CN112968539A - 一种48槽三相集中绕组式永磁电机 - Google Patents

一种48槽三相集中绕组式永磁电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种48槽三相集中绕组式永磁电机，其包括定子铁芯与转子，所述定子铁芯上等角度环形设置有8个可供嵌线的线槽，相邻两个所述线槽之间形成有绕线齿，所述转子与所述定子铁芯之间形成有环形气隙，所述转子面向所述环形气隙的表面上环形均匀设置有46个或50个N极性与S极性交替分布的磁极，每个所述绕线齿上绕设有设定数量圈数的集中绕组，相邻八个所述集中绕组相互串联形成一个线圈组，共形成有六个所述线圈组，相对分布在180°方向上的两个所述线圈组构成单个相绕组，共形成三相绕组。本发明在同等外形尺寸大小的前提下，大大提高了电机的输出扭矩和输出功率，简化了绕线工艺，有利于提高绕线效率，降低了制作成本。

Description

一种48槽三相集中绕组式永磁电机
【技术领域】
本发明属于永磁电机技术领域，特别是涉及一种48槽三相集中绕组式永磁电机。
【背景技术】
在机械臂、机器人、无人机等应用领域需要使用高功率密度，大输出扭矩的三相永磁电机，希望在尽可能小的外形尺寸下获得尽可能大的输出转矩和输出功率。
目前常用的是36槽42极设计方案，如图1-图2所示，即在定子铁芯的圆周方向开有36个可供嵌线的槽，一个线圈的两个边分布在相邻两个槽中构成集中绕组(即跨槽数为1，线圈集中绕制在一个齿上)，电机转子在圆周方向均匀分布有42个磁极，三相线圈集中绕组按图2所示进行绕线。以三相绕组中的U相绕组为例，由#35、#36、#5、#6、#11、#12、#17、#18、#23、#24、#29、#30共计12个线圈/齿组成，两两线圈相邻，共计分成有6组。在绕线时每绕完1组(2个齿)后，需执行一个“跨齿”操作，以便跨过4个齿距绕制下一组线圈，中途需要执行5次的“跨齿”过渡操作，定子圆周一圈分布了很多的“跨齿过渡线”。
如图2所示，每个相绕组线圈在圆周上的分布均呈现出：两两线圈相邻，共计分成6组；两组之间需要有一个“跨过4个齿距”的“跨齿过渡线”相连接。该绕线结构存在以下弊端：1)绕线作业连续性差，绕线中途绕线机需要停顿5次并执行5次的“跨齿”过渡操作，跨齿过渡操作时，机械动作慢，作业时间浪费，生产效率低下；2)定子圆周一圈分布了共计多达15根的“跨齿过渡线”，由于跨齿过渡线会占用其他槽空间并干扰其线圈绕制，导致所能嵌入的线圈匝数降低，同时相邻的跨齿过渡线在线圈端部交叉重叠，抬高了线圈端部的高度，导致线圈用铜量的增加(成本增大)和电机相电阻增大，线圈用铜量的增加导致了成本的增加，电机相电阻的增大带来了电机损耗增大，效率降低、电机输出扭矩和输出功率降低等缺点。
因此，有必要提供一种新的48槽三相集中绕组式永磁电机来解决上述问题。
【发明内容】
本发明的主要目的在于提供一种48槽三相集中绕组式永磁电机，在同等外形尺寸大小的前提下，大大提高了电机的输出扭矩和输出功率，简化了绕线工艺，有利于提高绕线效率，降低了制作成本。
本发明通过如下技术方案实现上述目的：一种48槽三相集中绕组式永磁电机，其包括定子铁芯与转子，所述定子铁芯上等角度环形设置有8个可供嵌线的线槽，相邻两个所述线槽之间形成有绕线齿，所述转子与所述定子铁芯之间形成有环形气隙，所述转子面向所述环形气隙的表面上环形均匀设置有46个或50个N极性与S极性交替分布的磁极，每个所述绕线齿上绕设有设定数量圈数的集中绕组，相邻八个所述集中绕组相互串联形成一个线圈组，共形成有六个所述线圈组，相对分布在180°方向上的两个所述线圈组构成单个相绕组，共形成三相绕组。
进一步的，所述集中绕组中的每一个线圈的两个边分别嵌在对应所述绕线齿两侧的所述线槽内。
进一步的，所述转子设置在所述定子铁芯的外周，构成外转子电机。
进一步的，所述转子设置在所述定子铁芯的内圈内，构成内转子电机。
进一步的，所述转子包括转子冲片、内嵌或贴附在所述转子冲片上的46个或50个永磁体，所述永磁体面向所述环形气隙的一侧形成N/S磁极交替分布结构。
进一步的，所述线槽表面涂覆有绝缘材料层。
进一步的，同一个所述单个相绕组中的两个线圈组之间串联或并联。
进一步的，所述转子冲片内设置有若干收纳槽，所述永磁体内嵌于所述收纳槽内。
