磁通切换型横向磁通永磁低速大转矩直接驱动电机的制作方法

本发明属于电机制造领域，具体涉及一种磁通切换型横向磁通永磁低速大转矩直接驱动电机。

背景技术：

低速大转矩直接驱动电机淘汰了笨重的减速机构，避免了结构复杂，转动惯量大，效率低，润滑油泄漏，磨损，维护频繁等各种不利影响。低速大转矩直接驱动电机在金属拉丝机、电梯曳引装置、起重机械、塔式抽油机、矿用防爆电机、空冷岛风机、皮带运输、风力发电机等领域具有广泛用途。

要实现电机低于100r/min的低速度、高转矩密度、直接驱动，必须实现极对数≥30的设计。基于电机根本性电磁结构不同，现有径向磁通电机与横向磁通电机在实现电机的多极对数设计上存在两种截然不同的方案。

在现有的径向磁通低速大转矩直接驱动电机中，要实现多极对数设计，必须增加每极每相下的绕组数。绕组数通常与定子铁心的槽数相对应，这就意味着要相应增加槽数。为了减少定子铁心总的槽数，每极每相槽数q＝q/2mp通常设计为小于1的分数。其中，q为每极每相槽数，q为电机定子铁心槽数，m为相数，p为极对数。q小于1，虽使得每极下槽数减少，但实质是以较少数目的大槽代替较多数目的小槽。

现有径向磁通电机结构中，磁通经过的齿部和电枢绕组所在的槽占用同一圆环形截面，磁力线所在平面平行于电机的旋转方向，槽的截面积与齿部的截面积互相制约。如果需要流过较大的电流，就需要较大的绕组截面积，齿部的截面积就受到影响(饱和作用会使磁通减小)；反之亦然。如果齿部的截面积和槽的截面积同时增大，则会增大电机的半径，使电机的转矩密度降低。因此，输出转矩难以得到根本提高。上述将每极每相槽数q＝q/2mp设计为小于1的分数，只是以较少数目的大槽代替较多数目的小槽，并不能减少绕组数量和绕组所占槽的总的截面积。在现有的径向磁通电机的电磁结构中，要实现多极对数的电机设计，不可避免地要增大电机的半径，使电机的转矩密度降低。

在横向磁通电机中，因为磁路与电路分离，且在空间相互垂直，磁路铁心与电路绕组的尺寸可以独立调整，设计自由度大，能有效提高电机功率和转矩密度，容易实现多相、多极对数的结构设计，在低速时保持高效率和大转矩。横向磁通电机获得的力密度是现有径向磁通电机的3-5倍。

现有的横向磁通永磁电机，相邻两组转子铁心只对应一组定子铁心，磁通的空间利用率低。在中国专利cn201010100924的设计方案中，用磁通切换的方式实现了转子铁心与定子铁心一对一，提高了磁通的空间利用率。但是，“转子铁心(4)两边分别嵌入一块永磁体(2)(3)”，就是说，用一个包含2块永磁体的一个转子铁心对应一个定子铁心，而且这2块永磁体是轮流工作，永磁体的利用率还是偏低。

横向磁通电机多极对数的设计方法，可以表述为：在相同的额定功率下，可以不增大电机直径尺寸，不改变相绕组的尺寸和参数，主要通过减小定、转子铁心叠厚，增加定、转子铁心数量来实现。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种高功率密度和高转矩密度，适于实现多极对数设计的磁通切换型横向磁通永磁低速大转矩直接驱动电机。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

磁通切换型横向磁通永磁低速大转矩直接驱动电机，由定、转子铁心，定、转子基体，相绕组等组成。定子铁心10由铁心本体11与l型极靴12装配而成；转子铁心20中包括部件21与22，永磁体23或24安装在部件21与22之间的窗孔025中；定子基体30和转子基体40沿轴向划分为m相段，每相段极对数为p；在定子基体30的每相段槽道31上直接绕制环形相绕组50，跨越相绕组50，每段窗孔32中安装2p个定子铁心10，绕电机轴线呈圆周阵列分布，相邻定子铁心10绕圆周阵列的半径转180°；在转子基体每段窗孔41中安装2p个转子铁心20，绕电机轴线呈圆周阵列分布，相邻转子铁心中的永磁体23与24形状相同，充磁方向相反；各相转子铁心20径向对齐，各相定子铁心10径向相互错开1/m极距角。

