CN206602414U - 一种定子及永磁无刷电机 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种定子及永磁无刷电机，其中一种定子由定子铁芯和定子绕组构成；所述定子铁芯由软磁复合材料和叠压硅钢材料构成，所述定子铁芯由一个定子铁芯轭、多个定子齿身和多个定子齿顶叠压成一体而构成；定子绕组嵌放在定子齿身上，定子绕组的线圈端部与定子齿顶轴向端部部分对齐；每个定子齿顶由定子齿顶中间部分和定子齿顶周边部分构成；所述定子齿顶周边部分由一块中间开孔的软磁复合材料铁芯块构成，中间开孔的尺寸与定子齿顶中间部分相同，使得定子齿顶周边部分扣在定子齿顶中间部分，进而形成整个定子齿顶。其提高了电机的功率密度和转矩密度。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种定子及永磁无刷电机。
背景技术
永磁无刷电机由定子及转子构成，其中定子主要由定子铁芯及定子绕组构成，转子由转子永磁体和转子铁芯构成，转子结构型式多种多样，可以是内置式永磁体结构、表面式磁体结构或插入式磁体结构。定子的铁芯轴向长度一般与转子铁芯轴向长度及转子永磁体轴向长度相等。目前的定子铁芯大都由叠压硅钢材料构成，定子齿顶、定子齿身和定子铁芯轭的轴向长度都相同(即所谓的电机二维磁路结构)。定子绕组型式多种多样，放置于定子槽中。由于采用叠压硅钢铁芯，绕组端部位于定子铁芯两端，只是用于连接定子槽中的绕组导体，占有轴向空间而不产生机电能量转换。软磁复合材料作为一种新型电机铁芯定子材料，由于材料本身的各向同性磁特性及铁芯的模压成形工艺，可以使电机定子铁芯齿顶的轴向长度大于齿身的轴向长度(即电机铁芯具有三维磁路结构)，而转子铁芯及转子永磁体的轴向长度与定子齿顶的轴向长度相同。因此基于SMC(soft magnetic composite，软磁复合材料，即由软磁性铁氧体和高聚物基体复合而成的具有软磁性功能的复合材料)的永磁无刷电机，绕组的端部轴向长度空间在转子永磁体磁场的作用下可以进行机电能量转换。因此基于软磁复合材料的电机定子铁芯具有三维磁路结构，有助于提高电机的功率密度和转矩密度。
但是，目前基于软磁复合材料的电机定子铁芯有两种结构，其一，全部由软磁复合材料模压而成，当然可以采用分块模压的方式，整个软磁复合材料定子铁芯分成几块SMC铁芯组合而成，如图1所示，将定子铁芯分为定子铁芯轭2-1、定子齿身2-2、定子齿顶2-3等部分分块模压，绕组3的端部位于定子齿顶轴向长度大于定子齿身轴向的空间内；其二，定子铁芯轭2-1采用叠压硅钢材料，而定子铁芯齿部(包括定子齿身2-2和定子齿顶2-3)采用软磁复合材料模压而成，将软磁复合材料定子齿嵌放在叠压硅钢定子铁芯轭上，如图2所示。
软磁复合材料相对于叠压硅钢材料的最大缺点有二，即导磁率低和正常电机工作频率范围内铁耗高。因此无论整体SMC定子铁芯，还是目前的软磁复合材料和叠压硅钢材料的组合定子铁芯，都由于软磁复合材料的导磁率低而需要增加永磁体用量，从而提高了电机制造成本，都由于软磁复合材料在电机正常工作频率范围内铁耗低而影响到电机的运行效率，从而影响到电机的功率密度和转矩密度的提高(尽管电机由于采用软磁复合材料而具有三维磁路结构，从而具有理论上的高功率密度和转矩密度)。
若将传统的永磁硅钢电机转子沿轴向拉长至与绕组3端部平齐，如图3所示，则电机整体尺寸不变。但转子1超出定子2部分的永磁体磁通，一部分会沿着轨迹4进入定子端部，使得端部饱和；由于叠压硅钢片沿电机轴向的各向异性，加之机壳是实心结构，另一部分磁通会沿着轨迹5进入实心机壳，引起较大损耗，造成永磁体的浪费。
