一种具有聚磁效应的永磁同步电机的制作方法

本发明涉及一种容错能力强、转矩密度和运行效率高的便携式永磁同步电机，属于同步发电机技术领域。

背景技术：

高性能永磁同步电机由于具有体积小、转矩密度和运行效率高等优点，在工业工程领域得到了越来越多的重视。随着近些年新型永磁材料的出现和大型永磁电机制造技术的不断发展，永磁电机的单机容量不断增加。然而在低速应用场合，传统的一体式定子铁芯整数槽分布绕组永磁电机的缺点逐渐凸显。这种电机具有较多的极数使得定子槽数增加，增大了设计与加工的难度，加之分布绕组端部较长，导致其具有更高的用铜量的同时，也会增加相间绝缘材料的用量及电机运行时的铜耗。随着传统电机单机容量的增加，电机的运输，装配，维护难度也会逐渐增加，同时会使电机具有更大的体积，使得电机在运行时的铁耗增加，降低了电机的运行效率，因此有必要加以改进。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种具有聚磁效应的永磁同步电机，以改善电机性能，提高电机的转矩密度和运行效率。

本发明所述问题是以下述技术方案解决的：

一种具有聚磁效应的永磁同步电机，构成中包括定子和转子，所述定子包括拼块式定子铁芯和定子绕组，所述拼块式定子铁芯是由多个均匀分布的子铁芯构成的环形体，两相邻子铁芯之间设有定子间隙，每个子铁芯与转子相对的一侧设有两个线槽，同一子铁芯的两个线槽之间的部分形成绕线齿，两个相邻子铁芯的相邻线槽之间的部分形成非绕线齿，所述绕线齿和非绕线齿的齿顶宽度相同，非绕线齿的齿宽等于绕线齿的齿宽与定子间隙宽度之和。

上述具有聚磁效应的永磁同步电机，所述拼块式定子铁芯的每个定子间隙中均设有水冷散热管。

上述具有聚磁效应的永磁同步电机，所述转子的外柱面上嵌装有多个转子磁极，所述转子磁极为片状，多个转子磁极绕转子均匀分布。

上述具有聚磁效应的永磁同步电机，所述转子磁极的极弧系数为0.7。

上述具有聚磁效应的永磁同步电机，所述水冷散热管由并行的入水管和出水管构成，所述入水管和出水管均为蛇形管。

上述具有聚磁效应的永磁同步电机，所述子铁芯为叠层铁芯。

本发明采用拼块式定子铁芯，不仅简化了电机结构，降低了电机的运输、安装与维修难度，而且可避免电机相间短路，提升电机的容错能力。对于少槽多极电机而言，拼块式定子铁芯还会提高绕组因数并产生“聚磁”效应，聚磁效应为拼块式定子铁芯永磁电机所特有的现象，由于定子间隙的存在，使得电机定子相间磁阻增大，a相磁链难以进入其他相，从而提高电机的转矩密度和运行效率，图5，图6给出的聚磁效应仿真数据显示效果明显。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详述。

