專利名稱：周向移相軸向分段的楔形定子鐵芯外永磁轉子同步電機的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于一種電機，特別涉及一種具有無耦合定子繞組與楔形鐵芯并且具 有軸向不均勻氣隙的軸向分段式移相外永磁轉子同步電機。
背景技術：
現(xiàn)有的變頻調速永磁同步電機，其鐵芯一般采用硅鋼片作為磁路，在高頻供電運 行時，鐵耗(磁滯損耗和渦流損耗)會急劇增加，電機性能會大大下降；其繞組大多為常規(guī)三 相對稱交流短距分布繞組，不僅繞組的利用率低，而且三相電樞繞組之間不可避免存在相 互耦合，這樣不僅會產(chǎn)生對電機出力沒有貢獻的相間耦合電動勢，從而降低電機的轉矩密 度和出力，而且這種耦合給電機的相間解耦變頻調速控制帶來了很大的麻煩和困難；從電 機制造的角度來講，硅鋼片鐵芯沖槽和疊裝過程復雜，模具工裝和人工成本較高，電樞的短 距分布繞組不僅需要很好的相間絕緣，而且繞線和嵌線過程復雜，因此電機的制造過程麻 煩，成本較高。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型提供一種具有無耦合定子繞組與楔形鐵芯并且具有軸向不均勻氣隙 的軸向分段式移相外永磁轉子同步電機。與現(xiàn)有的變頻調速永磁同步電機相比較，該種 電機不僅制造成本較低，而且在高頻供電高速運行時具有更大的轉矩密度和更好的運行性 能。本實用新型的技術方案為周向移相軸向分段的楔形定子鐵芯外永磁轉子同步電機，其特征在于所述電機 的定子軸一端安裝左端蓋，左端蓋與定子軸之間安裝有左軸承，定子軸另一端安裝有右端 蓋，右端蓋與定子軸之間安裝有右軸承；定子軸中間部分沿徑向由內(nèi)向外依次安裝有定子 鐵芯和外轉子，定子集中繞組位于定子鐵芯內(nèi)部，且均勻纏繞在定子軸上，并通過接線孔將 定子集中繞組接線引出；外轉子兩端通過螺栓分別連接左端蓋和右端蓋，外轉子內(nèi)表面安 裝有永磁體，電機通過安裝在定子軸上的外支架固定在地面上，定子軸與外支架之間安裝 有外支架軸承。所述永磁體通過磁鋼定位鋼板固定安裝在外轉子上。所述定子鐵芯為單段、兩段或者多段結構。所述定子鐵芯兩側安裝有止動擋圈。所述定子鐵芯與定子軸之間安裝有平鍵。所述單段定子鐵芯由兩片定子磁軛組成，每片定子磁軛由軟磁復合材料制成的圓 盤型磁軛與沿周向分布在圓盤型磁軛上的軟磁復合材料制成的楔型磁極組成，楔形磁極前 端寬度最窄并且與外轉子內(nèi)表面沿定子軸徑向的垂直距離最小，從楔形磁極前端沿定子軸 軸向到圓盤型磁軛處的楔形磁極寬度逐漸增大并且厚度也逐漸增厚，楔形磁極與外轉子沿 定子軸徑向垂直距離逐漸增大，將兩片定子磁軛的楔形磁極相對并且沿圓盤型磁軛周向相互錯開裝配組成形狀類似圓餅型的定子鐵芯，兩片定子磁軛的楔形磁極在圓盤型磁軛圓周 方向交替均勻分布，即構成沿定子軸軸向不均勻氣隙結構。所述楔形磁極的數(shù)量等于定子鐵芯所對應外轉子上永磁體的數(shù)量。