定子基体30和转子基体40以及转子左端盖管60、右端盖管61由非导磁材料制造；定子基体30每相段设有绕制相绕组的槽道31，还设有安装定子铁心的窗孔32，定子铁心窗孔32轴线方向的一边和相邻窗孔32的另一边设有安装l型极靴12的凹槽；各相定子铁心窗孔32径向相互错开1/m极距角；转子基体40上设有安装各相转子铁心的窗孔41，各相转子铁心窗孔41径向对齐；转子基体40每相段中间还设有安装转子紧固环的槽道42。

定子铁心10的本体11的冲片011由硅钢片冲制，其基本形状为“u”字型，冲片011两边设有矩形凸出013，其边沿设有利于氩弧焊接的凹凸形状和焊点010；冲片011“u”字型中部外边还设有矩形缺口014。l型极靴12的冲片012由硅钢片冲制，其两边和端部也设有利于氩弧焊接的凹凸形状和焊点010。定子铁心本体11的冲片011和l型极靴12的冲片的012按电机气隙定子铁心内圆面的弧度叠压，保持压力，在焊点010进行氩弧焊接，焊点连成弧线，形成铁心本体11和l型极靴12。定子铁心10的本体11“u”字型的较长一端是定子铁心10的一个磁极，对应转子铁心20连通的两端磁极，即转子铁心20的部件21。定子铁心10的本体11“u”字型的较短的另一端与l型极靴12装配是在定子100的装配过程中进行的；l型极靴12是定子铁心10的另一磁极，对应转子铁心20连通的中间磁极，即转子铁心20的部件22。

转子铁心20的硅钢冲片020两边设有矩形凸出021，矩形凸出边沿还设有利于焊接的凹凸图形和焊点022；转子铁心20的硅钢冲片020中间靠气隙一边设有矩形缺口023，此缺口内中间也设有凹凸图形和焊点022；冲片020上设有两处可分离部件21与22的切割位置024，两部件21与22之间的窗孔025，设有2个长腰孔026，其长腰与电机轴线垂直。

转子铁心20硅钢冲片020按电机气隙转子铁心外圆面的弧度叠压，保持压力，在焊点022进行氩弧焊接，焊点连成弧线，形成整体的转子铁心20。在2个切割位置024将整体的转子铁心20分割为两个部件21与22，部件21连通转子铁20的两端，是转子铁心20的一个磁极，部件22连通转子铁心20的中部，是转子铁心20的另一个磁极；两部件21与22之间凹凸相对，相互嵌套，间距大于定转子气隙宽度的5倍；在部件21与22之间的窗孔025中装入形状相同，充磁方向相反的永磁体23或24，永磁体23或24的两个弧形极面分别与部件21或22紧密接触；再将部件21与22在长腰孔026处用非导磁铆钉25铆接；将部件21与22的分割部位024用非导磁材料封闭，再用非导磁绝缘胶26灌封两部件21与22的间隙。

定子100装配步骤：一、在定子基体30的各相铁心窗孔中，安装2p个定子铁心10的本体11的l型极靴12，绕电机轴线呈圆周阵列分布，相邻铁心l型极靴12绕定子铁心圆周阵列的半径反转180°；二、在定子基体30各相段的槽道31底面和定子铁心l型极靴12上面，粘贴相绕组内环绝缘片51，槽道两边粘贴相绕组侧面绝缘片52；三、在定子基体30的槽道31和相绕组内环绝缘片51上绕制各相绕组50；四、跨越相绕组50，在定子基体30各段窗孔中安装2p个定子铁心10的本体11与直套型极靴12的装配体，绕电机轴线呈圆周阵列分布，相邻的定子铁心10的本体11，绕定子铁心圆周阵列的半径反转180°，至此，每个定子铁心10的本体11和直套型极靴12的装配也同时完成；五、在各相定子铁心圆周阵列的弧形凹槽014中用硅钢带多层卷绕，层间涂刷粘结剂，末端氩弧焊接，形成定子紧固环13。