进一步的，所述永磁体由两片永磁片构成，且呈V形内嵌于所述转子冲片中；或由三排片永磁片构成，且呈半凹弧度内嵌于所述转子冲片内。
进一步的，所述永磁体呈辐射状径向的内嵌在所述转子冲片中。
与现有技术相比，本发明一种48槽三相集中绕组式永磁电机的有益效果在于：其电机的输出扭矩和输出功率能够带来显著的增长，电机绕线工艺简单，成本低，绕线效率高；经过实测，电机的齿槽转矩小，电机性能可获得显著的提高，并具有显著的经济效益。
【附图说明】
图1为现有技术中36槽42极三相电机的结构示意图；
图2为现有技术中36槽42极三相电机的绕线结构示意图；
图3为本发明实施例一中48槽46极的结构示意图；
图4为本发明实施例一中48槽50极的结构示意图；
图5为本发明实施例一外转子电机的绕线结构示意图；
图6为本发明实施例二内转子电机的结构示意图；
图7为本发明实施例二内转子电机的绕线结构示意图；
图8为本发明实施例二转子的局部结构示意图之一；
图9为本发明实施例二转子的局部结构示意图之二；
图10为本发明实施例二转子的局部结构示意图之三；
图11为本发明实施例二转子的局部结构示意图之四；
图12为本发明实施例二转子的局部结构示意图之五；
图中数字表示：
100 48槽三相集中绕组式永磁电机；
1定子铁芯，11线槽，12绕线齿；2转子，21转子冲片，22永磁体；3集中绕组；4线圈组。
【具体实施方式】
实施例一：
请参照图3-图5，本实施例为48槽三相集中绕组式永磁电机100，其包括定子铁芯1与转子2，定子铁芯1上等角度环形设置有48个可供嵌线的线槽11，相邻两个线槽11之间形成有绕线齿12，转子2与定子铁芯1之间形成有环形气隙，转子2面向环形气隙的表面上环形均匀设置有46个或50个N极性与S极性交替分布的磁极，每个绕线齿12上绕设有设定数量圈数的集中绕组3，相邻八个绕线齿12上的集中绕组3相互串联形成一个线圈组4，共形成有六个线圈组4，相对分布在180°方向上的两个线圈组4构成单个相绕组，共形成三相绕组。
集中绕组3中的每一个线圈的两个边分别嵌在对应绕线齿12两侧的线槽11内，集中绕组3的跨槽数为1，线圈集中绕制在一个绕线齿12上。
请参照图5，以三相绕组中的U相为例，U相绕组仅由两个线圈组，每组紧密相邻的8个线圈组成，即17#～24#、#41～#48，中间仅需执行1次跨齿动作，从而大大减小了因“跨齿”操作所带来的时间延长，绕线的生产效率得到提高，并且较少的跨齿过渡线对其他槽内绕线干扰少，并且线圈端部交叉重叠部分减小，槽内排线更美观，可获得更高的槽满率。
同时因槽数和磁极数的增加，48槽方案中的定子冲片相比36槽方案，其齿宽会减少，导致48槽的端部线圈高度较36槽方案会降低；端部线圈高度的降低，带来了电机轴向尺寸的降低；以及电机端部铜损的降低，电机输出功率会增大，效率会提高。
本实施例中，转子2设置在定子铁芯1的外周，构成外转子电机。外转子电机的最外一圈为转子冲片21，由导磁性能好的材料构成(比如：#8钢、#10钢、硅钢片、软磁合金等等)，用来提供永磁体磁场的流通回路。紧挨着转子冲片21内壁的是均匀分布的46个或50个永磁体22，永磁体的大小、尺寸和材料牌号完全相同，磁极方向是N/S间隔均匀排布。永磁体22通过胶水粘接在转子冲片21的内圈表面，与转子冲片21固化在一起，形成磁钢体，即转子2，磁钢体围绕中心轴线一起作旋转运动。磁钢体内圈和定子铁芯1外周之间间隔着一层空气层(称为气隙)，定子铁芯1由导磁性能良好的材料制成(如硅钢片、软磁合金等)，常采用片状相互叠压的方式，以降低涡流损耗。定子铁芯1在圆周方向上，间隔均匀的开有48个线槽11，形成48个齿槽相间的构造，并对所有线槽11表面用绝缘材料覆盖处理(槽绝缘)后，按图5对每个齿进行线圈绕制。线圈的2个边跨在相邻线槽11中(线圈两个边集中卷绕在1个绕线齿12上，称为“集中绕组”)，48个线圈按图5所示，分成3组相绕组，每个相绕组由2组线圈组4共计16个集中绕组3组成，每一组线圈组4中的8个集中绕组3串联，2组线圈组4之间可以进行串联或并联。3个相绕组按接线方式可以接线成“星型”接法也可以接成“三角形”接法，最终引出并得到三相电机的U、V、W相绕组接线头。
