机成为提高电机性能的重要可行手段。但是SMC也有低磁导率、低饱和磁密以及高磁滞损耗的缺点，使电机的输出转矩和过载能力下降。因此，基于SMC的优缺点，如何将其合理应用到爪极横向磁通永磁无刷电机中是需要解决的技术问题。

3.电机齿槽转矩优化问题。直驱电机输出端与负载直接相连，电机运行时的转矩脉动将直接反馈到负载端，从而影响工业设备的运行操作精度。齿槽转矩是定子铁心的齿槽与转子永磁体相互作用产生的磁阻转矩，是各种有槽结构永磁电机转矩脉动的重要组成部分。因此，如何降低齿槽转矩对抑制直驱电机转矩脉动是需要解决的问题之一。

4.电机制造和加工工艺问题。由于爪极横向磁通永磁无刷电机的结构形状与当前各类传统电机有明显差别，所以许多用于常规电机设计的经验公式和图标曲线均不适用于爪极横向磁通永磁无刷电机的设计。

5.直驱电机驱动控制问题，直驱电机由于直接驱动负载，省去了中间减速器环节，因此需要更高的定位精度。此外，目前普遍使用的传统伺服电机，其定子各相磁路相互耦合，导致电机控制数学模型复杂，求解困难，影响了电机驱动控制的精确性和快速性。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本公开提供了组合定子铁心爪极横向磁通永磁无刷电机，组合定子铁心爪极横向磁通永磁无刷电机转矩密度更大，效率更高，过载能力更强，更适合作为直驱电机使用。

为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

第一方面，公开了组合定子铁心爪极横向磁通永磁无刷电机结构，包括：由内至外依次布置的转轴、转子及定子；

其中，所述定子由三组结构尺寸相同的一相定子模块组成，每相定子模块均包括定子轭、定子齿以及一相绕组线圈，所述定子齿由定子齿齿身和定子齿齿靴组成，所述定子齿齿身部分嵌入到定子轭中，所述定子齿齿靴与定子齿齿身过盈配合。

进一步的技术方案，所述转轴包括轴伸端、前轴承段、转子段、后轴承段及编码器段；

轴伸端用于输出转矩连接负载；

前轴承段与前轴承配合；

转子段与转子配合，实现转矩由电机到转轴的传输；

后轴承段与后轴承配合，装配式采用过盈配合；

编码器段与编码器相连接，输出电机转速以及转子位置数据。

进一步的技术方案，所述定子轭轴向前后沿圆周方向各均匀分布多个“凸”型槽，“凸”型槽深度与定子齿齿身叠压方向厚度一致。

进一步的技术方案，所述定子齿齿身由硅钢片沿轴向方向叠压制成，齿身硅钢片整体呈不规则扇形结构，齿身外径处沿圆周方向往两侧突出，与定子轭上的“凸”型槽配合，使齿身部分嵌入到定子轭中。

进一步的技术方案，所述定子齿齿身内径处开有两个槽，呈“廿”字结构，所述定子齿齿靴由硅钢片沿圆周切向方向叠压制成，齿靴硅钢片为梯形结构，其与齿身连接部位开有槽口，与齿身内径处的“廿”字结构配合，实现定子齿齿身与齿靴的定位与固定。

进一步的技术方案，所述转子包括永磁体以及一块转子铁心，所述电机转子铁心使用硅钢片叠压制成，为环形结构，在圆周方向上均匀分布有多个“凸”型槽，永磁体依次嵌入到转子铁心上的“凸”型槽中。

进一步的技术方案，所述硅钢片上的“凸”型槽包括两部分，一部分为放置转子永磁体的矩形槽部分，另一部分为靠近电机转轴处的扇形槽部分，矩形槽靠近扇形槽的部位宽度变窄，小于永磁体切向充磁方向宽度，以对永磁体起到固定和定位作用；

所述扇形槽的用于在永磁体内周形成隔磁桥，避免出现磁短路情况。

第二方面，公开了组合定子铁心爪极横向磁通永磁无刷电机，包括上述组合定子铁心爪极横向磁通永磁无刷电机结构。

第三方面，公开了组合定子铁心爪极横向磁通永磁无刷结构的装配方法，包括：

定子齿装配：将定子齿齿靴的槽口对准定子齿齿身的“廿”字结构位置，使其嵌入到定子齿齿身中；

定子齿与定子轭装配：定子齿装配好后将其齿身外径两侧突出部位对准定子轭“凸”型槽插入，之后采用胶粘的方式将定子轭与定子齿牢固组合在一起，轴向一侧定子齿嵌入到定子轭后，将一相绕组线圈放入定子齿与定子轭径向间的空隙中；

