CN114285195A - 电机铁芯轭部端环装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开电机铁芯轭部端环装置，属于发电、变电或配电的技术领域。轭部端环由高导磁率材料构成，安装在电机铁芯端部，使得轭部端环成为电机铁芯的一部分。该轭部端环可为轭部磁通提供额外的路径，可在保证不牺牲转矩且电机质量不变或减小的情况下，使用径向厚度更薄的定子轭部或质量更轻的转子，安装端环后电机体积减小，从而提高转矩密度，而且能够增加空间利用率，提升散热性能。与此同时，该轭部端环结构简单且制造容易，成本较低。

Description

电机铁芯轭部端环装置
技术领域
本发明涉及电机定子铁芯结构的优化设计，具体公开电机铁芯轭部端环装置，属于发电、变电或配电的技术领域。
背景技术
电机作为机电能量转换的装置，电机的转矩密度和功率密度是衡量电机性能的重要指标，电机产生的转矩一般随其体积和重量的增加而增加。然而，在车辆牵引和机器人伺服驱动等一些空间有限的应用中，在同样的转矩与功率下，电机的体积、质量越小越好。
提高电机转矩密度的现有方法主要有：采用更好的材料、改善散热设计、改善加工工艺或者减少非有效部分的体积和重量。电机绕组一般绕制在定子槽和定子齿上，电机的体积由定子轭部外径和考虑端部绕组的总轴向长度决定，现有技术也无法消除绕组端部对电机体积的影响。由于绕组端部的外径一般小于定子轭部的外径，电机绕组端部和定子轭部端部之间的空间一般是空置的，空间利用率低下。
综上，现有技术未能充分利用电机铁芯端部的空间，本发明旨在充分利用此空间，提出一种安装在电机铁芯端部的端环装置。
发明内容
本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供电机铁芯轭部端环装置，通过在电机铁芯轭部端部安装端环装置延长电机铁芯轭部轴向长度，在不牺牲转矩且保证电机质量不变或减小的前提下，实现充分利用电机铁芯端部空间且提高电机转矩密度的发明目的，解决现有电机不能同时满足高转矩密度、小体积、轻质量的技术要求的技术问题。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
电机铁芯轭部端环，安装在电机铁芯端部，使得轭部端环成为电机铁芯的一部分，端环的轴向高度一般不高于定子端部绕组的轴向高度，端环可为轭部磁通提供额外的路径，安装端环后的电机铁芯磁阻不上升，使转矩量不减少。
进一步地，轭部端环装置用于内转子电机时，将轭部端环装置安装在定子轭部端部空间，轭部端环装置的内径大于或者等于电机定子铁芯槽底部所在直径，轭部端环装置的外径等于或者小于电机定子铁芯轭部外径。
进一步地，轭部端环装置用于内转子电机时，将轭部端环装置安装在转子的端部空间，轭部端环装置的内径小于或等于转轴外径，轭部端环装置的外径小于或等于转子铁芯的最大直径。
进一步地，轭部端环装置用于外转子电机时，将轭部端环装置安装在定子的轭部端部空间，轭部端环装置的外径小于或者等于电机定子铁芯槽底部所在直径，轭部端环装置的内径等于或者小于转轴外径。
进一步地，轭部端环装置用于外转子电机时，将轭部端环装置安装在转子的端部空间，轭部端环装置的外径小于或等于转轴外径，轭部端环装置的内径大于或等于转子铁芯的最小直径。
进一步地，将轭部端环装置安装在定子轭部端部空间或转子端部空间时，都可以依据质量不变的原则确定端环外径。为保持质量转矩密度水平，根据带端环电机与无端环电机质量相同的原则，求得带端环电机定子轭部外径，即有公式：
Figure BDA0003399079000000021
得
Figure BDA0003399079000000022
Dso为无端环传统电机定子轭部外径，DERo为带端环电机定子轭部外径，Wsy为无端环电机定子轭部径向厚度，L为铁芯长度，HER为端环轴向高度。可得DERo＜Dso，相较无端环电机，带端环电机定子轭部外径减小，既带端环电机可在不牺牲转矩与电机质量保持不变的情况下使用径向厚度更薄的定子轭部。根据求解的带端环定子轭部外径参数，设计的端环在构造上外径等于定子轭部外径，轴向高度不高于端部绕组，与定子铁芯相配合。电机轴向高度不变，定子轭部外径变小，电机整体体积变小，所以能够实现提高电机转矩密度的技术效果。