以外转子电机实施方案为例，电机转子外径110mm和定子冲片叠厚20mm保持不变，分别试制了一台本实施例所述的48槽三相集中绕组式永磁电机100和传统的36槽样机，所用磁性材料牌号均相同，电机驱动条件完全相同，电机槽内的线圈都尽量绕满，并确保电机空载转速相等。经过样机测试和对比，48槽设计方案和36槽设计方案相比，有如下的显著优势：
1)在相同的电机转速下，电机输出功率和输出扭矩，同比增大了15％-20％；
2)电机的最高效率提升了8％；
3)电机线电阻减小10％；
4)齿槽转矩降低到原来的15％；
5)线圈端部高度降低了30％；
6)电机轴向尺寸缩减了3mm；
7)定子绕线工艺性改善，排线美观，生产效率高。
本实施例48槽三相集中绕组式永磁电机100的有益效果在于：其电机的输出扭矩和输出功率能够带来显著的增长，电机绕线工艺简单，成本低，绕线效率高；经过实测，电机的齿槽转矩小，电机性能可获得显著的提高，并具有显著的经济效益。
实施例二：
请参照图6-图12，本实施例与实施例一的结构原理相同，其区别在于：转子2设置在定子铁芯1的内圈内，构成内转子电机。
内转子电机整体结构上是将定子移到最外侧，转子移到电机内部。最外侧是电机定子铁芯1，和外转子类似由片状软磁材料叠压制成，并在内圆周方向上均匀开有48个线槽11，形成48个齿槽相间的构造，线槽11开口是开在定子铁芯1的内侧圆周面上。同样在线槽11表面用绝缘材料覆盖处理(槽绝缘)后，按图7对每个绕线齿12进行线圈绕制，线圈排布和连接方式类似外转子方案(在此简略)。在定子铁芯1的内表面和转子2外表面之间，间隔着一层空气层(称为气隙)，同样磁钢体也由转子冲片21(软磁材料)和永磁体22构成，所不同的是，其转子结构按永磁体22的排布方式，可以有多种形态，举例但不限于如下：如图8所示，永磁体22均匀排布在转子冲片21外周表面，因此称为“表贴式”转子结构；图9中的永磁体22为一矩形块结构，内嵌在转子冲片21中；图10中永磁体22由2片矩形永磁体构成，呈V形嵌入到转子冲片21中；图11中永磁体22由3片矩形永磁体内嵌到转子冲片21中；图12中永磁体22呈辐射状径向的内嵌在转子冲片21中。无论转子结构是何种形态，均要求在转子面向气隙的那一侧圆周表面上，形成N/S磁场极性相间的46个或者50个磁极。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种48槽三相集中绕组式永磁电机，其包括定子铁芯与转子，其特征在于：所述定子铁芯上等角度环形设置有8个可供嵌线的线槽，相邻两个所述线槽之间形成有绕线齿，所述转子与所述定子铁芯之间形成有环形气隙，所述转子面向所述环形气隙的表面上环形均匀设置有46个或50个N极性与S极性交替分布的磁极，每个所述绕线齿上绕设有设定数量圈数的集中绕组，相邻八个所述集中绕组相互串联形成一个线圈组，共形成有六个所述线圈组，相对分布在180°方向上的两个所述线圈组构成单个相绕组，共形成三相绕组。
2.如权利要求1所述的48槽三相集中绕组式永磁电机，其特征在于：所述集中绕组中的每一个线圈的两个边分别嵌在对应所述绕线齿两侧的所述线槽内。
3.如权利要求1所述的48槽三相集中绕组式永磁电机，其特征在于：所述转子设置在所述定子铁芯的外周，构成外转子电机。
4.如权利要求1所述的48槽三相集中绕组式永磁电机，其特征在于：所述转子设置在所述定子铁芯的内圈内，构成内转子电机。
5.如权利要求3或4所述的48槽三相集中绕组式永磁电机，其特征在于：所述转子包括转子冲片、内嵌或贴附在所述转子冲片上的46个或50个永磁体，所述永磁体面向所述环形气隙的一侧形成N/S磁极交替分布结构。
6.如权利要求1所述的48槽三相集中绕组式永磁电机，其特征在于：所述线槽表面涂覆有绝缘材料层。
7.如权利要求1所述的48槽三相集中绕组式永磁电机，其特征在于：同一个所述单个相绕组中的两个线圈组之间串联或并联。
8.如权利要求5所述的48槽三相集中绕组式永磁电机，其特征在于：所述转子冲片内设置有若干收纳槽，所述永磁体内嵌于所述收纳槽内。
9.如权利要求8所述的48槽三相集中绕组式永磁电机，其特征在于：所述永磁体由两片永磁片构成，且呈V形内嵌于所述转子冲片中；或由三排片永磁片构成，且呈半凹弧度内嵌于所述转子冲片内。
10.如权利要求8所述的48槽三相集中绕组式永磁电机，其特征在于：所述永磁体呈辐射状径向的内嵌在所述转子冲片中。
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