CN114243964A - 一种采用轴向分段定子的低转矩波动永磁电机 - Google Patents

Abstract

一种采用轴向分段定子的低转矩波动永磁电机，涉及一种永磁电机。定子铁心由环形定子分段沿轴向拼接而成，分为交替排布的正向环形定子分段和反向环形定子分段两种，均由若干冲片叠压并沿圆周方向拼接而成，区别在于冲片的叠压方向不同，冲片外形呈“丁”字形结构包括外端弧形拼接翼、径向连接臂及内端弧形齿冠，外端弧形拼接翼拼装成圆环状与机壳内壁固定连接，径向连接臂位置重叠并缠绕定子线圈，相邻两段的内端弧形齿冠朝向相反。使产生的转矩波动分量相互抵消削弱，在降低转矩波动的同时保持电机的高转矩密度。

Description

一种采用轴向分段定子的低转矩波动永磁电机

技术领域

本发明涉及一种永磁电机，尤其是一种采用轴向分段定子的低转矩波动永磁电机，属于电机生产制造技术领域。

背景技术

永磁同步电机因其体积小、功率密度高、结构简单、运行平稳等优点而在各领域得到了广泛的应用。

转矩波动会导致电机运行过程中的振动和噪声，造成电机运行性能不稳定，因此，对转矩波动进行抑制是改善电机运行性能的重要举措。在永磁电机设计中，为了减小电机的转矩波动，多采用永磁体优化、斜极、斜槽等方法进行转矩波动的抑制。其中，永磁体优化虽然能够实现转矩波动的抑制，但是由于减少了永磁体用量，会导致电机功率密度的下降；而斜极、斜槽在抑制转矩波动的同时，会降低电机的等效极弧系数，导致永磁体利用率不足，输出转矩较低，并且斜极、斜槽的制作工艺难度较大，制造成本也较高。

综上所述，亟需对现有永磁电机的结构进行优化改进，使其能够在不减少永磁体用量、无需加工斜极、斜槽的基础上，实现转矩波动的有效抑制。

发明内容

为解决背景技术存在的不足，本发明提供一种采用轴向分段定子的低转矩波动永磁电机，它将定子铁心沿轴向分段设置，相邻两段在槽口处的内端弧形齿冠朝向相反，使产生的转矩波动分量相互抵消削弱，在降低转矩波动的同时保持电机的高转矩密度。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种采用轴向分段定子的低转矩波动永磁电机，包括由机壳、定子铁心和定子线圈组成的定子组件，以及由转轴和永磁体组成的转子组件，所述转轴上环绕固定多块所述永磁体并同轴设置于机壳内，所述转子组件与所述定子组件之间留有气隙，所述定子铁心由两个以上的环形定子分段沿轴向拼接而成，所述环形定子分段分为交替排布的正向环形定子分段和反向环形定子分段两种，所述正向环形定子分段由多个正向冲片叠块沿圆周方向拼接而成，所述反向环形定子分段由多个反向冲片叠块沿圆周方向拼接而成，所述正向冲片叠块及所述反向冲片叠块均由若干冲片叠压组成，区别在于所述冲片的叠压方向不同，冲片外形呈“丁”字形结构，包括在同一平面一体成型的外端弧形拼接翼、径向连接臂及内端弧形齿冠，多个冲片能够通过所述外端弧形拼接翼拼装成圆环状与所述机壳内壁固定连接，环形定子分段拼接成定子铁心后所述径向连接臂位置重叠并分别缠绕所述定子线圈，相邻的正向冲片叠块与反向冲片叠块的冲片的所述内端弧形齿冠朝向相反。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明将永磁电机的定子铁心在轴向上分成至少两个环形定子分段，并且作为定子铁心基础单元的冲片结构布置巧妙，环形定子分段在轴向上通过冲片叠压方向的不同分为正向冲片叠块和反向冲片叠块，冲片的径向连接臂位置重叠用于缠绕定子线圈，而槽口处的内端弧形齿冠朝向相反，使各环形定子分段所产生的转矩波动分量能够相互抵消削弱，从而实现转矩波动的有效抑制，相比于传统方法的永磁体优化和斜槽/斜极，无需削减永磁体用量并且工艺简单、成本低，有利于保持电机功率密度，获得更大的输出转矩。

