CN117498579A - 一种分块铁心盘式电机定子 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种分块铁心盘式电机定子，包括分块铁心、线圈、固定环、压圈及定子支架，所述线圈缠绕于分块铁心上，所述分块铁心嵌装入所述固定环内，所述定子支架套装在轴上，所述压圈和定子支架形成两侧挡板将固定环固定在压圈和定子支架中间，所述分块铁心、线圈、固定环、压圈及定子支架采用灌封胶灌封成型。本发明的定子结构磁导率高、饱和磁密高、在非高频下铁耗低，提高盘式电机转矩输出能力和效率；组合叠片的定子齿遵循磁场的“磁阻最小原则”，在一定程度上增强磁场，提高盘式电机性能，并且较大的齿靴有利于下线；削弱气隙磁场谐波，降低了永磁体涡流损耗和永磁体温度，提高了盘式电机效率和运行可靠性。
Description
技术领域
本发明属于盘式电机技术领域，具体涉及一种分块铁心盘式电机定子。
背景技术
分块铁心盘式电机移除了定子磁轭，电枢采用分数槽集中绕组，缩短了绕组端部长度，减小了定子质量，降低了铁耗和铜耗，提高了效率、功率密度和转矩密度。但由于分块铁心定子的每个定子齿是独立的，增加了定子铁心和定子整体结构的加工制造难度。
定子铁心常采用的材料有软磁复合材料和硅钢片。软磁复合材料各向同性，电阻率大，高频铁耗低，但是磁导率低，适用于高频且对效率要求高的应用场合。此外复杂的铁心形状需要模具，使得软磁复合材料的加工制造成本高。为了方便下线，通常软磁复合材料的定子齿靴在径向和切向上的尺寸均比齿身尺寸大。相比于软磁复合材料，硅钢片磁导率高、非高频铁耗低，在中低频且要求高效高转矩密度的场合比软磁复合材料更具有优势。在盘式电机三维磁场应用中，考虑到硅钢片各向异性的特征，一般采用径向叠压。为了充分利用槽空间，定子齿从内到外的齿宽逐渐增大，因此理论上每个硅钢片的尺寸都不一样。一种加工方式是每个硅钢片都单独冲片，这大大增加了制造时间和成本。替代方案是采用几个不同尺寸的硅钢片呈阶梯摆放，或者采用两个不同尺寸的硅钢片交替摆放，从而达到外轮廓一致的效果，但是这在一定程度上降低了电机性能。另外一种是采用先叠片后切割的方式，但是只对加工简单形状有效。此外由于加工限制，一般情况下硅钢片的定子齿靴径向尺寸和齿身一致，只是齿靴更宽，呈“工”型。如果舍弃定子齿靴，虽然方便加工，但是会加重气隙磁场谐波畸变，增大永磁体涡流损耗，提高永磁体温度，降低电机效率和运行可靠性。
如何设计定子结构来固定定子是分块铁心盘式电机关注的重点问题。普遍采用的定子装配方法有两种：第一种是两个带凹槽或孔的非金属板与定子齿配合将多个定子齿从轴向两端固定；第二种是利用与机壳一体的翅片***相邻定子齿间，这两种方法后续进行与机壳整体灌封固定的步骤，最后与轴承、轴装配完成定子固定。这两种定子装配方法均是针对定子与机壳静止的内转子盘式电机，而针对机壳与转子共同旋转、定子与轴静止的外转子盘式电机定子装配方法较少。外转子分块铁心盘式电机的定子固定面临诸多困难：将多个独立定子齿进行统一固定，并且要满足线圈从空间不充足的定子内径侧出线的条件，在保证足够机械强度前提下，与轴共同固定不发生轴向移动。
综上所述，设计一种适用于非高频外转子盘式电机、兼顾加工制造难度和成本的分块铁心盘式电机定子，保证盘式电机高效、高转矩密度的同时安全可靠地运行是目前本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种分块铁心盘式电机定子。