转子200装配步骤：一、在转子基体40各相段窗孔41中安装2p个转铁心20，绕电机轴线呈圆周阵列分布，相邻转子铁心20中的永磁体23或24形状相同，充磁方向相反；二、在各相转子铁心圆周阵列的弧形凹槽023和转子基体40的槽道42上先绕多层非导磁绝缘带，层间涂刷粘结剂，再用表面绝缘的无磁不锈钢带多层卷绕，层间涂刷绝缘粘结剂，形成转子紧固环27；三、在转子基体40两端，安装转子左端盖管60和右端盖管61。

定子100通过多相定子铁心圆周阵列的外圆与机壳过盈配合安装；转子200通过安装在转子基体两端的转子左端盖管60和右端盖管61的內圆与机轴过盈配合安装。

定子相绕组50是圆环形集中绕组，采用多股漆包绞线。

相同额定功率下，可不增大电机直径尺寸，不改变相绕组尺寸和参数，主要通过减小定、转子铁心叠厚，增加定、转子铁心数量，实现电机更多极对数设计。

本发明的主要优点：

(1)在一相定子和转子铁心的圆周阵列中，2个相邻的定子铁心与2个相邻的转子铁心，在电机转子转动的360°电角度内产生4种磁通切换回路。在0～180°电角度期间，相邻的定子铁心与相邻的转子铁心之间形成2种磁通切换回路，一相2p个定子铁心与对应2p个转子铁心磁路的磁通均向同一方向流动；在180～360°电角度期间，相邻的定子铁心与相邻的转子铁心磁路形成另2种磁通切换回路，一相2p个定子铁心与对应2p个转子铁心磁路的磁通均向同一相反方向流动。电机的磁通空间利用率达到100％，永磁体的利用率也达到100％。

(2)定子铁心的所有冲片按电机气隙定子铁心内圆面的弧度叠压，转子铁心冲片按电机气隙转子铁心外圆面的弧度叠压。经弧面叠压和焊接后，得到定子铁心与转子铁心位于气隙两侧的最重要的弧面形状，可以避免再对定、转子铁心进行任何机械加工。

(3)在定子基体的各相铁心窗孔中，先安装2p个定子铁心10的l型极靴12，绕电机轴线呈圆周阵列分布，相邻铁心l型极靴12绕定子铁心圆周阵列的半径反转180°，采用这种结构是为了方便相绕组绕制。在定子基体各相段的槽道31底面和定子铁心l型极靴12之上，粘贴绕组内环绝缘片51，槽道两边粘贴绕组侧面绝缘片52。在定子基体的槽道31底面和定子铁心l型极靴12之上直接绕制m相环形集中绕组，工艺性好，机械强度高。与现有径向磁通电机普遍采用分布式绕组，需要熟练工人在几十到几百个铁心槽中嵌线安装的复杂、低效工艺相比，具有显著优势。由直接绕制线圈的简单工艺，可以进一步实现自动化生产。

(4)定子基体的每相段窗孔中，安装2p个定子铁心，呈圆周阵列分布；转子基体每相段窗孔中安装2p个转子铁心，呈圆周阵列分布；各相转子铁心径向对齐，各相定子铁心径向相互错开1/m极距角。各相离散的定、转子铁心在定子或转子基体的窗孔中安装牢固，空间定位和相位设置精准。

(5)在永磁电机制造中，永磁体的安装始终是一个难题。从理论上说，在一个预先设置的刚性窗孔中安装一块永磁体，不可能使永磁体的两个极面同时分别与窗孔两边导磁体紧密接触。本发明中，将整体的转子铁心20分割为两个部件21与22，两部件之间凹凸相对，相互嵌套，间距大于定子与转子之间气隙宽度的5倍，部件21与22可在间距范围内相对移动，不是刚性的，便于安装永磁体；在部件21与22之间的窗孔中装入形状相同，充磁方向相反的永磁体23或24，永磁体的两个极面分别与部件21或22紧密接触；再将部件21与22用非导磁铆钉25铆接；将部件21与22的分割部位封闭，用非导磁绝缘胶26灌封两部件间隙。这种工艺方法利用永磁体23或24的强大吸引力、非导磁铆钉25的铆接力、非导磁绝缘灌封胶26的凝结力使得转子铁心成为一个坚固实体。转子200的装配步骤中，在各相转子铁心圆周阵列的弧形凹槽023与转子基体40的槽道42上先绕多层非导磁绝缘带，层间涂刷粘结剂，再用表面绝缘的无磁不锈钢带多层卷绕，层间涂刷绝缘粘结剂，形成转子紧固环27。这些措施确保转子200在高速旋转时具有足够的机械强度。