附图说明

图1是本发明的轴测示意图一，其定子铁心采用两个环形定子分段拼接；

图2是本发明的轴测示意图二，其定子铁心采用三个环形定子分段拼接；

图3a是本发明的冲片的结构示意图；

图3b是图2条件下冲片叠压成一个反向冲片叠块和两个正向冲片叠块的轴测示意图；

图3c是图2条件下单个定子线圈缠绕的轴测示意图；

图3d是图2条件下定子组件的轴测示意图，其中机壳未表示；

图4a是本发明的正向环形定子分段的端面示意图，以转轴输出端为视角；

图4b是本发明的反向环形定子分段的端面示意图，以转轴输出端为视角；

图5a是仅使用正向环形定子分段制作电机和仅使用反向环形定子分段制作电机的转矩波形对比图；

图5b是图5a中两种转矩的波动幅值分析结果图；

图6是本发明与传统方法(永磁体优化、斜槽/斜极)及原型电机的效果对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1～图6所示，一种采用轴向分段定子的低转矩波动永磁电机，包括由机壳1、定子铁心和定子线圈5组成的定子组件，以及由转轴7和永磁体8组成的转子组件，所述转轴7上环绕固定多块所述永磁体8并同轴设置于机壳1内，所述转子组件与所述定子组件之间留有气隙。

本发明的核心在于所述定子铁心的改进，定子铁心由n个环形定子分段2沿轴向拼接而成(n≥2)，所述环形定子分段2分为交替排布的正向环形定子分段21和反向环形定子分段22两种，各分段上的槽在轴向上重合拼成用于容纳定子线圈5的安装槽。

结合图3b和图4a所示，所述正向环形定子分段21由z个正向冲片叠块3沿圆周方向拼接而成。

结合图3b和图4b所示，所述反向环形定子分段22由z个反向冲片叠块4沿圆周方向拼接而成。

其中，z为定子槽数。

结合图3a和图3b所示，所述正向冲片叠块3及所述反向冲片叠块4均由若干冲片6叠压组成，区别在于所述冲片6的叠压方向不同，即叠压正向冲片叠块3的冲片6与叠压反向冲片叠块4的冲片6互为镜像，因此可以使用单一的冲片6分别进行正向冲片叠块3和反向冲片叠块4的轧制。冲片6外形呈“丁”字形结构，包括在同一平面一体成型的外端弧形拼接翼61、径向连接臂62及内端弧形齿冠63。

结合图1～图2、图3a和图4a～图4b所示，多个冲片6能够通过所述外端弧形拼接翼61拼装成圆环状与所述机壳1内壁固定连接，进一步的，冲片6的外端弧形拼接翼61两端分别配合设置有拼接凸起611和拼接凹槽612，保证拼装的稳定，所述拼接凸起611宜采用半圆形凸起，所述拼接凹槽612宜采用半圆形凹槽，环形定子分段2拼接成定子铁心后所述径向连接臂62位置重叠并分别缠绕所述定子线圈5。

结合图3a和图3b所示，相邻的正向冲片叠块3与反向冲片叠块4的冲片6的所述内端弧形齿冠63朝向相反。

结合图1～2所示，所述永磁体8为弧形片状且数量为2P块，P为电机极对数，永磁体8环绕拼装成圆筒状并固定在转轴7上。

结合图1所示，为定子铁心分为两段，一个正向环形定子分段21和一个反向环形定子分段22。进一步的，由于定子铁心分为两段，为增强整体稳定性，可在定子铁心端部槽口处设置槽楔9进行密封防止定子线圈5脱落。

结合图2所示，为定子铁心分为三段，两个正向环形定子分段21和一个反向环形定子分段22。此外，分为两个反向环形定子分段22和一个正向环形定子分段21也可。由于定子铁心分为三段，相邻两段槽口处的内端弧形齿冠63朝向又相反，形成首段和末段的内端弧形齿冠63同一朝向，中间段的内端弧形齿冠63相反朝向的结构形式，定子线圈5的缠绕稳定无需槽楔9的使用。

此外，定子铁心也可分为更多段，如在环形定子分段2分为两段的基础上，总长度不变，将正向环形定子分段21均分为多段，将反向环形定子分段22也均分为多段，满足交替排布即可，相邻两段的内端弧形齿冠63朝向相反，类似于定子铁心分为三段的结构形式，定子线圈5的缠绕同样稳定无需槽楔9的使用。