本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
一种分块铁心盘式电机定子，其特征在于：包括分块铁心、线圈、固定环、压圈及定子支架，所述线圈缠绕于分块铁心上，所述分块铁心嵌装入所述固定环内，所述定子支架套装在轴上，所述压圈和定子支架形成两侧挡板将固定环固定在压圈和定子支架中间，所述分块铁心、线圈、固定环、压圈及定子支架采用灌封胶将灌封成型；所述分块铁心由若干定子齿沿圆周均匀布置组成，所述定子齿包括齿靴和齿身，齿靴由若干切向叠压硅钢片组成，齿身由若干径向叠压硅钢片组成。
而且，所述固定环包括内环和外环，分别放置在分块铁心的内圆周和外圆周；所述内环包括内环体、内环爪、内环出线孔、内环凹槽、内环挡环和内环凸台；所述外环包括外环体和外环爪；所述内环爪和外环爪嵌放于分块铁心相邻的齿靴中间；内环爪和外环爪的数量与定子齿数量一致；内环出线孔沿固定环中心圆周分布；固定环将多个独立定子齿在内外径向进行了固定。
而且，所述压圈包括压圈体、压圈孔和螺钉孔；所述定子支架包括定子支架体、定子支架连接孔、定子支架出线槽、定子支架挡环和定子支架凸台；压圈和内环凸台配合，压圈套在定子支架凸台上，压圈孔和定子支架连接孔对齐并通过螺钉孔用螺钉紧固连接，从而将固定环轴向一端固定，定子支架挡环在轴向另一端与内环挡环配合将固定环固定；所述轴是空心轴，所述轴包括轴体、轴挡环和轴出线孔，在轴挡环另一侧的轴表面有螺纹；定子支架套装在轴上，轴向两端分别由轴挡环、与螺纹配合的螺母固定。
而且，所述分块铁心的加工步骤为：
S1、切割尺寸一致的第一种矩形硅钢片，其轴向长度和径向长度分别与齿靴的轴向长度和径向长度相同；
S2、沿切向相邻的第一种矩形硅钢片中间涂漆并叠压，叠压厚度与齿靴的切向最大长度相同；
S3、叠压后的第一种矩形硅钢片沿与齿靴相同的外轮廓切割，得到切向叠压硅钢片齿靴；
S4、切割尺寸一致的第二种矩形硅钢片，其轴向长度和切向长度分别与齿身的轴向长度和切向最大长度相同；
S5、沿径向相邻的第二种矩形硅钢片中间涂漆并叠压，叠压厚度与齿身的径向长度相同；
S6、叠压后的第二种矩形硅钢片沿与齿身相同的外轮廓切割，得到径向叠压硅钢片齿身；
S7、切割完成后的第一个齿靴和齿身一侧之间采用粘合剂固定，套装上绝缘纸和线圈后，用粘合剂固定齿身另一侧和第二个齿靴；
S8、齿身与齿靴固定后，在每个定子齿上沿轴向缠绕薄无纬带加固。
而且，所述线圈的出线步骤为：
1)导线在胎上缠线，成型为线圈；
2)线圈套在设置好绝缘纸的齿身上；
3)线圈从内环出线孔出线，在内环凹槽连线；
4)浸漆后，线圈通过定子支架出线槽和轴出线孔从轴的一端出线。
本发明的优点和有益效果为：
1、本发明的分块铁心盘式电机定子，相比于软磁复合材料的分块铁心定子，磁导率高、饱和磁密高、在非高频下铁耗低，提高了盘式电机转矩输出能力和效率。
2、本发明的分块铁心盘式电机定子，相比于齿靴和齿身都采用径向叠压硅钢片的结构，其组成齿靴的切向硅钢片遵循磁场的“磁阻最小原则”，在一定程度上增强了磁场，提高了盘式电机性能，并且较大的齿靴有利于下线。
3、本发明的分块铁心盘式电机定子，相比于定子无齿靴且齿身采用径向叠压硅钢片的结构，削弱了气隙磁场谐波，降低了永磁体涡流损耗和永磁体温度，提高了盘式电机效率和运行可靠性。
4、本发明的分块铁心盘式电机定子，组合叠片分块铁心定子的齿靴和齿身分开加工，由于形状简单可以采用先叠压后切割的方式，大大降低了加工制造难度，节约了材料和加工成本。
