CN113315270A - 一种爪极电机定子铁芯、及应用该定子铁芯的电机组件 - Google Patents

一种爪极电机定子铁芯、及应用该定子铁芯的电机组件 Download PDF

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Abstract

本发明为一种爪极电机定子铁芯、及应用该定子铁芯的电机组件，该定子铁芯包括卷制硅钢制成的定子轭和软磁复合材料制成的多个定子爪极，多个定子爪极交替固定在定子轭的两侧。交替分布的一对定子爪极的末端分别对应一对极性相反的永磁体，永磁体的磁感线先从与其相对的定子爪极下部进入定子爪极，经过定子爪极分流到定子轭部的多层硅钢片上，磁感线在进入定子轭部的每个叠片中平行流动，再沿叠片穿出进入另一侧定子爪极中，经过整个定子爪极后回到相邻永磁体上；磁感线在定子轭的每个叠片中流过，几乎不会穿过中间的绝缘层，即不会产生涡流。这种定子铁芯结构能够保证磁路顺利通过，同时又能保证涡流损耗较低，满足三维磁通特性要求。

Description

一种爪极电机定子铁芯、及应用该定子铁芯的电机组件
技术领域
本发明涉及电机技术领域，具体涉及一种采用软磁复合材料和卷制硅钢片混合的爪极电机定子铁芯。该定子铁芯包括卷制硅钢制成的定子轭和软磁复合材料制成的定子爪极。
背景技术
爪极电机是横向磁通电机的一种，相较于径向磁通电机，其具有功率密度和转矩密度高的优点；且电枢绕组简单，绕组形状呈圆环状分布在电机内部，无端部绕组。相比于电励磁爪极电机，爪极永磁电机无需励磁绕组，减少了电刷、换向器装置，易于维护；由于无需励磁电流，有利于提高电机效率。爪极永磁电机的永磁体安装在转子侧，电枢绕组和爪极位于定子侧。
不同于传统的径向磁通电机，爪极永磁电机的定子铁芯具有三维磁通路径，且形状较为复杂，很难使用硅钢叠片制作，所以一般采用整钢结构。如申请号为201910437093.7的中国专利公开一种定子铁芯，采用叠片硅钢的形式，通过增加端板来维持磁通路径，这种方式增加制造难度，由于磁通从叠片爪极进入端盖时，部分磁通会透过端盖叠片的绝缘层而垂直于端盖叠片穿过，即磁通进入端盖时仍然会产生涡流。因此，硅钢材料对于爪极永磁电机的定子铁芯存在一定不适用性。
发明内容
为了克服爪极电机采用整钢铁芯涡流损耗高的缺点，同时降低制造难度及成本，本发明提出一种采用混合卷制硅钢材料和软磁复合材料的爪极电机定子铁芯、及应用该定子铁芯的电机组件。定子轭使用硅钢卷制而成，定子爪极则采用软磁复合材料。定子轭部卷制硅钢上涂有薄绝缘层，此处的卷制方式使得轭部磁通路径和硅钢片平行，而不会穿过硅钢片和硅钢片之间的绝缘气隙，因此基本不会产生涡流。相对于定子轭部使用软磁复合材料而言，涡流损耗不会升高，在不影响电机性能的基础上减少了软磁复合材料用量。
本发明解决所述技术问题的技术方案：
第一方面，本发明提供一种爪极电机定子铁芯，该定子铁芯包括卷制硅钢制成的定子轭和软磁复合材料制成的多个定子爪极，多个定子爪极交替固定在定子轭的两侧。
所述定子轭为圆环柱型，采用硅钢材料制造，定子轭沿其径向叠片多层硅钢片，能够降低涡流损耗又能保持磁通路径不经过硅钢片片间绝缘，所有硅钢片的表面均涂有绝缘漆，多个涂油绝缘漆的长条状硅钢片，通过卷绕围成圆环形成定子轭。在定子轭前后端面上设置有用于固定定子爪极的开槽，开槽形状与定子爪极上端的形状一致，使得定子轭能与定子爪极紧密结合在一起，这种使用硅钢的轭部制造简单，边角料浪费较少。
交替分布的一对定子爪极的末端分别对应一对极性相反的永磁体，永磁体的磁感线先从与其相对的定子爪极下部进入定子爪极，经过定子爪极分流到定子轭部的多层硅钢片上，磁感线在进入定子轭部的每个叠片中平行流动，再沿叠片穿出进入另一侧定子爪极中，经过整个定子爪极后回到相邻永磁体上。磁感线在定子轭的每个叠片中流过，几乎不会穿过中间的绝缘层，即不会产生涡流。这种定子铁芯结构能够保证磁路顺利通过，同时又能保证涡流损耗较低，满足三维磁通特性要求。
第二方面，本发还提供一种应用上述定子铁芯的电机组件，该电机组件还包括转子铁芯、永磁体、电枢绕组，其中，定子铁芯由硅钢和软磁复合材料材料共同组成，定子轭部采用卷制硅钢的形式制造，将已经涂好绝缘漆的长条状硅钢片，通过卷绕形成定子轭。将定子轭边缘部分开槽，以便放置定子爪极，实现与定子爪极的连接。定子爪极部分采用软磁复合材料，由于电机的三维磁通路径主要存在于定子爪极上，使用软磁复合材料可以保证磁通顺利通过，采用模压的方式制作定子爪极保证了不破坏材料内部的结构。多个定子爪极的形状完全一致，只需一种形状的模具即可。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明中对定子铁芯使用混合材料，拆分成定子轭和定子爪极两个部分制造。定子轭部使用卷制硅钢可以保持磁通在轭部的磁通路径，也避免了在定子轭部使用软磁复合材料，降低成本。定子爪极部分存在三维磁通路径，使用软磁复合材料，最后以啮合、粘接的方式连接定子爪极和定子轭部。
与普遍采用的整钢制造方式相比，整钢结构由于没有绝缘层，磁通穿过时会产生较大的感应涡流，进而导致涡流损耗。而本发明中定子爪极部分采用软磁复合材料、定子轭部采用卷制硅钢，软磁复合材料本身具有涡流损耗低的特点，卷制硅钢中间带有绝缘层避免了涡流，因此相比于整钢制造可以从很大程度上降低流损耗，从而提高电机效率。与定子全部采用软磁复合材料相比，定子轭部采用卷制硅钢，可减少软磁复合材料用量，降低成本；同时卷制的方式保证了磁通路径；硅钢磁导率高于软磁复合材料，有利于减小铁芯上的磁压降。此外，本专利中的材料结合方式自然地满足了爪极部分的模块化，由于轭部采用硅钢材料，各个爪极之间自然地被硅钢分开如图4所示，生产时可每个爪极可单独制作，有利于降低生产成本。轭部和爪极分开制作有利于嵌线，可将线圈提前安放在轭部内，然后再安装多个定子爪极。本发明爪极电机定子铁芯结构不只限于内转子电机，同时适用于外转子电机。