(6)在横向磁通电机中，因为磁路与电路分离，且在空间相互垂直，磁路铁心与电路绕组的尺寸可以独立调整，设计自由度大，能有效提高电机功率和转矩密度，容易实现多相、多极对数的结构设计，在低速时保持高效率和大转矩。由于横向磁通电机获得的力密度是现有径向磁通电机的3-5倍，使用变频器可以得到比径向磁通电机更宽的调速范围。

附图说明

图1定子铁心10的本体11和l型极靴12的硅钢冲片011和012的示意图。

图2定子铁心10的本体11与l型极靴12爆炸示意图。

图3定子铁心10的本体11与l型极靴12装配示意图。

图4转子铁心20的硅钢冲片020示意图。

图5转子铁心20的结构示意图。

图6定子铁心10与转子铁心20结构示意图。

图7一相定子铁心和转子铁心圆周阵列与一相绕组空间结构示意图。

图8在一相定子和转子铁心的圆周阵列中，相邻两组定、转子铁心与相绕组截面示意图；0～360°电角度内，相邻两组定、转子铁心与相绕组的磁通流向切换示意图。

图9实施例一(3相60极电机)定子基体30示意图。

图10实施例一(3相60极电机)定子安装步骤一、在定子基体30的各相铁心窗孔中，安装2p个定子铁心10的本体11的l型极靴12，绕电机轴线呈圆周阵列分布，相邻铁心l型极靴12绕定子铁心圆周阵列的半径反转180°。

图11实施例一(3相60极电机)定子安装步骤二、在定子基体30各相段的槽道31底面和定子铁心l型极靴12上面，粘贴相绕组内环绝缘片51，槽道两边粘贴相绕组侧面绝缘片52。

图12实施例一(3相60极电机)定子安装步骤三、在定子基体30的槽道31和相绕组内环绝缘片51上直接绕制各相绕组50。

图13实施例一(3相60极电机)定子安装步骤四、跨越相绕组50，在定子基体30各相段窗孔中安装2p个定子铁心10的本体11，绕电机轴线呈圆周阵列分布，相邻的定子铁心10的本体11绕定子铁心圆周阵列的半径反转180°，至此，每个定子铁心10的本体11和与l型极靴12的装配也同时完成。

图14实施例一(3相60极电机)定子安装步骤五、在各相定子铁心圆周阵列的弧形凹槽014中用硅钢带多层卷绕，层间涂刷粘结剂，末端氩弧焊接，形成定子紧固环13。

图15实施例一(3相60极电机)转子基体40示意图。

图16实施例一(3相60极电机)转子安装步骤一、在转子基体40各段窗孔中安装转子2p个铁心20，绕电机轴线呈圆周阵列分布，相邻转子铁心20中的永磁体23或24形状相同，充磁方向相反。

图17实施例一(3相60极电机)转子安装步骤二、在各相转子铁心圆周阵列的弧形凹槽023和转子基体40的槽道42上先绕多层非导磁绝缘带，层间涂刷粘结剂，再用表面绝缘的无磁不锈钢带多层卷绕，层间涂刷绝缘粘结剂，形成转子紧固环27。

图18实施例一(3相60极电机)转子安装步骤三、在转子基体40两端，安装转子左端盖管60、右端盖管61。

图19实施例一(3相60极电机)：定子100和转子200。

图20相同功率的10极电机与60极电机的定转子铁心可使用相同的铁心冲片，两种电机的定转子铁心叠层厚度比较。

图2110极与60极电机的一相定、转子铁心圆周阵列与一相绕组比较。

以上图中有：

定子铁心10，定子铁心10的本体11，l型极靴12，定子紧固环13。

定子铁心10的本体11的硅钢冲片011，l型极靴12的硅钢冲片012，冲片011两边设有的矩形凸出013，冲片011“u”字型中部外边设有矩形缺口014，冲片011和012的凹凸形状和焊点010。

