申请/专利权人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所

申请日：2016-10-18

公开（公告）日：2024-04-23

公开（公告）号：CN107959361B

主分类号：H02K1/12

分类号：H02K1/12;H02K1/278

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.23#授权;2018.05.18#实质审查的生效;2018.04.24#公开

摘要：本发明提供一种永磁力矩电机的定子，通过密封材料将各定子齿间的槽口密封，使定子齿部呈环形整体结构，定子轭部呈另一整体结构，二者彼此可分离，因此在定子装配工艺中，将各电枢绕组装配在相应的定子齿上后可通过卡槽插合或者扣合直接将二者连接在一起，工艺简单，成本低、效率高，便于模块化生产。另外，当定子铁心选用纳米晶软磁合金材料或高牌号硅钢材料时有利于降低电机损耗；当转子永磁体为铁心支撑，切向充磁永磁体和径向充磁永磁体交替设置在铁心的工作气隙侧表面时，有利于提高电机转矩密度。

主权项：1.一种永磁力矩电机的定子，包括定子铁心和电枢绕组，定子铁心包括定子轭部和定子齿部，定子齿部由数个定子齿构成，电枢绕组绕行在各定子齿上，各相邻定子齿之间为槽；其特征是：所述定子轭部与定子齿部可分离；所述的各槽口由密封材料密封，使所述各定子齿与槽口的密封材料形成环形结构；在各定子齿的端部以及定子轭部的相对应位置制有成对相匹配的凸起与凹陷，沿所述环形结构的轴向，各成对相匹配的凸起与凹陷可扣合或者插合在一起；所述的定子铁心是纳米晶合金材料或高牌号硅钢材料。