之后，将轴向另外一侧定子齿装配好后依次嵌入到定子轭中，轴向前后两组定子齿齿靴相对；

装配转子，将装配好后的转子与转轴组装在一起，转子与转轴采用过盈配合。

进一步的技术方案，还包括：定子齿与定子轭装配之后对定子施行灌胶步骤：对定子进行密封，工装从组装后的电机定子轴向一侧开始插入，并从另一侧进行灌胶，直至整个电机定子浸入到胶体中。

第四方面，公开了一种新型组合定子铁心爪极横向磁通永磁无刷电机的工作方法，包括：

永磁磁通依次经永磁体、转子铁心、气隙、定子齿齿靴、定子齿齿身、定子轭，然后再经过定子齿齿身、定子齿齿靴、气隙、转子铁心、永磁体形成闭合回路。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

1.本公开技术方案中使用新型组合定子铁心爪极横向磁通永磁无刷电机结构，扩展了直驱电机的种类，电机转矩密度提高，效率提升，电机过载能力增强，有助于促进直驱电机整体技术水平的进步，进而替代传统电机+减速器传动机构。

2.本公开技术方案解决了软磁复合材料在爪极横向磁通永磁无刷电机中的应用瓶颈。本公开采用了爪极横向磁通结构，电机定子包括轭部和齿部，齿部为爪极结构，转子运动方向垂直于主磁路磁通路径，单纯应用传统硅钢材料不能够解决电机的三维磁路结构问题，通过使用磁热各向同性的软磁复合材料制作定子铁心可以实现三维磁路结构，但软磁复合材料存在磁导率偏低、饱和磁密低的问题。利用本公开提出的组合软磁复合材料-硅钢铁心，可以充分兼顾硅钢材料和软磁复合材料的优势，在实现爪极横向磁通永磁无刷电机三维磁路的同时提升磁路磁导率以及过载能力，使软磁复合材料得到更高效的利用，达到产业互补推动的效果。

3.本公开技术方案解决了电磁耦合问题。爪极横向磁通永磁无刷电机电路磁路相互解耦以及各相间解耦，极大简化了电机的电磁计算和性能分析，解决了永磁电机研究过程中的关键问题。

4.本公开技术方案简化了电机制造和加工工艺。现有的爪极横向磁通永磁无刷电机其定子铁心一般采用软磁复合材料整体模压制成，存在工艺难度大，不易脱模以及铁心密度不均匀等问题。通过使用本公开提出的组合定子铁心结构，较为复杂的定子齿部分使用硅钢片制作，结构更为简单的定子轭使用软磁复合材料模压制作，电机定子铁心的制造和加工工艺得到简化。此外，电机绕组线圈为环形结构，且一相仅对应一个线圈，因此电机的绕线和下线工艺更加简单。

5.本公开技术方案丰富了齿槽转矩的优化方法。由于定子齿使用两种规格的硅钢片叠压后拼接组成，其定子齿靴和定子齿身的形状和设计参数可以灵活调整，从而改变气隙磁场的分布情况，优化电机齿槽转矩。

6.本公开技术方案简化了电机的驱动控制系统。爪极横向磁通永磁无刷电机实现了各相之间相互解耦控制，降低了直驱电机驱动系统开发难度及开发成本。

7.本公开技术方案提出的新型组合定子铁心爪极横向磁通永磁无刷电机与现有的直驱电机相比具有高转矩密度、高效率、过载能力强、制造加工工艺简单、驱动控制方式简单的优势。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开电机整体三维结构图；