转子铁心20，转子铁心20的部件21、22，永磁体23、24，非导磁铆钉25，非导磁绝缘灌封胶26，转子紧固环27。

转子铁心20的整体冲片020，冲片020两边的矩形凸出021，矩形凸出021上的凹凸图形和焊点022，020中间靠气隙一边设有矩形缺口023，缺口023内中间也设有凹凸图形和焊点022，分离转子铁心20的部件21与22的切割位置024，两部件21与22之间的窗孔025，长腰孔026。

定子基体30，定子基体30每相段设有绕制相绕组的槽道31，定子基体上安装定子铁心的窗孔32；

转子基体40，转子基体40每相段安装转子铁心的窗孔41，转子基体40每相段中间设有安装转子紧固环的槽道42；

相绕组50，相绕组内环绝缘片51，相绕组侧面绝缘片52；

转子左端盖管60，转子右端盖管61；

定子100，转子200。

具体实施方式

磁通切换型横向磁通永磁低速大转矩直接电机，主要由定子和转子铁心、定子基体、转子基体、相绕组组成。为了提高磁通空间利用率和永磁体的利用率，采取了一相定子铁心圆周阵列中，相邻定子铁心的磁路切换与对应转子铁心圆周阵列中，相邻转子铁心的永磁体极性变换同步进行的方式。每相段窗孔32中安装2p个定子铁心10，绕电机轴线呈圆周阵列分布，相邻定子铁心10绕圆周阵列的半径转180°，这就是利用相邻定子铁心的安装实现的磁路切换；在转子基体每相段窗孔41中安装2p个转子铁心20，绕电机轴线呈圆周阵列分布，相邻铁心中的永磁体23或24形状相同，充磁方向相反，这就是相邻转子铁心中的永磁体的极性变换。见图8，一相定子铁心圆周阵列中2个相邻的定子铁心的磁路切换与对应转子铁心圆周阵列中2个相邻的转子铁心中的极性变换，在电机转子转动的360°电角度内产生4种磁通切换回路。在0～180°电角度期间，相邻的定子铁心与相邻的转子铁心形成2种磁通切换回路，磁通向同一方向流动；在180～360°电角度期间，相邻的定子铁心与相邻的转子铁心形成另2种磁通切换回路，磁通向同一相反方向流动。电机的磁通空间利用率达到100％，永磁体的利用率也达到100％。

定子铁心10是铁心本体11与l型极靴12装配而成。定子铁心的制作，结合附图叙述如下：

(1)定子铁心10本体11的冲片011由硅钢片冲制，冲片011两边设有矩形凸出013，其边沿设有利于氩弧焊接的凹凸形状和焊点010；冲片011“u”字型中部外边还设有矩形缺口014。l型极靴12的冲片012由硅钢片冲制，其两边和端部也设有利于氩弧焊接的凹凸形状和焊点010。见图1。

(2)弧面叠压和焊接是在压力机和专用的靠准模具中进行的。定子铁心10的本体11的冲片011和l型极靴12的冲片012按电机气隙定子铁心内圆面的弧度叠压，保持压力，在010处氩弧焊接，焊点熔化连成弧线，形成定子铁心本体11和l型极靴12。

(3)定子铁心10的本体11“u”字型的较长一端是定子铁心10的一个磁极，对应转子铁心20连通的两端磁极，即转子铁心20的部件21。

(4)定子铁心10的本体11“u”字型的较短的另一端与l型极靴12装配是在定子100的装配过程中进行的；l型极靴12是定子铁心10的另一磁极，对应转子铁心20连通的中间磁极，即转子铁心20的部件22。

图2是定子铁心10的本体11与l型极靴12极靴爆炸示意图。图3是定子铁心10的本体11与l型极靴12极靴装配示意图。

转子铁心制造：

(1)转子铁心20的整体的硅钢冲片020两边设有矩形凸出021，矩形凸出边沿还设有利于焊接的凹凸图形和焊点022；转子铁心20的硅钢冲片020中间靠气隙一边设有矩形缺口023，此缺口内中间也设有凹凸图形和焊点022；冲片020上设有两处可分离部件21与22的切割位置024，两部件21与22之间可安装永磁体的窗孔025，2个铆接用长腰孔026，其长腰与电机轴线垂直。见图4。