通過本實用新型所述技術方案得到的電機的因外采用了特殊結構，取得了意想不 到的特殊效果，主要體現(xiàn)在其磁通路徑所采用軟磁復合材料的特點決定了該種電機在高 頻高速下運行會比采用硅鋼片的傳統(tǒng)交流同步電機具有更低的損耗和更好的運行性能；提 出的軸向不均勻氣隙結構使得該種電機中的導磁材料和電機繞組得到更加充分的利用亦 有利于反電勢波形的正弦化；內(nèi)定子和外永磁轉子的有機結合以及無耦合集中繞組的采用 使得該種電機具有更大的轉矩密度和功率密度，且從電機本身徹底實現(xiàn)了常規(guī)電機很難實 現(xiàn)的相間解耦控制；集中繞組和軸向分段式的電機結構使得該種電機制造更加容易和方 便。新型周向移相軸向分段的楔形磁極鐵芯外永磁轉子同步電機具有如下特點結 構上不僅容易做成多極，而且具有結構簡單，無刷可靠等優(yōu)點；繞組構成簡單方便，便于設 計為多相結構；設計自由度大，可以根據(jù)需要自由改變磁路尺寸和線圈窗口大??；無端部 繞組，使得電機銅的利用率顯著提高，銅耗大幅度減小，并且集中繞組也能夠減小電機的體 積；電機中除具有常規(guī)電機的徑向磁場外還有軸向磁場，為三維分布；定子繞組各相之間 沒有直接的耦合，便于實現(xiàn)解耦控制，并有利于提高電機出力和轉矩密度；定子鐵芯材料特 殊，采用了適合三維交變磁場流通、易于加工成復雜形狀的新型軟磁復合材料SMC，由于該 材料的粉末性質，形成了磁的各向同性，在高頻之下的渦流損耗相對較小，即高頻下的鐵芯 損耗遠低于硅鋼片，因此在高頻高速下運行有利于提高電機的效率。


圖1為采用三段定子鐵芯時的電機結構示意圖；圖2為單段定子鐵芯展開示意圖；圖3為采用三段定子鐵芯的轉子永磁體錯位裝配示意圖；圖4為三段式定子結構示意圖；附圖標記說明1.永磁體；2.外轉子；3.定子鐵芯；4.螺栓；5.左端蓋；6.左軸承；7.定子 軸；8.止動擋圈；9.平鍵；10.定子集中繞組；11.磁鋼定位鋼板；12.外支架軸承；13. 右端蓋；14.右軸承；15.楔形磁極；16.圓盤型定子磁軛；17. N極永磁體；18. S極永磁 體。
具體實施方式

以下結合附圖對本實用新型進行具體說明圖1為采用三段定子鐵芯時的電機結構示意圖，如圖所示，定子軸7—端安裝左端 蓋5，左端蓋5與定子軸7之間安裝有左軸承6，定子軸7另一端安裝有右端蓋13，右端蓋 13與定子軸7之間安裝有右軸承14 ；定子軸7中間部分沿徑向由內(nèi)向外依次安裝有定子鐵 芯3和外轉子2，定子集中繞組10位于定子鐵芯3內(nèi)部，且均勻纏繞在定子軸7上，并通過 接線孔將定子集中繞組10接線引出；定子鐵芯3兩側安裝有止動擋圈8，定子鐵芯3與定 子軸7之間安裝有平鍵9 ；外轉子2兩端通過螺栓4分別連接左端蓋5和右端蓋13，永磁體 1通過磁鋼定位鋼板11固定安裝在外轉子2上，電機通過安裝在定子軸7上的外支架固定在地面上，定子軸7與外支架之間安裝有外支架軸承12。圖2為單段定子鐵芯展開示意圖，如圖所示，單段定子鐵芯3由兩片定子磁軛組 成，每片定子磁軛由軟磁復合材料制成的圓盤型磁軛16與沿周向分布在圓盤型磁軛16上 的軟磁復合材料制成的楔型磁極15組成。