实用新型内容
为了解决现有技术的不足，本实用新型提供了两种定子及基于该定子的永磁无刷电机。
本实用新型的第一种定子，其具体结构为：
所述定子由定子铁芯和定子绕组构成；所述定子铁芯由软磁复合材料和叠压硅钢材料构成，所述定子铁芯由一个定子铁芯轭、多个定子齿身和多个定子齿顶叠压成一体而构成；定子绕组嵌放在定子齿身上，定子绕组的线圈端部与定子齿顶轴向端部部分对齐；
每个定子齿顶由定子齿顶中间部分和定子齿顶周边部分构成；所述定子齿顶周边部分由一块中间开孔的软磁复合材料铁芯块构成，中间开孔的尺寸与定子齿顶中间部分相同，使得定子齿顶周边部分扣在定子齿顶中间部分，进而形成整个定子齿顶。
进一步的，所述定子齿顶中间部分的轴截面是比定子齿身轴截面小的矩形面。
从制造工艺以及定子运行稳定性方面来考虑，定子齿顶中间部分的轴截面设置为矩形面更容易加工制造，而且定子齿顶周边部分是由一块中间开孔的软磁复合材料铁芯块构成，该中间开孔恰好与矩形面相匹配，使得定子齿顶周边部分与定子齿顶中间部分相匹配组成在一起，形成结构稳定的定子齿顶。
基于第一种定子结构，本实用新型还提供了一种永磁无刷电机。该永磁无刷电机包括转子和第一种结构的定子。
进一步的，所述转子由转子铁芯和转子永磁体构成，转子铁芯采用硅钢材料叠压而成，转子铁芯的轴向长度与转子永磁体的轴向长度相同。这样使得装配转子时更加方便。
进一步的，所述定子齿顶的总轴向长度与转子铁芯轴向长度相同。这样不仅能够方便永磁无刷电机的装配，还有利于整个永磁无刷电机的运行稳定性。
本实用新型的第二种定子，具体结构为：
所述定子铁芯由软磁复合材料和叠压硅钢材料构成，所述定子铁芯由一个定子铁芯轭、多个定子齿身和多个定子齿顶叠压成一体而构成；定子绕组嵌放在定子齿身上，定子绕组的线圈端部与定子齿顶轴向端部部分对齐；
每个定子齿顶由定子齿顶中间部分和定子齿顶周边部分构成；所述定子齿顶周边部分采用两块分体的软磁复合材料铁芯块构成，每一块软磁复合材料铁芯块的周向宽度与定子齿顶 中间部分周向宽度相同，每一块软磁复合材料铁芯块的一端均开有槽口，所述槽口与定子齿顶中间部分配合，进而形成整个定子齿顶。
进一步的，所述定子齿顶中间部分的轴截面是“十”字形状。
从制造工艺以及定子运行稳定性方面来考虑，定子齿顶中间部分的轴截面是“十”字形状，加工制造容易，而且定子齿顶周边部分是由两块分体的软磁复合材料铁芯块构成，每一块软磁复合材料铁芯块的周向宽度与定子齿顶中间部分周向宽度相同，每一块软磁复合材料铁芯块的一端均开有槽口，槽口与定子齿顶中间部分配合，使得定子齿顶周边部分与定子齿顶中间部分相匹配组成在一起，形成结构稳定的定子齿顶。
需要说明的是，定子齿顶中间部分的轴截面也可以采用其他形状。
基于第二种定子结构，本实用新型还提供了一种永磁无刷电机。该永磁无刷电机包括转子和第二种定子结构。
进一步的，所述转子由转子铁芯和转子永磁体构成，转子铁芯采用硅钢材料叠压而成，转子铁芯的轴向长度与转子永磁体的轴向长度相同。这样使得装配转子时更加方便。
进一步的，所述定子齿顶的总轴向长度与转子铁芯轴向长度相同。这样不仅能够方便永磁无刷电机的装配，还有利于整个永磁无刷电机的运行稳定性。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
由于本实用新型的定子齿顶周边部分在嵌放线圈后再装配，因此定子绕组线圈的嵌放很容易，可以使电机具有高的槽满率，而且绕组线圈可以很小，这对减少电机绕组用铜量、降低绕组电阻、提高电机的槽满率极为有利，因此也有利于提高电机的运行效率、功率密度和转矩密度。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为12槽永磁无刷电机定子结构示意图；