图2为本公开电机转轴结构图；

图3为本公开电机一相定子模块结构图；

图4为本公开定子轭结构图；

图5为本公开定子齿齿身结构图；

图6为本公开定子齿齿靴结构图；

图7为本公开定子齿与定子轭组装示意图；

图8为本公开定子隔板结构图；

图9为本公开定子灌胶工装结构图；

图10为本公开转子结构图；

图11为本公开转子铁心硅钢片示意图；

图12为本公开转子永磁体结构图；

图13为本公开电机主磁路磁通路径示意图；

图14为本公开定子线圈接线示意图；

图中，1.定子，2.转子，3.轴承；

3-1、轴伸端，3-2、前轴承段，3-3、转子段，3-4、后轴承段，3-5、编码器段；

1-1、定子轭，1-2、定子齿齿身，1-3、定子齿齿靴，1-4、绕组线圈；

2-1、永磁体，2-2、转子铁心。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

本实施例公开了组合定子铁心爪极横向磁通永磁无刷电机结构，如图1所示，包括定子1、转子2和转轴3。

转轴3在电机设计及装配中起到关键作用，结合图2对转轴分段进行讲解，转轴3包括轴伸端3-1，前轴承段3-2，转子段3-3，后轴承段3-4，编码器段3-5。

具体的，转轴3轴伸端3-1用于输出转矩连接负载；前轴承段3-2与前轴承配合，装配时采用过盈配合；转子段3-3与转子2配合，实现转矩由电机到转轴的传输；后轴承段3-4与后轴承配合，装配式采用过盈配合；编码器段3-5与编码器相连接，输出电机转速以及转子位置等数据，实现电机的精确控制。

本公开电机定子1由三组结构尺寸完全相同的一相定子模块组成，还需要说明的是，本公开电机可以通过继续增加一相定子模块数量实现多相电机结构，在此仅以三相电机结构进行说明。三组一相定子模块在圆周方向上依次错开13.33°机械角度(120°电角度)，从而实现三相对称结构。一相定子模块结构如图3所示，包括一块定子轭1-1、18块由定子齿齿身1-2和定子齿齿靴1-3组成的定子齿以及一相绕组线圈1-4。其中，定子轭采用软磁复合材料模压制成，由于单一一种规格硅钢片无法实现爪极齿需要的三维磁路结构，定子齿齿身和定子齿齿靴分别采用两种规格的硅钢片叠压制成。

定子模块区别于现有的爪极横向磁通永磁无刷电机，采用了新型组合定子铁心结构：定子轭采用SMC材料模压制成；定子齿为叠压硅钢片材料制成，采用爪极结构。通过使用组合定子铁心结构，在保证电机三维磁路结构的同时，定子齿使用硅钢材料可以有效增加电机主磁路磁导，提高绕组交链的有效磁通，增加电机的输出转矩能力，此外电机饱和磁密提高，可以有效提升电机的过载能力。

电机定子轭如图4所示。定子轭内周共开有18个“凸”型槽，轴向前后沿圆周方向各均匀分布9个“凸”型槽，“凸”型槽深度与定子齿齿身叠压方向厚度一致。轴向前后相邻两“凸”型槽圆周方向上相差180度电角度，其对应的机械角度为20度(180度电角度/转子永磁体极对数9)。

电机定子齿齿身如图5所示，由硅钢片沿轴向方向叠压制成，齿身硅钢片整体呈不规则扇形结构。齿身外径处沿圆周方向往两侧突出，与定子轭上的“凸”型槽配合，使齿身可以部分嵌入到定子轭中，实现硅钢齿身和SMC材料定子轭的组合，同时起到定位作用，齿身内径处开有两个槽，呈“廿”字结构。

电机定子齿靴如图6，由硅钢片沿圆周切向方向叠压制成，齿靴硅钢片为梯形结构，其与齿身连接部位开有槽口，与齿身内径处的“廿”字结构配合，实现定子齿齿身与齿靴的定位与固定。针对不同的应用需求，齿靴内径处可以为矩形平面或圆弧面两种。当设计为矩形平面时，齿靴使用开有槽口的矩形硅钢片直接叠压制成；当设计为圆弧面时，可以使用不同规格硅钢片进行叠压，或者将单一规格的硅钢片叠压之后，使用激光切割将内径处处理为圆弧面，图6所示即为一种圆弧面定子齿靴。

结合图7对定子齿装配以及定子齿与定子轭的装配进行说明。将定子齿齿靴的槽口对准定子齿齿身的“廿”字结构位置，使其嵌入到定子齿齿身中。定子齿齿靴的槽口与定子齿齿身的“廿”字结构部位应采用过盈配合，将定子齿齿靴紧压到定子齿齿身中，使定子齿齿身与定子齿齿靴的连接足够牢固紧密。定子齿装配好后将其齿身外径两侧突出部位对准定子轭“凸”型槽插入，之后可通过采用胶粘的方式将定子轭与定子齿牢固组合在一起。轴向一侧9个定子齿嵌入到定子轭后，将一相绕组线圈放入定子齿与定子轭径向间的空隙中。之后，将轴向另外一侧定子齿装配好后依次嵌入到定子轭中，轴向前后两组定子齿齿靴相对。