5、本发明的分块铁心盘式电机定子，在分块铁心定子的内外侧设置固定环，利用相邻齿靴间隙将独立定子齿整合为一体固定。
6、本发明的分块铁心盘式电机定子，分块铁心盘式电机定子装配方法适用于所有外转子盘式电机场合，在固定环的内环留有凹槽便于线圈接线，配合定子支架和轴出线孔，来考虑内径侧出线，利用压圈和轴凸台形成挡板，保证分块铁心定子不发生轴向位移。
附图说明
图1为本发明盘式电机定子分块铁心结构示意图；
图2为本发明定子齿的结构示意图；
图3为本发明齿靴和齿身叠压方向示意图；
图4为本发明盘式电机定子结构剖视图；
图5为本发明盘式电机定子结构***图；
图6为本发明内环结构示意图；
图7为本发明外环结构示意图；
图8为本发明固定环和分块铁心组合结构示意图；
图9为本发明压圈结构示意图；
图10为本发明定子支架结构示意图；
图11为本发明压圈和定子支架组合结构示意图；
图12为本发明内环、压圈和定子支架组合结构一侧示意图；
图13为本发明内环、压圈和定子支架组合结构另一侧示意图；
图14为本发明的轴的结构示意图；
图15为本发明定子支架和轴组合结构一侧示意图；
图16为本发明定子支架和轴组合结构另一侧示意图。
附图标记说明
1.分块铁心，2.线圈，3.固定环，4.压圈，5.定子支架，6.轴；1-1.定子齿，101.齿靴，102.齿身，3a.内环，3b.外环，301.内环体，302.内环爪，303.内环出线孔，304.内环凹槽，305.内环挡环，306.内环凸台，307.外环体，308.外环爪，401.压圈体，402.压圈孔，403.螺钉孔，501.定子支架体，502.定子支架连接孔，503.定子支架出线槽，504.定子支架挡环，505.定子支架凸台，601.轴体，602.轴挡环，603.轴出线孔。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种分块铁心盘式电机定子，分块铁心1如图1所示由多个独立定子齿1-1组成，定子齿1-1沿圆周均匀分布。图2所示为单个定子齿1-1，包括齿靴101和齿身102。定子齿1-1采用组合叠片的形式，具体如图3所示，齿靴101由切向叠压硅钢片组成，齿身102由径向叠压硅钢片组成。
分块铁心1的加工制造包括以下过程：
一、切割尺寸一致的第一种矩形硅钢片，其轴向长度和径向长度分别与齿靴101的轴向长度和径向长度相同；
二、沿切向相邻的第一种矩形硅钢片中间涂漆并叠压，叠压厚度与图3中齿靴101的切向最大长度相同；
三、叠压后的第一种矩形硅钢片沿与齿靴101相同的外轮廓即图3中左侧虚线切割，得到切向叠压硅钢片齿靴101；
四、切割尺寸一致的第二种矩形硅钢片，其轴向长度和切向长度分别与齿身102的轴向长度和切向最大长度相同；
五、沿径向相邻的第二种矩形硅钢片中间涂漆并叠压，叠压厚度与图3中齿身102的径向长度相同；
六、叠压后的第二种矩形硅钢片沿与齿身102相同的外轮廓即图3中右侧虚线切割，得到径向叠压硅钢片齿身102；
七、切割完成后的第一个齿靴101和齿身102一侧之间采用粘合剂固定，套装上绝缘纸和线圈2后，用粘合剂固定齿身102另一侧和第二个齿靴101；
八、齿身102与齿靴101固定后，在每个定子齿1-1上沿轴向缠绕薄无纬带加固。
本发明的分块铁心盘式电机定子，如图4、5所示，分块铁心盘式电机定子包括：分块铁心1、线圈2、固定环3、压圈4、定子支架5和轴6；线圈2缠绕在分块铁心1上，分块铁心1嵌放在固定环3里，沿固定环3中心圆周均匀分布；固定环3套在定子支架5上，压圈4和定子支架5形成两端挡板将固定环3固定在压圈4和定子支架5中间，定子支架5套装在轴6上。