进一步地，将轭部端环装置安装在定子轭部端部空间或转子端部空间时，都可以依据转矩不变的原则确定端环外径，
Figure BDA0003399079000000023
进一步地，将轭部端环装置安装在定子轭部端部空间或转子端部空间时，端环外径可以在一个取值范围内确定，该取值范围的上下限根据质量不变原则以及转矩不变原则确定。
进一步地，电机铁芯轭部端环装置可以由实心高导磁率材料制成，或者，由可充电高导磁率材料制成。
进一步地，在电机铁芯两侧的端部空间分别安装一个轭部端环装置。
进一步地，对于碳刷占据较多端部空间的电机铁芯，将一个轭部端环装置安装在电机铁芯一侧的端部空间，或者，在电机铁芯一侧的端部空间内安装两个轭部端环装置。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
(1)整个电机整体结构简单，在定子轭部端部安装定子轭部端环，增加定子轭部端部空间的利用率，定子轭部端环可以为轭部磁通提供额外的路径，可在不牺牲转矩且保证电机质量不变或减小的情况下使用径向厚度更薄的定子轭部，减小定子轭部外径，减小电机体积，提升转矩密度，提高电机的性能。
(2)在定子轭部端部安装定子轭部端环，提升电机散热性能，结构简单制造容易，成本较低。
(3)定子绕组的轴向高度大于定子铁芯，绕组端部裸露在空气中，安装轴向高度不超过端部绕组轴向高度的轭部端环后，可有效保护定子绕组。
(4)在转子轭部端部安装本发明的端环装置，增加转子端部空间的利用率，转子轭部端环可以为轭部磁通提供额外的路径，可在不牺牲转矩且保证电机质量不变或减小的情况下使用质量更小的转子，减小电机体积，提升转矩密度，提高电机的性能。
(5)使用本发明提出的轭部端环装置对电机进行改造，可行性强，几乎所有电机都适用，轭部端环不限于圆形，可根据实际情况与要求变换形状，且不限于厚度均匀，可在局部改变厚度使电机性能进一步提高。
附图说明
图1(a)为定子结构图，图1(b)为图1(a)所示定子结构的径向剖面图。
图2(a)在定子轭部端部安装本发明的端环装置后的定子结构图，图2(b)为图2(a)所示定子结构的径向剖面图。
图3为安装本发明定子轭部端环装置的电机铁芯沿轴向拆分后的爆炸图。
图4为安装依据质量不变原则设计的定子轭部端环装置后电机转矩密度的仿真图。
图5为安装依据转矩不变原则设计的定子轭部端环装置后电机转矩密度的仿真图。
图6(a)为在转子端部安装本发明的端环装置后的电机铁芯结构图，图6(b)为图6(a)所示电机铁芯结构的径向剖面图。
图7为安装本发明转子端环装置的电机铁芯沿轴向拆分后的爆炸图。
图中标号说明：1、定子轭部端环，2、定子铁芯，3、绕组，4、转子。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
如图1(a)、图1(b)所示，定子结构包括定子铁芯2和绕组3，绕组通常绕制在定子槽和定子齿上，L为定子铁芯的轴向长度，Dso为定子轭部的外径，Wsy为定子轭部的径向宽度。
如图2(a)、图2(b)所示，定子铁芯2两端的轭部端部都安装有定子轭部端环1，HER为定子轭部端环的轴向高度，DERo为定子轭部端环的外径，Wsyn为安装定子轭部端环后的定子轭部径向宽度，Dson为安装定子轭部端环后的定子轭部外径，DERo<Dso，Wsyn<Wsy，定子轭部端环由高导磁率材料构成。
定子轭部端环的参数需要满足以下两个约束：(1)定子轭部端环的外径不超过定子轭部外径，Dson-2Wsyn≤DERi＜DERo≤Dson，DERi为定子轭部端环内径；(2)定子轭部端环的轴向高度不超过端部绕组的轴向高度。
为了最大限度地利用定子轭部绕组与机壳之间的空间，根据定子轭部端环参数的约束1得到：DERi＝Dson-2Wsyn，DERo＝Dson，即，本发明设计的定子轭部端环的内环与定子槽底部接触，轭部端环装置的内径大于或者等于电机定子铁芯槽底部所在直径，将定子轭部端环的外环直径设计为定子轭部外径，轭部端环装置的外径等于或者小于电机定子铁芯轭部外径。此时，安装在定子轭部端部的端环使得定子轭部端环成为定子轭部的一部分，定子轭部端环为定子轭部磁通提供额外的路径，分布在端环上的磁通与定子轭部相同，端环的磁阻与定子轭部的磁阻相同，安装端环后的定子的磁阻不上升，使转矩量不减少。