在具体实施例子中，三相电机需要按上述方法装配制造三组一相定子模块，之后按如下方法将三组一相定子模块组装在一起，组成本公开电机定子。将三组一相定子模块进行分相，依次标记为A、B、C三相，在A相定子模块定子轭外周部位开孔，开孔位置可以任选；在B相定子模块定子轭外周部位开孔，开孔位置应相对于A相定子模块开孔位置沿圆周方向逆时针旋转13.33度机械角度(120度电角度)；在C相定子模块定子轭外周部位开孔，开孔位置应相对于A相定子模块开孔位置沿圆周方向逆时针旋转26.66度机械角度(240度电角度)。为实现电机各相磁路解耦，需要在电机相邻两相定子模块之间添加图8所示的隔板，隔板应采用不导磁材料制作，隔板上也需进行开孔，开孔位置与A相定子模块开孔位置相同。将A、B、C三相定子模块沿轴向进行排列，相邻两相间放置图8所示不导磁隔板，将开孔位置对齐，之后使用长螺柱贯穿所有部件，并使用螺栓进行紧固，使所有部件紧密贴合在一起，最终使用灌胶工装对定子进行密封。

由于电机定子只采用胶粘、过盈配合以及螺栓紧固等方法并不可靠，为保证电机可靠运转，需要对定子施行灌胶操作。灌胶工序需要配以图9所示工装，以对定子进行密封，工装从组装后的电机定子轴向一侧开始插入，并从另一侧进行灌胶，直至整个电机定子浸入到胶体中。

图10所示为本公开电机转子，包括18块永磁体2-1以及一块转子铁心2-2。采用内置式聚磁结构。

电机转子铁心使用硅钢片叠压制成，硅钢片结构如图11所示，为环形结构，在圆周方向上均匀分布有18个“凸”型槽，18块永磁体依次嵌入到转子铁心上的18个“凸”型槽中。永磁体为矩形长条结构，如图12所示，永磁体沿圆周切向方向充磁，圆周方向相邻两块永磁体充磁方向相反。通过使用内置式聚磁结构，可以产生更高的气隙磁密，相同电机体积下，电机输出转矩更高。

上述电机转子铁心硅钢片上的“凸”型槽包括两部分，一部分为放置转子永磁体的矩形槽部分，另一部分为靠近电机转轴处的扇形槽部分。矩形槽靠近扇形槽的部位宽度变窄，应小于永磁体切向充磁方向宽度，以对永磁体起到固定和定位作用；开设扇形槽的目的主要是在永磁体内周形成隔磁桥，避免出现磁短路情况。

电机的相邻两个一相定子模块需要设置轴向间隔，为不导磁材料制作的隔板，使相邻两相定子模块间形成轴向间隔，通过设置轴向间隔可以削弱相邻两相间的磁路耦合，减小相间干扰，同时各相间的解耦使直驱电机控制更加灵活方便。

将装配好后的转子与转轴组装在一起，转子与转轴应采用过盈配合，使用专用机械将转子紧压到转轴转子段3-3的相应位置。电机转轴与前后两个轴承采用过盈配合，前后两个轴承分别放置在前后两个端盖的轴承室中。

结合图13说明本公开电机工作原理：永磁磁通经永磁体2-1→转子铁心2-2a→气隙→定子齿齿靴1-3a→定子齿齿身1-2a→定子轭1-1→定子齿齿身1-2b→定子齿齿靴1-3b→气隙→转子铁心2-2b→永磁体2-1形成闭合回路。沿圆周方向相邻两个永磁体极性相反。当转子2旋转时，定子1内磁通交变，放置在在定子1内的绕组线圈1-4内感生出感应电动势。当定子绕组通交流电时，形成电枢磁场，与永磁体产生的磁场相互作用，产生同步电磁转矩，进而驱动电机旋转。