固定环3采用与灌封胶粘度高的非金属材料，固定环3包括内环3a和外环3b。如图6所示内环3a包括内环体301、内环爪302、内环出线孔303、内环凹槽304、内环挡环305和内环凸台306；
内环爪302和内环体301同圆心并沿内环体301外圆周均匀分布，内环爪302内径与内环体301外径相等，内环爪302和内环体301的轴向长度相等，内环爪302径向有一定长度(径向长度与线圈2内径布置情况有关)；内环出线孔303均匀布置在相邻内环爪302之间，并且位于内环体301轴向中间，内环出线孔303是通孔，径向贯穿了内环体301，内环出线孔303的直径小于相邻内环爪302间距；内环挡环305和内环凸台306分别布置在内环体301内圆周的轴向两端，内环挡环305和内环凸台306的外径和内环体301的内径相等，内环挡环305轴向外表面与内环体301轴向外表面平齐，内环凸台306轴向外表面与内环体301轴向外表面有一定间距，内环挡环305和内环凸台306轴向均有一定厚度但是不会对内环出线孔303造成遮挡，内环挡环305和内环凸台306的内径相等，且都比内环体301内径小，以此形成了可以设置线圈2连线的内环凹槽304；
如图7所示外环3b包括外环体307和外环爪308；外环爪308和外环体307同圆心并沿外环体307内圆周均匀分布，外环爪308外径与外环体307内径相等，外环爪308和外环体307的轴向长度相等，外环爪308径向有一定长度(径向长度与线圈2外径布置情况有关)；
具体的，图8所示的固定环和分块铁心组合结构图，内环3a和外环3b分别放置在分块铁心1的内圆周和外圆周；内环3a、外环3b和分块铁心1同圆心；内环爪302和外环爪308嵌放在分块铁心1相邻齿靴101中间；内环体301径向外侧与齿靴101底部完全贴合，外环体307径向内侧与齿靴101顶部完全贴合；不同径向上相邻齿靴101等间距，内环爪302和外环爪308的宽度与相邻齿靴101间距相等；内环3a和外环3b的轴向长度与分块铁心1的轴向长度相等；内环3a和外环3b轴向两端表面与分块铁心1外表面平齐；内环爪302和外环爪308的数量与齿靴101数量一致；内环出线孔303与线圈2数量一致；固定环3将多个独立定子齿1-1在内外径向进行了固定。
图9所示压圈4包括压圈体401、压圈孔402和螺钉孔403；压圈孔402和螺钉孔403同圆心且数量相等，沿压圈体401圆周均匀分布；螺钉孔403直径比压圈孔402直径大；压圈孔402是通孔，轴向贯穿了压圈4，螺钉孔403不是通孔没有贯穿压圈4；
图10所示定子支架5包括定子支架体501、定子支架连接孔502、定子支架出线槽503、定子支架挡环504和定子支架凸台505；定子支架连接孔502沿圆周均匀分布在定子支架体501轴向一端且数量与压圈孔402一致，定子支架连接孔502不是通孔且内有螺纹；定子支架凸台505在定子支架连接孔502内侧，与定子支架连接孔502同圆心，定子支架凸台505在轴向有一定厚度；定子支架出线槽503的数量与线圈2出线数量相等(根据相数、线圈2连接方式来决定线圈2出线数量)；定子支架出线槽503沿圆周均匀设置在相邻定子支架凸台505之间，沿径向贯通了定子支架体501，但是没有轴向贯穿定子支架体501；定子支架挡环504与定子支架体501同圆心，布置在定子支架体501与定子支架凸台505相反一侧，定子支架挡环504外径比定子支架体501外径大。