全文数据：永磁力矩电机的定子以及具有高转矩密度的永磁力矩电机技术领域[0001]本发明涉及电机领域，尤其涉及一种高效高转矩密度永磁力矩电机。背景技术[0002]永磁力矩电机包括定子和转子，定子包括定子铁心和电枢绕组，定子铁心包括定子轭部和定子齿部，定子齿部由数个定子齿构成，电枢绕组绕行在各定子齿上，各相邻定子齿之间为槽。目前，定子轭部和定子齿部为一体结构，在定子的装配工艺中，一般是将各电枢绕组装配在相应的定子齿上。为了防止绕组漏出槽外，目前一般采用密封材料将各槽口密封，从而起到槽楔的功能。但是，由于一般槽楔为不导磁材料，使得电机存在齿槽转矩，将影响电机的性能。另外，密封槽口的工艺成本高、效率低，尤其是当槽数增加时，工艺繁琐，增加了定子的制作成本，降低了制作效率，不适应大规模生产。[0003]另外，永磁力矩电机的损耗是需要科技工作者考虑的问题之一。永磁力矩电机的损耗主要来源于绕组的电阻损耗和定子铁心材料的磁滞和涡流损耗。目前，永磁电机定子铁心主要采用传统硅钢片，这种材料的铁心损耗较大，尤其在高频电机中，铁心损耗尤为严重，制约了电机在高频高速场合的应用。[0004]应用于机器人、工业驱动、计算机外围、轮毂驱动等场合的电机要求转矩密度大，因此在设计中通常取多极数磁极以降低每极磁通，进而可以减少相应定子辄部尺寸，从而使同样功率的电机可以减小体积，提高电机的转矩密度极数为10-30之间）。但是同时，相同转速下如3000rpin，极数增加使得频率增大，单位体积的铁心损耗与供电频率的1•3次方成正比）随之增大。若取10对极，供电频率将达到5〇〇Hz，如果采用相同材料和磁通密度的话，该电机定子铁心单位体积的损耗将为普通工频电机的2〇倍，如果不采取降低铁心损耗或冷却措施，电机将无法使用。发明内容[0005]鉴于上述永磁力矩电机的技术现状，本发明提供了一种永磁力矩电机的定子结构，该结构有利于提高定子的装配工艺，成本低，效率高。[0006]本发明的技术方案如下：[0007]一种永磁力矩电机的定子，包括定子铁心和电枢绕组，定子铁心包括定子辄部和定子齿部，定子齿部由数个定子齿构成，电枢绕组绕行在各定子齿上，各相邻定子齿之间为槽;其特征是：[0008]所述定子轭部与定子齿部可分禺；[0009]所述的各槽口由密封材料密封，使所述各定子齿与槽口的密封材料形成环形结构；[0010]所述定子辄部与定子齿部可通过卡槽插合式连接在一起，即，在各定子齿的端部以及定子辄部的相对应位置制有成对相匹配的凸形卡条与凹形卡槽，沿所述环形结构的轴向，各成对相匹配的凸形卡条与凹形卡槽可插合在一起；[0011]或者，所述定子轭部与定子齿部可通过扣合式连接在一起，S卩，在定位片所述各定子齿的端部以及定子轭部的相对应位置制有成对相匹配的凸起与凹陷，沿所述环形结构的轴向，各成对相匹配的凸起与凹陷可卡合在一起。[0012]这种结构的定子中，通过密封材料将各定子齿间的槽口密封，使定子齿部呈环形整体结构，定子轭部呈另一整体结构，二者彼此可分离，因此在定子装配工艺中，将各电枢绕组装配在相应的定子齿上后可通过卡槽插合或者扣合直接将二者连接在一起，工艺简单，成本低、效率高，省却了单独密封槽口的繁琐工艺，便于模块化生产；另一方面，由于为闭口槽，也可以减少电机的齿槽转矩和转矩脉动，提高永磁力矩电机的转矩密度。[0013]考虑到永磁力矩电机的损耗，作为优选，本发明中所述定子铁心采用纳米晶合金材料或高牌号硅钢材料，这种材料的铁心损耗较小，可以实现高频运行条件下的低损耗、高转矩密度运行，并且电机的效率有所提高。进一步优选，所述定子铁心由冲片叠压而成。[0014]作为优选，所述的密封材料采用纳米晶合金材料。[0015]利用本发明的定子构成的永磁力矩电机包括定子和转子，在所述定子和转子之间为工作气隙。目前，永磁力矩电机的转子大多采用传统的永磁体结构，相比感应力矩电机转矩密度有所提高，但应用于要求更高的航空航天、机器人等场合转矩密度仍显不足，因此有文献介绍采用halbach永磁体阵列结构提高电机转矩密度，提高电机效率。但是，传统halbach永磁阵列结构制加工上存在永磁体充磁复杂的问题，安装不方便等问题。[0016]为此，本发明进一步改进了转子结构，将转子设计为由转子铁心支撑的结构，转子铁心面向定子的表面设置转子永磁体，S卩，转子永磁体设置在转子铁心的工作气隙侧•，并且，转子永磁体包括切向充磁永磁体和径向充磁永磁体，该两种永磁体相互交替设置在转子铁心的工作气隙侧。所述径向充磁永磁体是指其磁场方向指向工作气隙或者背离工作气隙。当所述径向充磁永磁体的磁场方向指向工作气隙时，其两侧切向充磁永磁体的磁场方向指向该径向充磁永磁体；当所述径向充磁永磁体的磁场方向背向工作气隙时，其两侧切向充磁永磁体的磁场方向背离该径向充磁永磁体。[0017]g卩，本发明一方面采用永磁体结构，相比感应力矩电机转矩密度有所提高，另一方面设计转子永磁体为切向充磁永磁体和径向充磁永磁体，进一步提高了电机转矩密度，并且相比永磁体的Halbach阵列结构，简化了充磁方向，降低了充磁复杂度。[0018]进一步优选，所述切向充磁永磁体和径向充磁永磁体为削弧处理的永磁体。[0019]进一步优选，所述切向充磁永磁体和径向充磁永磁体的宽度比为0.25-1。[0020]进一步优选，所述转子铁心为空心结构。[0021]为了进一步提高提高电机转矩密度，实现集中绕组形式的极槽配合，作为优选，本发明中所述定子槽数和转子极数的组合为:极对数为p，槽数为Q，且单元电机的极对数P1=pGCDp，Q，单元电机的槽数Qi=QGCDp，Q=2pi±l,且Q=3n，Qi=3m，其中pi、n、m为正整数。附图说明[0022]图1是本发明实施例1中的高效高转矩密度永磁力矩电机的剖面结构示意图；[0023]图2是本发明实施例1中的高效高转矩密度永磁力矩电机的定子齿部的剖面结构不意图；[0024]图3是本发明实施例1中的高效高转矩密度永磁力矩电机的定子轭部的剖面结构示意图；[0025]图4是图1中的转子永磁体的磁场方向图；[0026]图5是本发明实施例1中的高效高转矩密度永磁力矩电机与传统面贴结构永磁电机气隙径向磁密比较；[0027]图6是本发明实施例1中的高效高转矩密度永磁力矩电机与传统面贴结构永磁电机转矩-电流特性比较；[0028]图7是本发明实施例2中的高效高转矩密度永磁力矩电机的定子齿部剖面结构示意图；[0029]图8是本发明实施例2中的高效高转矩密度永磁力矩电机的定子辄部剖面结构示意图。[0030]附图1-8中的附图标记为：1、定子;2、转子;3、气隙；11、定子轭部；12、定子齿部；13定子槽；14、电枢绕组;21、切向充磁永磁体;22、径向充磁永磁体;23、转子铁心;41、密封材料;51、凸起;52、凹陷;53、凹形卡槽;54、凸形卡条。具体实施方式[0031]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。需要说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。[0032]实施例1:[0033]本实施例中，永磁力矩电机如图1所示，包括定子1和转子2,在所述定子1和转子2之间为工作气隙3。[0034]定子1包括定子铁心和电枢绕组14,定子铁心包括定子轭部11和定子齿部12,定子齿部12由数个定子齿构成，电枢绕组14绕行在各定子齿上，各相邻定子齿之间为定子槽13。[0035]如图2所示，通过密封材料41将各定子齿间的槽口密封，使定子齿部呈环形整体结构。如图3所示，定子轭部11呈另一整体结构。定子轭部11与定子齿部12二者彼此可分离。[0036]如图2,3所示，在各定子齿的端部以及定子辄部的相对应位置制有成对相匹配的凸起51与凹陷52，沿所述环形结构的轴向，各成对相匹配的凸起与凹陷彼此能够卡合在一起。[0037]本实施例中，定子铁心采用纳米晶合金材料或高牌号硅钢材料，这种材料的铁心损耗较小，可以实现高频运行条件下的低损耗、高转矩密度，也可以提高电机效率。并且，定子铁心由冲片叠压而成。[0038]本实施例中，密封材料41采用纳米晶合金材料。[0039]本实施例中，如图1，4所示，转子2由转子铁心23与转子永磁体组成，转子铁心23为支撑体，呈为空心结构。转子铁心23面向定子1的表面，即工作气隙侧，设置转子永磁体。并且，转子永磁体包括切向充磁永磁体21和径向充磁永磁体22,该两种永磁体相互交替设置在转子铁心23的工作气隙侧。如图4所示，径向充磁永磁体22是指其磁场方向指向工作气隙或者背离工作气隙。当所述径向充磁永磁体22的磁场方向指向工作气隙时，其两侧切向充磁永磁体21的磁场方向指向该径向充磁永磁体;当所述径向充磁永磁体22的磁场方向背向工作气隙时，其两侧切向充磁永磁体21的磁场方向背离该径向充磁永磁体。[0040]如图4所示，切向充磁永磁体21和径向充磁永磁体22为削弧处理的永磁体。并且，切向充磁永磁体21和径向充磁永磁体22的宽度比为0.25-1。[0041]对比实施例1:[0042]本实施例中，永磁力矩电机的结构与上述实施例1中的永磁力矩电机的结构基本相同，所不同的是转子永磁体为传统面贴结构。[0043]经测试，实施例1中与对比实施例1中的永磁力矩电机的转矩-电流特性比较图如图5所示，显示与对比实施例1中的具有传统面贴结构转子永磁体的电机相比，实施例丨中的具有切向充磁永磁体21和径向充磁永磁体22的永磁力矩电机具有较高的径向气隙磁密度。[0044]经测试，实施例1中与对比实施例1中的永磁力矩电机的转矩-电流特性比较图如图6所示，显示与对比实施例1中的具有传统面贴结构转子永磁体的电机相比，实施例1中的具有切向充磁永磁体21和径向充磁永磁体22的永磁力矩电机具有较高的电机转矩。[0045]实施例2:[0046]本实施例中，永磁力矩电机的结构与上述实施例1中的永磁力矩电机的结构基本相同，所不同的是如图7,8所示，在各定子齿的端部以及定子轭部的相对应位置制有成对相匹配的凸形卡条54与凹形卡槽53,沿所述环形结构的轴向，各成对相匹配的凸形卡条与凹形卡槽可插合在一起。[0047]以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