前后两组定子齿之间的空隙用于放置绕组线圈，电机的三相绕组线圈匝数、线规一致。沿轴伸端3-1向编码器段方向，三相绕组线圈依次为A相、B相、C相。三相绕组线圈在通入正向电流时，所产生的磁场方向一致。

根据实际应用需要，所述电机的三相绕组线圈可以按图14所示的两种接线方式进行连接，分别为星型连接和角型连接。

相比于传统结构的径向磁通永磁直驱电机，本公开的显著优势体现在电机转矩密度高、适合设计成低速多极结构、各相磁路解耦以及驱动控制简单。相比于现有的爪极横向磁通永磁无刷电机，本公开的显著优势体现在充分兼顾硅钢材料和软磁复合材料的优势，在实现爪极横向磁通永磁无刷电机三维磁路的同时提升磁路磁导率以及电机过载能力，同时制造加工工艺更加简单。

实施例子二

直驱电机作为一种低速大转矩电机，在该实施例子中，其核心部件采用实施例子一中的组合定子铁心爪极横向磁通永磁无刷电机结构，具体电机结构参见实施例子一所示，此处不再进行详细的描述。

电机转轴与前后两个轴承采用过盈配合，前后两个轴承分别放置在前后两个端盖的轴承室中；

所述定子绕组线圈为环形结构，放置在一相定子模块前后两排定子齿之间的间隔中，绕组排布方式为(A+)-(B+)-(C+)。

实施例子三

本说明书公开了一种新型组合定子铁心爪极横向磁通永磁无刷电机的工作方法，包括：

永磁磁通经永磁体→转子铁心→转子铁心与轴向一侧定子齿齿靴之间气隙→定子齿齿靴→定子齿齿身→定子轭→定子齿齿身→定子齿齿靴→转子铁心与轴向另一侧定子齿齿靴之间气隙→转子铁心→永磁体形成闭合回路。

沿圆周方向相邻两个永磁体极性相反。当转子旋转时，定子内磁通交变，放置在在定子内的绕组线圈内感生出感应电动势。

当定子绕组通交流电时，形成电枢磁场，与永磁体产生的磁场相互作用，产生同步电磁转矩，进而驱动电机旋转。

本公开技术方案结合当前直驱电机对低速大转矩、高效率、低成本等的需求，公开了一种新型结构的爪极横向磁通永磁无刷电机，以扩展爪极横向磁通永磁无刷电机的种类，实现一台能够满足直驱应用的爪极横向磁通永磁无刷电机，并替代现有电动机+减速器的传统模式。优化爪极横向磁通永磁无刷电机结构，合理设计电机尺寸，特别是爪极部分的结构尺寸，使电机达到最优性能，同时应兼具结构简单，便于制造，工艺难度低，重量轻，体积小等特点。

本公开技术方案根据爪极横向磁通永磁无刷电机的具体结构特点，总结出该类电机的设计经验公式，为以后爪极横向磁通永磁无刷电机的优化设计提供参考。此外，由于爪极横向磁通永磁无刷电机结构相对常规电机复杂，加工制造方法与常规电机相比存在很大不同，所以还必须重视爪极横向磁通永磁无刷电机加工工艺的研究，提高爪极横向磁通永磁无刷电机加工的精确度。

相较于现有的爪极横向磁通永磁无刷电机，新型组合定子铁心爪极横向磁通永磁无刷电机转矩密度更大，效率更高，过载能力更强，更适合作为直驱电机使用。

直驱电机是典型的机电一体化产品，在满足基本的控制功能的前提下，研究新型爪极横向磁通永磁无刷电机在线参数辨识、转动惯量辨识、负载转矩估算、控制参数自整定等算法，实现直驱电机高性能伺服驱动器。

本公开提出的新型组合定子铁心爪极横向磁通永磁无刷电机与传统结构的径向磁通永磁直驱电机相比，具有转矩密度高、适合设计成低速多极结构、各相磁路解耦以及驱动控制简单等优势；相比于现有的爪极横向磁通永磁无刷电机，本公开的显著优势体现在充分兼顾硅钢材料和软磁复合材料的优势，在实现爪极横向磁通永磁无刷电机三维磁路的同时提升磁路磁导率以及电机过载能力，同时制造加工工艺更加简单。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (9)