为保持电机质量转矩密度水平，根据带端环电机与无端环电机两者质量相同的原则确定带端环电机定子轭部外径，端环与定子轭部所用材料相同，质量相同相当于体积相同，即有如下公式：
Figure BDA0003399079000000051
得
Figure BDA0003399079000000052
Dso为无端环传统电机定子轭部外径，DERo为带端环电机定子轭部外径，Wsy为无端环电机定子轭部径向厚度，L为铁芯长度，HER为端环轴向高度。可得DERo＜Dso，相较无端环电机，带端环电机定子轭部外径减小，既带端环电机可在不牺牲转矩与电机质量保持不变的情况下使用径向厚度更薄的定子轭部。根据求解的带端环定子轭部外径参数，设计的端环在构造上外径等于定子轭部外径，轴向高度不高于端部绕组，与定子铁芯相配合。电机轴向高度不变，定子轭部外径变小，电机整体体积变小，实现电机转矩密度的提高。
安装定子轭部端环装置后的电机铁芯的轴侧装配示意图如图3所示，包括定子轭部端环1、定子铁芯2、绕组3、转子4，绕组3绕制在定子槽和定子齿上，定子轭部端环1安装在定子轭部端部，绕组3、定子铁芯2、定子轭部端环1组成的定子结构与转子4同轴安装，该图示例性地说明了利用本发明公开的轭部端环装置改造现有电机铁芯，本领域技术人员可以根据实际应用需求，遵循本发明的设计原理对其它定子轭部端部有空间的电机铁芯进行改进，因采用本发明的轭部端环装置，可以使用径向厚度更薄的定子轭部，所以在保持电机质量转矩密度水平的前提下能够同时实现减小电机体积、提高功率转矩密度的发明目的。可见，本发明的轭部端环装置对定子轭部端部有空间的这一类电机铁芯的改造具有普适性。对于碳刷占据定子一侧较多轭部端部空间的电机，本发明的轭部端环可装在定子另一侧轭部端部空间或者在定子另一侧轭部端部空间安装两个端环装置。图3示例性地说明了将本发明的端环用于内转子电机的情形，当将本发明的端环用于外转子电机且将轭部端环装置安装在定子的轭部端部空间时，轭部端环装置的外径小于或者等于电机定子铁芯槽底部所在直径，轭部端环装置的内径等于或者小于电机转轴直径。
图4中展示了使用质量不变原则设计的定子轭部端环后转矩密度提高效果仿真图。仿真模型中定子绕组端部长度为15mm，从图中可以看出，采用端环后转矩密度显著提升，且当端环轴向长度与定子绕组端部长度相同时效果最好，也验证了定子轭部端环装置的轴向高度不大于定子端部绕组轴向高度。
为了保证定子轭部端部加装端环装置后转矩保持不变，根据带端环电机与无端环电机两者转矩相同的原则确定带端环电机定子轭部外径，则：
Figure BDA0003399079000000061
图5中展示了使用转矩不变原则设计的定子轭部端环后转矩密度提高效果仿真图。仿真模型中定子绕组端部长度为15mm，从图中可以看出，采用端环后转矩密度显著提升，且当端环轴向长度与定子绕组端部长度相同时效果最好，也验证了定子轭部端环装置的轴向高度不大于定子端部绕组轴向高度。
定子轭部端环的外径还可以在质量不变原则及转矩不变原则计算的数值所构造的区间内取值。
本发明公开的轭部端环装置还可用于转子。当将轭部端环用于具有绕组的转子时，轭部端环安装在转子轭部端部空间；当将轭部端环装置安装在无绕组的表贴式电机转子时，如图6(a)、图6(b)所示，将轭部端环装置安装在转子铁芯一侧的端部空间。转子轭部端环的参数需要满足以下两个约束：(1)转子轭部端环的外径不超过转子铁芯的最大外径；(2)转子轭部端环的轴向高度不超过定子端部绕组的轴向高度。
为了最大限度地利用转轴与转子铁芯最大外径之间的空间，根据转子轭部端环参数的约束1可知，本发明设计的转子轭部端环的内环直径小于或等于转轴外径，转子轭部端环的外环直径小于或等于转子铁芯的最大外径。此时，安装在转子铁芯一侧端部空间的轭部端环，使得转子轭部端环成为转子的一部分，转子轭部端环为转子磁通提供额外的路径，分布在端环上的磁通与转子端部相同，端环的磁阻与转子端部的磁阻相同，安装端环后的转子的磁阻不上升，使转矩量不减少。