图2为12槽永磁无刷电机硅钢与SMC组合定子结构示意图；
图3为普通永磁无刷电机示意图；
图4为12槽永磁无刷电机定子分块结构示意图；
图5为第一种矩形截面新型永磁无刷电机组合定子结构示意图；
图6为第二种“十”字截面新型永磁无刷电机组合定子结构示意图；
图7为10极12槽硅钢与SMC组合定子永磁无刷电机示意图；
图8为12槽硅钢与SMC组合定子第一种结构硅钢部分示意图；
图9为12槽硅钢与SMC组合定子第一种结构硅钢部分端部截面图；
图10为12槽硅钢与SMC组合定子第一种结构硅钢部分中部截面图；
图11为第一种结构组合定子硅钢部分组装示意图；
图12为第一种结构组合定子绕组组装示意图；
图13为第一种结构组合定子齿顶周边部分组装示意图；
图14为第一种结构组合定子示意图；
图15为第二种结构组合定子绕组组装示意图；
图16为第二种结构组合定子齿顶周边部分组装示意图；
图17为第二种结构组合定子示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请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申请的示例性实施方式。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。
定子由定子铁芯2和定子绕组3构成。定子铁芯2由软磁复合(SMC)材料和叠压硅钢材料构成，而形成组合定子铁芯结构。定子铁芯由一个定子铁芯轭2-1、多个定子齿身2-2和多个定子齿顶2-3构成，每个定子齿顶由定子齿顶周边部分2-3-1和定子齿顶中间部分2-3-2构成，如图4所示。根据定子齿顶周边部分2-3-1和定子齿顶中间部分2-3-2的形状不同，本实用新型将给出以下两个实施例的结构。
实施例1
第一种结构定子齿顶中间部分2-3-2A的轴截面是比定子齿身轴截面小的矩形面，如图5所示。其中定子铁芯轭2-1、多个定子齿身2-2和多个定子齿顶中间部分2-3-2A由硅钢材料构成，并叠压成一体。相应的定子齿顶周边部分2-3-1A由软磁复合材料模压而成，可以采用一块中间开孔的整体SMC铁芯块构成，该孔的尺寸正好与定子齿顶中间部分2-3-2A相同，这一由软磁复合材料模压而成的整体定子齿顶周边部分2-3-1A扣在定子齿顶中间部分2-3-2A，形成定子齿顶2-3。
从制造工艺以及定子运行稳定性方面来考虑，定子齿顶中间部分的轴截面设置为矩形面更容易加工制造，而且定子齿顶周边部分是由一块中间开孔的软磁复合材料铁芯块构成，该中间开孔恰好与矩形面相匹配，使得定子齿顶周边部分与定子齿顶中间部分相匹配组成在一起，形成结构稳定的定子齿顶。
所述的组合后定子齿顶2-3的总轴向长度与转子铁芯(即转子永磁体)轴向长度相同。显然，所述的定子齿身2-2的轴向长度小于组合后定子齿顶2-3的轴向长度。如图7所示，定子绕组的线圈嵌放在定子齿身2-2上，定子绕组的线圈端部位于定子齿顶2-3轴向大于定子齿身2-2轴向的空间内，也即，定子线圈端部与定子齿顶2-3轴向端部部分对齐。
电机的定子第一种结构制造步骤如下：
首先采用硅钢材料叠压成型除定子齿顶周边部分的其他定子铁芯，包括定子铁芯轭2-1、多个定子齿身2-2和多个定子齿顶中间部分2-3-2A，如图8所示，显然这部分铁芯的两端部分横截面结构相同，而中间部分的横截面由于定子铁芯的齿顶中间部分而与两端铁芯截面不同，故将其拆分为三块制作。两端部分横截面如图9所示，中间部分的横截面如图10所示，分别按照各自长度叠压成型，最后将三块组合在一起，如图11所示，即完成定子硅钢部分制作。