1.组合定子铁心爪极横向磁通永磁无刷电机结构，其特征是，包括：由内至外依次布置的转轴、转子及定子；

其中，所述定子由三组结构尺寸相同的一相定子模块组成，每相定子模块均包括定子轭、定子齿以及一相绕组线圈，所述定子齿由定子齿齿身和定子齿齿靴组成，所述定子齿齿身和定子齿齿靴分别采用两种规格的硅钢片叠压制成，所述定子齿齿身由硅钢片沿轴向方向叠压制成，齿身硅钢片整体呈不规则扇形结构，所述定子齿齿身内径处开有两个槽，呈“廿”字结构，所述定子齿齿靴由硅钢片沿圆周切向方向叠压制成，齿靴硅钢片为梯形结构，其与齿身连接部位开有槽口，与齿身内径处的“廿”字结构配合，实现定子齿齿身与齿靴的定位与固定；所述定子轭采用软磁复合材料模压制成，所述定子齿齿身部分嵌入到定子轭中，所述定子齿齿靴与定子齿齿身过盈配合。

2.如权利要求1所述的组合定子铁心爪极横向磁通永磁无刷电机结构，其特征是，所述转轴包括轴伸端、前轴承段、转子段、后轴承段及编码器段；

轴伸端用于输出转矩连接负载；

前轴承段与前轴承配合；

转子段与转子配合，实现转矩由电机到转轴的传输；

后轴承段与后轴承配合，装配式采用过盈配合；

编码器段与编码器相连接，输出电机转速以及转子位置数据。

3.如权利要求1所述的组合定子铁心爪极横向磁通永磁无刷电机结构，其特征是，所述定子轭轴向前后沿圆周方向各均匀分布多个“凸”型槽，“凸”型槽深度与定子齿齿身叠压方向厚度一致。

4.如权利要求1所述的组合定子铁心爪极横向磁通永磁无刷电机结构，其特征是，所述的定子齿齿身外径处沿圆周方向往两侧突出，与定子轭上的“凸”型槽配合，使齿身部分嵌入到定子轭中。

5.如权利要求1所述的组合定子铁心爪极横向磁通永磁无刷电机结构，其特征是，所述转子包括永磁体以及一块转子铁心，所述电机转子铁心使用硅钢片叠压制成，为环形结构，在圆周方向上均匀分布有多个“凸”型槽，永磁体依次嵌入到转子铁心上的 “凸”型槽中。

6.如权利要求5所述的组合定子铁心爪极横向磁通永磁无刷电机结构，其特征是，所述硅钢片上的“凸”型槽包括两部分，一部分为放置转子永磁体的矩形槽部分，另一部分为靠近电机转轴处的扇形槽部分，矩形槽靠近扇形槽的部位宽度变窄，小于永磁体切向充磁方向宽度，以对永磁体起到固定和定位作用；

所述扇形槽的用于在永磁体内周形成隔磁桥，避免出现磁短路情况。

7.如权利要求1-6任一所述的组合定子铁心爪极横向磁通永磁无刷电机结构的装配方法，其特征是，包括：

定子齿装配：将定子齿齿靴的槽口对准定子齿齿身的“廿”字结构位置，使其嵌入到定子齿齿身中；

定子齿与定子轭装配：定子齿装配好后将其齿身外径两侧突出部位对准定子轭“凸”型槽插入，之后采用胶粘的方式将定子轭与定子齿牢固组合在一起，轴向一侧定子齿嵌入到定子轭后，将一相绕组线圈放入定子齿与定子轭径向间的空隙中；

之后，将轴向另外一侧定子齿装配好后依次嵌入到定子轭中，轴向前后两组定子齿齿靴相对；

装配转子，将装配好后的转子与转轴组装在一起，转子与转轴采用过盈配合。

8.如权利要求7所述的组合定子铁心爪极横向磁通永磁无刷电机结构的装配方法，其特征是，还包括：定子齿与定子轭装配之后对定子施行灌胶步骤：对定子进行密封，工装从组装后的电机定子轴向一侧开始插入，并从另一侧进行灌胶，直至整个电机定子浸入到胶体中。

9.如权利要求6所述的组合定子铁心爪极横向磁通永磁无刷电机结构的工作方法，其特征是，包括：

永磁磁通依次经永磁体、转子铁心、气隙、定子齿齿靴、定子齿齿身、定子轭，然后再经过定子齿齿身、定子齿齿靴、气隙、转子铁心、永磁体形成闭合回路。

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