具体的，图11所示的压圈和定子支架组合结构图和图12、图13所示的内环、压圈和定子支架组合结构图，定子支架5与压圈4同圆心；定子支架连接孔502与压圈孔402、螺钉孔403同圆心；定子支架凸台505外径和压圈4内径相等；定子支架凸台505与压圈4轴向长度相等；压圈4外径比定子支架体501外径大；内环挡环305、内环凸台306的内径和定子支架体501的外径相等；
将装配好分块铁心1的固定环3套入定子支架体501，直至内环3a与定子支架挡环504接触；为了将固定环3在轴向一端固定，定子支架挡环504外径比内环挡环305内径大以起到挡板作用；将压圈4套在定子支架凸台505上，压圈孔402所在压圈4一侧外表面与定子支架连接孔502所在定子支架5一侧外表面接触，压圈孔402和定子支架连接孔502对准，从螺钉孔403一侧使用螺钉与定子支架连接孔502螺纹组合进行紧固；压圈4外径和内环凸台306外径相等，压圈4轴向表面和内环凸台306轴向表面相接来配合，以此将固定环3在轴向另一端固定。压圈4轴向外表面比内环体301轴向外表面平齐或者略高，但不超过单边气隙长度。
线圈2出线包括以下步骤：步骤一、导线在胎上缠线；步骤二、线圈整形为成型线圈；步骤三、成型线圈套在设置好绝缘纸的齿身102上；步骤四、线圈从内环出线孔303出线，在内环凹槽304连线；步骤五、浸漆后，线圈通过定子支架出线槽503和轴出线孔603从轴6的轴向一端出线。
分块铁心1、线圈2、固定环3、压圈4和定子支架5装配后，采用灌封胶将以上部件整体灌封成型，再与轴6配合；灌封后提高了分块铁心盘式电机定子的机械强度，能够承受电磁力而不发生形变。
图14所示轴6包括轴体601、轴挡环602和轴出线孔603，轴6是空心轴结构；轴出线孔603是通孔，沿圆周均匀分布在轴上，其数量和定子支架出线槽503数量相等；轴挡环602外径比轴出线孔603所在圆周外径大；在图中轴体601指示位置的外表面有螺纹。
具体的，图15和图16所示的定子支架和轴组合结构图，轴6与定子支架5同圆心；定子支架体501内径与轴出线孔603所在圆周外径相等，定子支架5套在轴6上；轴出线孔603正对定子支架出线槽503位置；轴挡环602轴向外表面与定子支架体501一侧的轴向外表面接触，定子支架5外径比轴挡环602外径大，以此来固定定子支架5的轴向一端；定子支架凸台505所在定子支架5一侧的轴向外表面不超过轴体601轴向范围，螺母外径比定子支架5内径大，螺母配合轴体601上的螺纹紧固，以此来固定定子支架5的轴向另一端，保证了分块铁心盘式电机定子不发生轴向位移。
需要进一步说明的是，所述分块铁心盘式电机定子可以推广应用到其他各种类型的分块铁心定子结构中，可以是本发明设计的分块铁心定子结构，也可以是软磁复合材料、非晶合金或其它铁心材料的分块铁心定子，还可以是其它叠压形式硅钢片的分块铁心定子，其中硅钢片可以是无取向硅钢片，也可以是有取向硅钢片。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。
Claims (5)
1.一种分块铁心盘式电机定子，其特征在于：包括分块铁心(1)、线圈(2)、固定环(3)、压圈(4)及定子支架(5)，所述线圈(2)缠绕于分块铁心(1)上，所述分块铁心(1)嵌装入所述固定环(3)内，所述定子支架(5)套装在轴(6)上，所述压圈(4)和定子支架(5)形成两侧挡板将固定环(3)固定在压圈(4)和定子支架(5)中间，所述分块铁心(1)、线圈(2)、固定环(3)、压圈(4)及定子支架(5)采用灌封胶将灌封成型；所述分块铁心(1)由若干定子齿(1-1)沿圆周均匀布置组成，所述定子齿(1-1)包括齿靴(101)和齿身(102)，齿靴(101)由若干切向叠压硅钢片组成，齿身(102)由若干径向叠压硅钢片组成。