楔形磁極15前端寬度最窄并且與外轉子2內(nèi)表 面沿定子軸7徑向的垂直距離最小，從楔形磁極15前端沿定子軸7軸向到圓盤型磁軛16 處的楔形磁極15寬度逐漸增大并且厚度也逐漸增厚，楔形磁極15與外轉子2沿定子軸7 徑向垂直距離逐漸增大，將兩片定子磁軛的楔形磁極15相對并且沿圓盤型磁軛16周向相 互錯開裝配組成形狀類似圓餅型的定子鐵芯3，兩片定子磁軛的楔形磁極15在圓盤型磁軛 16圓周方向交替均勻分布，即構成沿定子軸7軸向的不均勻氣隙結構。上述楔形磁極結構可以保證相鄰楔型磁極相對面平行且間隙相同。由于楔形磁極 15的寬度逐漸變化，使得楔形磁極15沿定子軸7的軸向導磁截面的面積逐漸變化，從而使 得不同位置的磁阻也相應變化，進而影響氣隙磁場的分布不均勻度，所以采用改變磁極與 外轉子2沿定子軸7徑向垂直距離的楔形磁極結構可以調整不同位置的氣隙磁阻，使得氣 隙磁極能夠得以最大程度的利用，這樣可以提高電機的材料利用系數(shù)和整體性能。由于圓柱形外轉子2流過的是恒定磁場，可由鑄鋼材料制成；其定子鐵芯3由帶有 圓盤型定子磁軛16的楔型磁極15組成，定子鐵芯3內(nèi)部的定子集中繞組10中流過的是交 變電流，因此定子鐵芯3不可再由鑄鋼制成，需采用在三維方向各向同性且在高頻時渦流 損耗較小的軟磁復合材料澆鑄制成。該種電機的定子鐵心3可采用單段、兩段、三段或多段式結構，分別稱為單相、兩 相、三相或多相電機。采用多段定子鐵芯結構時，每個鐵芯的結構相同，相鄰鐵芯的間隔距 離相同，如圖4所示，為三段式定子結構示意圖。作發(fā)電機或制動運行時，電機的段數(shù)任意， 作電動機運行時，必須采用兩段、三段或多段式結構，以產(chǎn)生方向恒定的電磁轉矩。圖3為 采用三段定子鐵芯的外轉子永磁體錯位裝配示意圖，如圖所示，為了使得電機能夠產(chǎn)生三 相對稱交流電勢或方向恒定的電磁轉矩，三段定子鐵芯所對應的三組永磁體中的N極永磁 體17和S極永磁體18交替出現(xiàn)，每組永磁體的數(shù)量等于所對應的每單段定子鐵芯楔形磁 極的數(shù)量，并且在裝配永磁體時相鄰組同一極性的永磁體應沿圓周方向相互錯開120°電 角度。當作發(fā)電機運行時，原動機拖動外轉子永磁體旋轉，從而不斷切割定子鐵芯內(nèi)的定子 繞組以感應出電角度互差120°的三相交流電動勢；而當定子鐵芯內(nèi)的三相定子集中繞組 通入三相對稱交流電時，即電源電壓的電角度互差120°，此時每段定子鐵芯產(chǎn)生的磁場與 各自相對應的外轉子永磁體相互作用，通過改變?nèi)嚯娏鞯墓╇姇r序，產(chǎn)生方向恒定的電 磁轉矩，使外轉子旋轉，電機工作在電動狀態(tài)。采用三段式結構時，由于三組永磁體在裝配 時應沿圓周方向相互錯開120°電角度，所以三組電機產(chǎn)生的具有相位差的三組齒槽轉矩 可以相互消弱，使得電機總的齒槽轉矩降低，可以減小電機運行中的震動和噪聲。
權利要求1.周向移相軸向分段的楔形定子鐵芯外永磁轉子同步電機，其特征在于所述電機的 定子軸(7) —端安裝左端蓋(5)，左端蓋(5)與定子軸(7)之間安裝有左軸承(6)，定子軸 (7)另一端安裝有右端蓋(13)，右端蓋(13)與定子軸(7)之間安裝有右軸承(14)；定子軸 (7)中間部分沿徑向由內(nèi)向外依次安裝有定子鐵芯(3)和外轉子(2)，定子集中繞組(10)位 于定子鐵芯(3)內(nèi)部，且均勻纏繞在定子軸(7)上，并通過接線孔將定子集中繞組(10)接線 引出；外轉子(2)兩端通過螺栓(4)分別連接左端蓋(5)和右端蓋(13)，外轉子(2)內(nèi)表面 安裝有永磁體(1)，電機通過安裝在定子軸(7)上的外支架固定在地面上，定子軸(7)與外 支架之間安裝有外支架軸承(12)。