权利要求：1.一种永磁力矩电机的定子，包括定子铁心和电枢绕组，定子铁心包括定子轭部和定子齿部，定子齿部由数个定子齿构成，电枢绕组绕行在各定子齿上，各相邻定子齿之间为槽;其特征是：所述定子轭部与定子齿部可分离；所述的各槽口由密封材料密封，使所述各定子齿与槽口的密封材料形成环形结构；在各定子齿的端部以及定子轭部的相对应位置制有成对相匹配的凸形卡条与凹形卡槽，沿所述环形结构的轴向，各成对相匹配的凸形卡条与凹形卡槽可插合在一起；或者，所述各定子齿的端部以及定子辄部的相对应位置制有成对相匹配的凸起与凹陷，沿所述环形结构的轴向，各成对相匹配的凸起与凹陷可扣合在一起。2.如权利要求1所述的永磁力矩电机的定子，其特征是:所述的定子铁心是纳米晶合金材料或高牌号硅钢材料。3.如权利要求1所述的永磁力矩电机的定子，其特征是:所述的定子铁心由冲片叠压而成。4.一种具有高转矩密度的永磁力矩电机，其特征是:包括定子与转子，定子和转子之间为工作气隙，所述定子采用权利要求1、2或3所述的永磁力矩电机的定子。5.如权利要求4所述的具有高转矩密度的永磁力矩电机，其特征是:所述转子由转子铁心与转子永磁体组成，转子永磁体设置在转子铁心的工作气隙侧，并且转子永磁体包括切向充磁永磁体和径向充磁永磁体，该两种永磁体相互交替设置。6.如权利要求5所述的具有高转矩密度的永磁力矩电机，其特征是:所述的切向充磁永磁体和径向充磁永磁体为削弧处理的永磁体。7.如权利要求5所述的具有高转矩密度的永磁力矩电机，其特征是:所述的切向充磁永磁体和径向充磁永磁体的宽度比为0.25-1。8.如权利要求4所述的具有高转矩密度的永磁力矩电机，其特征是:所述转子铁心为空心结构。9.如权利要求4所述的具有高转矩密度的永磁力矩电机，其特征是:所述定子槽数和转子极数的组合为:极对数为p，槽数为Q，且单元电机的极对数p1二pGCDp，Q，单元电机的槽数q1=qGCDp，Q=2pi±1，且0=311，〇1=3111，其中口1、11、111为正整数。

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