附图说明
图1为本发明爪极永磁电机的整体立体结构示意图；
图2为本发明爪极永磁电机的定子铁芯的立体结构示意图；
图3为本发明爪极永磁电机的定子铁芯轭部卷制硅钢立体示意图；
图4为本发明爪极永磁电机的定子爪极部分立体结构示意图；
图5为本发明爪极永磁电机的定子铁芯部分磁路走向示意图；
图6为本发明爪极永磁电机的单个定子爪极部分立体结构示意图；
图7是本发明电机绕组电流密度为6A/mm2时的电机转矩图。
图8为同样在6A/mm2电流密度下定子铁芯全部为软磁复合材料时电机转矩图。
具体实施方式
为对本发明做具体的阐述，下面结合附图，对本发明的具体实施方式做进一步说明。
本发明提供一种爪极永磁电机使用软磁复合材料与硅钢混合结构的定子铁芯，以内转子爪极永磁电机为例，则所提出的铁芯结构是针对电机的外部定子铁芯。该电机包括转子铁芯4、定子铁芯、永磁体5、电枢绕组3，其中转子铁芯、永磁体以及电枢绕组的材料与结构与普通爪极永磁电机类似，电枢绕组设置在定子铁芯上，被定子爪极1和定子轭2所包裹；在转子铁芯的与定子铁芯相对的侧面上设置有永磁体，且永磁体与定子铁芯之间有一圈气隙。所述电机定子铁芯则不同于现有爪极永磁电机。定子爪极为软磁复合材料模压而成，定子轭部为硅钢叠片卷制而成。
在转子铁芯4与定子爪极1中间设置有永磁体5，永磁体5径向充磁，且相邻永磁体5充磁方向相反；永磁体5与定子爪极1之间有一层气隙；电枢绕组3呈环状放置在定子爪极1和定子轭2之间；定子轭2使用硅钢卷制而成，在定子轭2两侧均匀地开槽以放置定子爪极1，两侧开槽位置相互错开，开槽形状与定子爪极1尾部形状相同，以便安置定子爪极1；多个定子爪极1均由软磁复合材料制作，每个定子爪极1形状一致，通过模压成型；定子爪极1交替布置在定子轭2两侧，与永磁体5数量一致，定子爪极1与定子轭2的连接部分互相契合，可使用粘接的方式固定。
本发明方法针对爪极永磁电机定子铁芯，采用软磁复合材料模压定子爪极，以及卷制硅钢定子轭部。通过两者拆分制造的方式，达到定子爪极模块化生产，降低制造难度；定子轭部采用硅钢，降低软磁复合材料的用量。
为保持爪极部分的三维磁通路径，定子爪极采用软磁复合材料作为导磁材料，爪极部分的多个定子爪极可模块化制造；定子轭部和定子爪极的连接通过以下方式实现：在定子轭上开槽使其与定子爪极的形状相契合，然后将定子爪极放置在定子轭部开槽的槽口上，通过粘接方式固定。相较于使用整块软磁复合材料的铁芯，单个定子爪极的结构简单，可以降低软磁复合材料铁芯模压制造难度。
本发明创造性地将硅钢片材料和软磁复合材料结合在一起来制造定子铁芯，软磁复合材料是一种三维导磁材料，具有各向同性、涡流损耗低的特点，采用模压的方式能够避免由于线切割而导致的对软磁复合材料结构的破坏，同时使用局部模块化的定子爪极形状相对简单，降低了开模难度，最大程度地降低了对电机性能的影响。
本申请定子铁芯适用于爪极永磁电机上，定子铁芯使用不同材料(软磁复合材料、硅钢)结合，且两种材料之间的结合方式，保留了定子爪极部分的软磁复合材料用作三维导磁，充分考虑了其三维磁通特性，在保证电机三维磁通路径下进行材料替换，选择软磁复合材料做定子爪极，将软磁复合材料的用量降至最低，降低成本，从而更加有利于生产、推广应用，避免采用传统的沿轴向叠制硅钢，而导致电机磁通大量穿过片间绝缘的问题发生。
本发明定子轭部采用卷制硅钢代替整体定子采用软磁复合材料是一种较为巧妙的方式兼顾磁通路径，减小涡流损耗，磁路先从一个定子爪极下部开始，不经过气隙，直接通过整个定子爪极进入定子轭，定子轭的每层叠片传递给另一侧的相邻定子爪极，使磁路不经过硅钢片之间的绝缘气隙，保证磁路顺利通过，同时又能保证涡流损耗较低，也降低材料成本和制造难度，电机中磁通路径参见图5。
当电机为外转子电机时，在外转子的内径侧面上均匀分布永磁体，相邻永磁体充磁方向相反，定子铁芯同轴置于转子内部，定子铁芯中的定子爪极的下部与永磁体位置相对，定子爪极的上部朝向定子和转子之间的间隙布置在定子轭上。
图7是本发明电机绕组电流密度为6A/mm2时的电机转矩图。图8为同样在6A/mm2电流密度下定子铁芯全部为软磁复合材料时电机转矩图。图7和图8测试时的相关电机参数如下：
参数 参数值 参数 参数值
极对数 6 气隙长度 1mm
轴向长度 18mm 转子外径 19.5mm
绕组匝数 25 转子铁芯厚度 9mm
绕组电流 9.7A 永磁体厚度 3mm
定子外径 33.5mm 转子内径 10mm
定子内径 20.5mm 永磁体材料 NdFeBN
定子轭厚度 3mm 转子铁芯材料 50ww471
文中所提6A/mm2电流密度，与这里的绕组电流9.7A等价，气隙长度指的是定子和转子之间的气隙。极对数指永磁体有6对，一共12个，爪极数量也是一样的。
对比图7和图8可以看出本发明中电机转矩较高，这是由于轭部采用硅钢，而硅钢磁导率高于软磁复合材料的原因。在转矩密度(转矩密度＝转矩/电机体积，此处体积不变转矩增加)方面得到提升。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (6)