2.根據(jù)權利要求1所述周向移相軸向分段的楔形定子鐵芯外永磁轉子同步電機，其特 征在于所述永磁體(1)通過磁鋼定位鋼板(11)固定安裝在外轉子(2)上。
3.根據(jù)權利要求1所述周向移相軸向分段的楔形定子鐵芯外永磁轉子同步電機，其特 征在于所述定子鐵芯(3)為單段、兩段、三段或者多段結構。
4.根據(jù)權利要求1所述周向移相軸向分段的楔形定子鐵芯外永磁轉子同步電機，其特 征在于所述定子鐵芯(3)兩側安裝有止動擋圈(8)。
5.根據(jù)權利要求1所述周向移相軸向分段的楔形定子鐵芯外永磁轉子同步電機，其特 征在于所述定子鐵芯(3 )與定子軸(7 )之間安裝有平鍵(9 )。
6.根據(jù)權利要求3所述周向移相軸向分段的楔形定子鐵芯外永磁轉子同步電機，其 特征在于所述單段定子鐵芯(3)由兩片定子磁軛組成，每片定子磁軛由軟磁復合材料制 成的圓盤型磁軛(16)與沿周向分布在圓盤型磁軛(16)上的軟磁復合材料制成的楔型磁極 (15)組成，楔形磁極(15)前端寬度最窄并且與外轉子(2)內(nèi)表面沿定子軸(7)徑向的垂直 距離最小，從楔形磁極(15)前端沿定子軸(7)軸向到圓盤型磁軛(16)處的楔形磁極(15)寬 度逐漸增大并且厚度也逐漸增厚，楔形磁極(15)與外轉子(2)沿定子軸(7)徑向垂直距離 逐漸增大，將兩片定子磁軛的楔形磁極(15)相對并且沿圓盤型磁軛(16)周向相互錯開裝 配組成形狀類似圓餅型的定子鐵芯(3)，兩片定子磁軛的楔形磁極(15)在圓盤型磁軛(16) 圓周方向交替均勻分布，即構成沿定子軸(7)軸向不均勻氣隙結構。
7.根據(jù)權利要求6所述周向移相軸向分段的楔形定子鐵芯外永磁轉子同步電機，其特 征在于所述楔形磁極(15)的數(shù)量等于定子鐵芯(3)所對應外轉子(2)上永磁體(1)的數(shù) 量。
專利摘要周向移相軸向分段的楔形定子鐵芯外永磁轉子同步電機，定子軸一端安裝左端蓋，左端蓋與定子軸之間安裝有左軸承，定子軸另一端安裝有右端蓋，右端蓋與定子軸之間安裝有右軸承；定子軸中間部分沿徑向由內(nèi)向外依次安裝有定子鐵芯和外轉子，定子集中繞組位于定子鐵芯內(nèi)部，且均勻纏繞在定子軸上，并通過接線孔將定子集中繞組接線引出；外轉子兩端通過螺栓分別連接左端蓋和右端蓋，外轉子內(nèi)表面安裝有永磁體，電機通過安裝在定子軸上的外支架固定在地面上，定子軸與外支架之間安裝有外支架軸承。與現(xiàn)有的變頻調速永磁同步電機相比較，本實用新型不僅制造成本較低，而且在高頻供電高速運行時具有更大的轉矩密度和更好的運行性能。
文檔編號H02K21/22GK201846213SQ201020618009
公開日2011年5月25日 申請日期2010年11月22日 優(yōu)先權日2010年11月22日
發(fā)明者劉光偉, 張鳳閣, 張昊, 王博 申請人:沈陽工業(yè)大學