然后放置定子绕组的线圈，将定子绕组的线圈3预先绕制成型，再压入定子，如图12所示，显然现在还没有放置铁芯齿顶周边部分，因此绕组线圈的嵌放很容易，而且线圈的绕组端部可以很短。接着将SMC模压而成的定子齿顶周边部分2-3-1A沿径向卡入定子齿顶中间2-3-2A组合形成定子的齿顶，如图13所示，最后使用环氧胶粘结，则定子部分的制造全部完成，如图14所示。
实施例2
第二种结构定子齿顶中间部分2-3-2B的轴截面是“十”字形状，其中“丨”方向对应电机的轴向，“一”方向对应电机圆周方向，“一”方向的宽度为整个电机定子齿顶宽度(圆周方向)，如图6所示。相应的定子齿顶周边部分由软磁复合材料模压而成，可以由两个结构尺寸完全相同的SMC铁芯块2-3-1B构成，两铁芯块的周向宽度与定子齿顶中间部分2-3-2B的“一”部分的周向宽度相同，两铁芯段的一段开有槽口，这一槽口的大小与定子齿顶中间部分2-3-2B的“丨”的两端部分相等，正好与所述定子齿顶中间部分2-3-2B的“丨”的两端部分配合，构成定子齿顶周边部分的两个SMC铁芯块2-3-1B与所述的“十”字定子齿顶中间部分2-3-2B组合成定子齿顶2-3。
从制造工艺以及定子运行稳定性方面来考虑，定子齿顶中间部分的轴截面是“十”字形状，加工制造容易，而且定子齿顶周边部分是由两块分体的软磁复合材料铁芯块构成，每一块软 磁复合材料铁芯块的周向宽度与定子齿顶中间部分周向宽度相同，每一块软磁复合材料铁芯块的一端均开有槽口，槽口与定子齿顶中间部分配合，使得定子齿顶周边部分与定子齿顶中间部分相匹配组成在一起，形成结构稳定的定子齿顶。
需要说明的是，定子齿顶中间部分的轴截面也可以采用其他形状。
所述的组合后定子齿顶2-3的总轴向长度与转子铁芯(即转子永磁体)轴向长度相同。显然，所述的定子齿身2-2的轴向长度小于组合后定子齿顶2-3的轴向长度。如图7所示，绕组线圈嵌放在定子齿身2-2上，定子线圈的端部位于定子齿顶2-3轴向大于定子齿身2-2轴向的空间内，也即，定子线圈端部与定子齿顶2-3轴向端部部分对齐。
电机的定子第二种结构制造步骤如下：首先采用硅钢材料叠压成型除定子齿顶周边部分的其他定子铁芯，包括定子铁芯轭2-1、多个定子齿身2-2和多个定子齿顶中间部分2-3-2B，显然这部分铁芯的两端部分横截面结构相同，而中间部分的横截面由于定子铁芯的齿顶中间部分而与两端铁芯截面不同，故将其拆分制作，与所述电机的定子第一种结构硅钢部分制造方法相同。
然后放置定子绕组的线圈，显然现在还没有放置铁芯齿顶周边部分，因此定子绕组的线圈的嵌放很容易，而且定子绕组的线圈的绕组端部可以很短，如图15所示；接着将SMC模压而成的定子齿顶周边部分2-3-1B沿径向卡入定子齿顶中间2-3-2B组合形成定子的齿顶，如图16所示，最后使用环氧胶粘结，则定子部分的制造全部完成，如图17所示。
定子齿顶中间部分2-3-2的设置有助于SMC部分2-3-1的精准定位，解决了组装齿顶时容易出现径向或周向偏差的问题，且SMC部分与硅钢片部分接触面积变大数倍，使得粘结更加牢固，转子装入后对齿顶的影响减小。
由于在通常的电机工作频率范围内，SMC的铁耗高于叠压硅钢材料，本实用新型的组合定子，充分利用软磁复合材料的各向同性磁特性而使定子铁芯具有三维磁路结构，从而提高电机的功率密度和转矩密度；硅钢片的大量使用避免了软磁复合材料低导磁率缺陷和电机工作频率范围内的高铁耗缺陷而引起的电机永磁体用量增加和电机铁耗增大。