结合图5a和图5b所示，定子铁心的分段依据如下：仅使用正向环形定子分段轴向拼接成定子铁心并用其制作一个电机，再仅使用反向环形定子分段轴向拼接成定子铁心并用其制作一个电机，以转轴7输出端为视角进行测试，得到两个电机的转矩波形如图5a所示和两种转矩的波动幅值分析结果如图5b所示，根据两种电机的转矩波动幅值的比值，取图5b中的0.196:0.076(接近于5:2)，则正向环形定子分段21与反向环形定子分段22的长度比取2:5，如实际整机轴向长度为190mm，则可求得正向环形定子分段21和反向环形定子分段22各自的长度(以图1为例，正向环形定子分段21可取长54mm，反向环形定子分段22可取长136mm)。在此基础上，可按实际需求在各自总长度不变的情况下对正向环形定子分段21和/或反向环形定子分段22继续进行拆分(以图2为例，均分得到两段正向环形定子分段21分别长27mm，设置在反向环形定子分段22两端)。

结合图3a～图3d所示，以图2所示的电机结构进行举例，定子铁心的拼装方式如下：首先使用冲片6进行一个反向冲片叠块4和两个正向冲片叠块3的轧制，将两个正向冲片叠块3叠压在反向冲片叠块4两端，保持两个正向冲片叠块3的内端弧形齿冠63同一朝向，反向冲片叠块4的内端弧形齿冠63相反朝向，形成单个定子齿部，之后在该单个定子齿部上缠绕定子线圈5，完成单个绕线定子齿部的制作，使用同样的方法共制作z个绕线定子齿部，最后周向拼接成完整的定子铁心并进行接线。

实施例

参照图6所示，取一台定子外径为53mm、额定转矩2Nm、额定转速7600r/min的永磁电机为原型电机，对比采用本发明得到的抑制效果和采用传统方法(永磁体优化、斜槽/斜极)得到的抑制效果，可以看出，本发明对转矩波动的抑制效果明显优于其它形式，详见表1所示。

表1各转矩抑制方法结果对比

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种采用轴向分段定子的低转矩波动永磁电机，包括由机壳(1)、定子铁心和定子线圈(5)组成的定子组件，以及由转轴(7)和永磁体(8)组成的转子组件，所述转轴(7)上环绕固定多块所述永磁体(8)并同轴设置于机壳(1)内，所述转子组件与所述定子组件之间留有气隙，其特征在于：所述定子铁心由两个以上的环形定子分段(2)沿轴向拼接而成，所述环形定子分段(2)分为交替排布的正向环形定子分段(21)和反向环形定子分段(22)两种，所述正向环形定子分段(21)由多个正向冲片叠块(3)沿圆周方向拼接而成，所述反向环形定子分段(22)由多个反向冲片叠块(4)沿圆周方向拼接而成，所述正向冲片叠块(3)及所述反向冲片叠块(4)均由若干冲片(6)叠压组成，区别在于所述冲片(6)的叠压方向不同，冲片(6)外形呈“丁”字形结构，包括在同一平面一体成型的外端弧形拼接翼(61)、径向连接臂(62)及内端弧形齿冠(63)，多个冲片(6)能够通过所述外端弧形拼接翼(61)拼装成圆环状与所述机壳(1)内壁固定连接，环形定子分段(2)拼接成定子铁心后所述径向连接臂(62)位置重叠并分别缠绕所述定子线圈(5)，相邻的正向冲片叠块(3)与反向冲片叠块(4)的冲片(6)的所述内端弧形齿冠(63)朝向相反。

2.根据权利要求1所述的一种采用轴向分段定子的低转矩波动永磁电机，其特征在于：所述定子铁心由两个环形定子分段(2)拼接时，在定子铁心端部槽口处设置槽楔(9)进行密封防止定子线圈(5)脱落。

3.根据权利要求1或2所述的一种采用轴向分段定子的低转矩波动永磁电机，其特征在于：所述冲片(6)的外端弧形拼接翼(61)两端分别配合设置有拼接凸起(611)和拼接凹槽(612)。

4.根据权利要求3所述的一种采用轴向分段定子的低转矩波动永磁电机，其特征在于：所述拼接凸起(611)为半圆形凸起，所述拼接凹槽(612)为半圆形凹槽。

5.根据权利要求1所述的一种采用轴向分段定子的低转矩波动永磁电机，其特征在于：所述永磁体(8)为弧形片状且数量为2P块，P为电机极对数，永磁体(8)环绕拼装成圆筒状并固定在转轴(7)上。

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