同样地，可以按照质量不变原则以及转矩不变原则设计转子轭部端环外径，安装转子端环装置的电机铁芯沿轴向拆分后的爆炸图如图7所示，该图示例性地说明了利用本发明公开的转子轭部端环装置改造现有电机，本领域技术人员可以根据实际应用需求，遵循本发明的设计原理对其它转子端部有空间的电机进行改进，因采用本发明的转子轭部端环装置，可以使用质量更小的转子，所以在保持电机质量转矩密度水平的前提下能够同时实现减小电机体积、提高功率转矩密度的发明目的。图7示例性地说明了本发明的端环用于内转子电机的情形，当将本发明的端环用于外转子电机且将端环安装在转子端部空间时，轭部端环装置的外径小于或等于转轴外径，轭部端环装置的内径大于或等于转子铁芯的最小直径，以最大限度地利用转轴与转子铁芯最小直径之间的空间。
以上实施方式只是对本发明的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，例如，可以依据实际情况将轭部端环设计成不限于圆柱体的结构，可以根据实际情况将轭部端环设计成局部改变厚度的结构进而进一步提高电机性能，可以将轭部端环装置用于双馈电机、内嵌式永磁电机、同步磁阻电机、开关磁阻电机、鼠笼异步电机，可以将本发明的轭部端环装置用于外转子电机或内转子电机，可以将本发明的轭部端环装置安装在定子轭部端部空间或转子端部空间，可以将本发明的轭部端环装置用于多定子或多转子的电机，转子铁芯的最小直径、转子铁芯最大外径根据各电机铁芯的实际形状确定，符合发明宗旨的任意形式的等同替换都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.电机铁芯轭部端环装置，其特征在于，安装在电机铁芯的端部空间，所述电机铁芯轭部端环装置的轴向高度小于或等于定子端部绕组的轴向高度，电机铁芯安装所述电机铁芯轭部端环装置后磁阻保持不变或减小。
2.根据权利要求1所述电机铁芯轭部端环装置，其特征在于，所述电机铁芯轭部端环装置用于内转子电机时，电机铁芯轭部端环装置安装在定子的轭部端部空间，所述电机铁芯轭部端环装置的内径大于或者等于电机定子铁芯槽底部所在直径，电机铁芯轭部端环装置的外径等于或者小于电机定子铁芯轭部外径。
3.根据权利要求1所述电机铁芯轭部端环装置，其特征在于，所述电机铁芯轭部端环装置用于内转子电机时，电机铁芯轭部端环装置安装在转子的端部空间，所述电机铁芯轭部端环装置的内径小于或等于转轴外径，电机铁芯轭部端环装置的外径小于或等于转子铁芯的最大直径。
4.根据权利要求1所述电机铁芯轭部端环装置，其特征在于，所述电机铁芯轭部端环装置用于外转子电机时，电机铁芯轭部端环装置安装在定子的轭部端部空间，所述电机铁芯轭部端环装置的外径小于或者等于电机定子铁芯槽底部所在直径，电机铁芯轭部端环装置的内径等于或者小于转轴外径。
5.根据权利要求1所述电机铁芯轭部端环装置，其特征在于，所述电机铁芯轭部端环装置用于外转子电机时，电机铁芯轭部端环装置安装在转子的端部空间，所述电机铁芯轭部端环装置的外径小于或等于转轴外径，电机铁芯轭部端环装置的内径大于或等于转子铁芯的最小直径。
6.根据权利要求1所述电机铁芯轭部端环装置，其特征在于，所述电机铁芯轭部端环装置由高导磁率材料制成。
7.根据权利要求1所述电机铁芯轭部端环装置，其特征在于，电机铁芯两侧的端部空间分别安装有权利要求1所述的电机铁芯轭部端环装置，或者，电机铁芯一侧的端部空间安装有至少一个权利要求1所述的电机铁芯轭部端环装置。
8. 根据权利要求2或3或4 或5所述电机铁芯轭部端环装置，其特征在于，所述电机铁芯轭部端环装置的外径根据安装电机铁芯轭部端环装置前后电机铁芯质量不变的原则确定。
9.根据权利要求2或3或4或5所述电机铁芯轭部端环装置，其特征在于，所述电机铁芯轭部端环装置的外径根据安装电机铁芯轭部端环装置前后电机铁芯转矩不变的原则确定。
10.根据权利要求2或3或4或5所述电机铁芯轭部端环装置，其特征在于，所述电机铁芯轭部端环装置外径的取值范围依据安装电机铁芯轭部端环装置前后电机铁芯质量不变的原则以及安装电机铁体轭部端环装置前后电机铁芯转矩不变的原则确定。
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