2.根据权利要求1所述的分块铁心盘式电机定子，其特征在于：所述固定环(3)包括内环(3a)和外环(3b)，分别放置在分块铁心(1)的内圆周和外圆周；所述内环(3a)包括内环体(301)、内环爪(302)、内环出线孔(303)、内环凹槽(304)、内环挡环(305)和内环凸台(306)；所述外环(3b)包括外环体(307)和外环爪(308)；所述内环爪(302)和外环爪(308)嵌放于分块铁心(1)相邻的齿靴(101)中间；内环爪(302)和外环爪(308)的数量与定子齿(1-1)数量一致；内环出线孔(303)沿固定环(3)中心圆周分布；固定环(3)将多个独立定子齿(1-1)在内外径向进行了固定。
3.根据权利要求2所述的分块铁心盘式电机定子，其特征在于：所述压圈(4)包括压圈体(401)、压圈孔(402)和螺钉孔(403)；所述定子支架(5)包括定子支架体(501)、定子支架连接孔(502)、定子支架出线槽(503)、定子支架挡环(504)和定子支架凸台(505)；压圈(4)和内环凸台(306)配合，压圈(4)套在定子支架凸台(505)上，压圈孔(402)和定子支架连接孔(502)对齐并通过螺钉孔(403)用螺钉紧固连接，从而将固定环(3)轴向一端固定，定子支架挡环(504)在轴向另一端与内环挡环(305)配合将固定环(3)固定；所述轴(6)是空心轴，所述轴(6)包括轴体(601)、轴挡环(602)和轴出线孔(603)，在轴挡环(602)另一侧的轴(6)表面有螺纹；定子支架(5)套装在轴(6)上，轴向两端分别由轴挡环(602)、与螺纹配合的螺母固定。
4.根据权利要求1所述的分块铁心盘式电机定子，其特征在于：所述分块铁心(1)的加工步骤为：
S1、切割尺寸一致的第一种矩形硅钢片，其轴向长度和径向长度分别与齿靴(101)的轴向长度和径向长度相同；
S2、沿切向相邻的第一种矩形硅钢片中间涂漆并叠压，叠压厚度与齿靴(101)的切向最大长度相同；
S3、叠压后的第一种矩形硅钢片沿与齿靴(101)相同的外轮廓切割，得到切向叠压硅钢片齿靴(101)；
S4、切割尺寸一致的第二种矩形硅钢片，其轴向长度和切向长度分别与齿身(102)的轴向长度和切向最大长度相同；
S5、沿径向相邻的第二种矩形硅钢片中间涂漆并叠压，叠压厚度与齿身(102)的径向长度相同；
S6、叠压后的第二种矩形硅钢片沿与齿身(102)相同的外轮廓切割，得到径向叠压硅钢片齿身(102)；
S7、切割完成后的第一个齿靴(101)和齿身(102)一侧之间采用粘合剂固定，套装上绝缘纸和线圈(2)后，用粘合剂固定齿身(102)另一侧和第二个齿靴(101)；
S8、齿身(102)与齿靴(101)固定后，在每个定子齿(1-1)上沿轴向缠绕薄无纬带加固。
5.根据权利要求1所述的分块铁心盘式电机定子，其特征在于：所述线圈(2)的出线步骤为：
1)导线在胎上缠线，成型为线圈(2)；
2)线圈(2)套在设置好绝缘纸的齿身(102)上；
3)线圈(2)从内环出线孔(303)出线，在内环凹槽(304)连线；
4)浸漆后，线圈(2)通过定子支架出线槽(503)和轴出线孔(603)从轴(6)的一端出线。
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