此外，定子齿顶中间部分2-3-2材料为硅钢片，定子齿顶周边部分2-3-1为软磁复合材料，由于二者导磁率不同，硅钢片比SMC导磁率大，永磁体磁通进入气隙后，优先通过中间部分2-3-2的硅钢片进入齿顶，进而进入齿身。故相比单一材料制作的定子，本实用新型使用硅钢片及软磁复合材料组合制作定子，能够使得磁通尽可能从齿顶中间通过，削弱了齿身端部的饱和，一定程度上解决了磁密沿齿身分布不均匀的现象。本实用新型的组合定子不仅使得电机实际制造简单，而且有助于提升电机性能。
分别基于实施例1和实施例2的定子结构，以及转子及其他辅助部件如转轴、机壳和端盖，还构成了一种永磁无刷电机。
其中，转子由转子铁芯和转子永磁体构成，转子铁芯采用叠压硅钢材料叠压而成，转子铁芯的轴向长度与转子永磁体的轴向长度相同。
由于本实用新型的定子齿顶周边部分在嵌放线圈后再装配，因此定子绕组线圈的嵌放很容易，可以使电机具有高的槽满率，而且绕组线圈可以很小，这对减少电机绕组用铜量、降低绕组电阻、提高电机的槽满率极为有利，因此也有利于提高电机的运行效率、功率密度和转矩密度。
上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型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实用新型的保护范围以内。
Claims (8)
1.一种定子，其特征在于，所述定子由定子铁芯和定子绕组构成；所述定子铁芯由软磁复合材料和叠压硅钢材料构成，所述定子铁芯由一个定子铁芯轭、多个定子齿身和多个定子齿顶叠压成一体而构成；定子绕组嵌放在定子齿身上，定子绕组的线圈端部与定子齿顶轴向端部部分对齐；
每个定子齿顶由定子齿顶中间部分和定子齿顶周边部分构成；所述定子齿顶周边部分由一块中间开孔的软磁复合材料铁芯块构成，中间开孔的尺寸与定子齿顶中间部分相同，使得定子齿顶周边部分扣在定子齿顶中间部分，进而形成整个定子齿顶。
2.如权利要求1所述的定子，其特征在于，所述定子齿顶中间部分的轴截面是比定子齿身轴截面小的矩形面。
3.一种永磁无刷电机，其特征在于，包括：转子和如权利要求1-2中任一项所述的定子。
4.如权利要求3所述的一种永磁无刷电机，其特征在于，所述转子由转子铁芯和转子永磁体构成，转子铁芯采用硅钢材料叠压而成，转子铁芯的轴向长度与转子永磁体的轴向长度相同；
和/或所述定子齿顶的总轴向长度与转子铁芯轴向长度相同。
5.一种定子，其特征在于，所述定子由定子铁芯和定子绕组构成；所述定子铁芯由软磁复合材料和叠压硅钢材料构成，所述定子铁芯由一个定子铁芯轭、多个定子齿身和多个定子齿顶叠压成一体而构成；定子绕组嵌放在定子齿身上，定子绕组的线圈端部与定子齿顶轴向端部部分对齐；
每个定子齿顶由定子齿顶中间部分和定子齿顶周边部分构成；所述定子齿顶周边部分采用两块分体的软磁复合材料铁芯块构成，每一块软磁复合材料铁芯块的周向宽度与定子齿顶中间部分周向宽度相同，每一块软磁复合材料铁芯块的一端均开有槽口，所述槽口与定子齿顶中间部分配合，进而形成整个定子齿顶。
6.如权利要求5所述的一种定子，其特征在于，所述定子齿顶中间部分的轴截面是“十”字形状。
7.一种永磁无刷电机，其特征在于，包括：转子和如权利要求5-6中任一项所述的定子。
8.如权利要求7所述的一种永磁无刷电机，其特征在于，所述转子由转子铁芯和转子永磁体构成，转子铁芯采用硅钢材料叠压而成，转子铁芯的轴向长度与转子永磁体的轴向长度相同；
和/或所述定子齿顶的总轴向长度与转子铁芯轴向长度相同。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20171031 Termination date: 20180419 |