1.一种爪极电机定子铁芯，其特征在于，该定子铁芯包括卷制硅钢制成的定子轭和软磁复合材料制成的多个定子爪极，多个定子爪极交替固定在定子轭的两侧。
2.根据权利要求1所述的定子铁芯，其特征在于，所述定子轭为圆环柱型，采用硅钢材料制造，定子轭沿其径向叠片多层硅钢片，所有硅钢片的表面均涂有绝缘漆，多个涂油绝缘漆的长条状硅钢片，通过卷绕围成圆环形成定子轭；在定子轭前后端面上设置有用于固定定子爪极的开槽，开槽形状与定子爪极上端的形状一致，使得定子轭能与定子爪极紧密结合在一起。
3.根据权利要求1所述的定子铁芯，其特征在于，交替分布的一对定子爪极的末端分别对应一对极性相反的永磁体，永磁体的磁感线先从与其相对的定子爪极下部进入定子爪极，经过定子爪极分流到定子轭部的多层硅钢片上，磁感线在进入定子轭部的每个叠片中平行流动，再沿叠片穿出进入另一侧定子爪极中，经过整个定子爪极后回到相邻永磁体上；磁感线在定子轭的每个叠片中流过，几乎不会穿过中间的绝缘层，即不会产生涡流；这种定子铁芯结构能够保证磁路顺利通过，同时又能保证涡流损耗较低，满足三维磁通特性要求。
4.一种应用权利要求1-3任一所述的定子铁芯的电机组件，其特征在于，该电机组件还包括转子铁芯、永磁体、电枢绕组，其中，定子爪极部分采用软磁复合材料，且采用模压的方式制作定子爪极。
5.根据权利要求4所述的电机组件，其特征在于，爪极电机为内转子电机或外转子电机。
6.根据权利要求4所述的电机组件，其特征在于，该电机组件，在同等条件下，电机转矩密度得到提升。
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