(2)弧面叠压和氩弧焊接是在压力机和专用的靠准模具中进行的。转子铁心20硅钢冲片020按电机气隙转子铁心外侧面的弧度叠压，保持压力，在焊点022进行氩弧焊接，焊点熔化连成弧线，形成整体的转子铁心20。

(3)在2个切割位置024将整体的转子铁心20分割为两个部件21与22，部件21连通转子铁心20的两端，是转子铁心20的一个磁极，部件22连通转子铁心20的中部，是转子铁心20的另一个磁极；两部件21与22之间凹凸相对，相互嵌套，间距大于定转子之间气隙宽度的5倍；在部件21与22之间的窗孔025中装入形状相同，充磁方向相反的永磁体23或24，永磁体23或24的两个弧形极面分别与部件21或22紧密接触；再将部件21与22在长腰孔026处用非导磁铆钉25铆接；将部件21与22的分割部位024用非导磁材料封闭，再用非导磁绝缘胶26灌封两部件21与22的间隙。图5是转子铁心20的结构示意图。

铝合金是非导磁、导热性能良好的材料，可采用压铸工艺制造定子基体、转子基体以及转子左、右端盖管。

定子基体制造：定子基体每相段设有绕制相绕组的槽道31，还设有安装定子铁心的窗孔32，定子铁心窗孔32轴线方向的一边和相邻窗孔32的另一边设有安装l型极靴12的凹槽；各相定子铁心窗孔32径向相互错开1/m极距角。见图9，定子基体示意图。

转子基体制造：转子基体40上设有安装各相转子铁心的窗孔41，各相转子铁心窗孔41径向对齐；转子基体40每相段中间还设有安装紧固环的槽道42。见图15，转子基体示意图。

定子安装步骤：

(1)在定子基体30的各相铁心窗孔中，安装2p个定子铁心10的本体11的l型极靴12，绕电机轴线呈圆周阵列分布，相邻铁心l型极靴12绕定子铁心圆周阵列的半径反转180°。见图10。

(2)在定子基体30各相段的槽道31底面和定子铁心l型极靴12上面，粘贴相绕组内环绝缘片51，槽道两边粘贴相绕组侧面绝缘片52。见图11。

(3)在定子基体30的槽道31和相绕组内环绝缘片51上绕制各相绕组50。见图12。

(4)跨越相绕组50，在定子基体30各段窗孔中安装2p个定子铁心10的本体11，绕电机轴线呈圆周阵列分布，相邻的定子铁心10的本体11绕定子铁心圆周阵列的半径反转180°。至此，每个定子铁心10的本体11与l型极靴12的装配也同时完成。见图13。

(5)在各相定子铁心圆周阵列的弧形凹槽014中用硅钢带多层卷绕，层间涂刷粘结剂，末端氩弧焊接，形成定子紧固环13。见图14。

转子安装步骤：

(1)在转子基体40各相段窗孔41中安装2p个转铁心20，绕电机轴线呈圆周阵列分布，相邻转子铁心20中的永磁体21或22形状相同，充磁方向相反。见图16。

(2)在各相转子铁心圆周阵列的弧形凹槽023和转子基体40的槽道42上先绕多层非导磁绝缘带，层间涂刷粘结剂，再用表面绝缘的无磁不锈钢带多层卷绕，层间涂刷绝缘粘结剂，形成转子紧固环27。见图17。

(3)在转子基体40两端，安装转子左端盖管60、右端盖管61。见图18。

定子100通过多相定子铁心圆周阵列的外圆与机壳过盈配合安装；转子200通过安装在转子基体两端的转子左端盖管60、右端盖管61与机轴过盈配合安装。

相同额定功率下，可不增大电机直径尺寸，不改变相绕组尺寸和参数，主要通过减小定、转子铁心叠厚，增加定、转子铁心数量，实现电机更多极对数设计。

图20是相同额定功率的10极电机与60极电机的定、转子铁心形状和尺寸的比照。图21是相同额定功率的10极与60极电机的一相定、转子铁心圆周阵列与相绕组的比照。由图可见，相同额定功率的60极电机与10极电机可采用相同的定、转子铁心冲片，相绕组的尺寸和参数可以不变，电机的直径也不必增大；相同额定功率下，60极电机每个定、转子铁心叠厚减小到10极电机铁心的1/6，而定转子铁心数量增加6倍。