图1为本发明的转子与定子结构示意图；

图2为本发明的横截面及其参数标注；

图3为拼块式定子铁芯结构示意图(非真实比例)；

图4为绕组因数随定子间隙宽度(w0)变化曲线图；

图5a为12槽10极传统一体式电机空载磁力线分布图；

图5b为12槽10极拼块式定子铁芯电机空载磁力线分布图；

图5c为12槽14极传统一体式电机空载磁力线分布图；

图5d为12槽14极拼块式定子铁芯电机空载磁力线分布图；

图6a为12槽10极传统一体式电机与拼块式定子铁芯电机的空载磁链波形对比图；

图6b为12槽14极传统一体式电机与拼块式定子铁芯电机的空载磁链波形对比图；

图7为电机定子间隙内布置水冷散热管路示意图。

图中各标号为：1、转子磁极，2、子铁芯，3、转子，4、线槽，5、定子间隙，6、水冷散热管，6-1、入水管，6-2、出水管。

具体实施方式

本发明提出了一种具有“聚磁”效应的便携式永磁同步电机，该电机采用拼块式定子铁芯，可提高电机的转矩密度与运行效率，同时达到使电机便于运输、安装、制造与维护的目的。

本发明提供了一种针对少槽多极的新型永磁同步电机，如图1所示，该电机通过在非绕线齿中插入定子间隙的方式完成了对传统一体式分数槽集中绕组电机定子的改造，拼块式定子铁芯及绕组配置如图2所示。以12槽14极拼块式定子铁芯电机为例，保持绕线齿及其齿顶宽度不变，其中，绕线齿宽度为2t0，绕线齿齿顶宽度为ttip，在非绕线齿中插入宽度为w0的定子间隙，使得非绕线齿宽度为(2t0+w0)，同时保持非绕线齿的齿顶宽度不变，仍为ttip。即改造后的电机与传统的一体式定子铁芯电机相比，具有相同且为2t0的绕线齿宽度，具有相同且为ttip的齿顶宽度，但非绕线齿宽度由原来的2t0变为改造后的(2t0+w0)。本发明所述电机采用嵌入式转子磁极，转子磁极为片状，依次嵌入在转子铁芯外表面，磁极的极弧系数为0.7，同时表贴式、与内置式磁极转子均可得出相同结论。

电磁原理：

对于传统一体式等齿宽定子结构电机而言，其n次谐波的节距因数kp、分布因数kd、绕组因数kw可分别用下式计算得出：

kw＝kp·kd#(3)

式中，q为每极每相槽数；α为槽间角(电角度)；τ＝2π/2p为极距；y＝2π/ns为槽间距；p为转子磁极对数；ns为定子槽数。

对于拼块式定子铁芯电机而言，由于定子间隙w0的存在并不影响各相线圈在定子中的相对位置，如图2所示，且各相相邻线圈的电动势方向相同。因此拼块式定子铁芯电机具有与一体式电机相同等的分布系数，即

kd＝k′d＝1#(4)

式中，kd为一体式电机的分布系数；kd′为拼块式定子铁芯电机的分布系数。

图3为拼块式定子铁芯结构示意图，由图可知，由于定子间隙的存在，使得电机的槽间距相比一体式电机有所减小，具体可由下式得出：

2ynew＝2y-α0#(6)

将式(5)、式(6)代入式(1)中可得：

其中，α0为定子间隙w0在定子内圆所占的机械角度；ynew为拼块式定子铁芯电机的槽间距；kp′为拼块式定子铁芯电机的节距因数；rin是定子铁芯内孔半径。

由式(1)与式(7)可知，拼块式定子铁芯电机的基波绕组因数随定子间隙宽度w0变化趋势如图4所示。由图4可知，对于12槽14极电机而言，随着定子间隙宽度的增加，电机的槽间距和极距会逐渐相等，进而使得绕组因数达到最大值(最大值为1)，这是因为对于12槽14极电机而言，因其槽间距大于极距，因此虽然定子间隙的存在会使电机的槽间距减小，却令槽间距与极距的比值ynew/τ增大，从而提高拼块式定子铁芯电机的节距因数。此后，槽间距随着定子间隙宽度的增加(w0>4.5mm)继续减小，并逐渐小于极距，使得绕组因数在达到最大值后呈下降趋势。

以12槽10极与12槽14极电机为例，分别说明多槽少极与少槽多极拼块式定子铁芯电机特有的“聚磁”与“散磁”效应。拼块式定子铁芯电机的空载磁场分布如图5所示，图中，转子处于使a相磁链最大时的位置，即磁极轴线与齿中心重合之处。由图5可知，对于12槽10极拼块式定子铁芯电机而言，其定子间隙的存在使得其他相的磁力线难以进入a相，这是因为磁力线需要先通过定子间隙，而空气的磁导率远逊于铁磁材料。这就直接导致了12槽10极拼块式定子铁芯电机(如图5(b)所示)的a相磁链(φa)相对于一体式电机(如图5(a)所示)而言有所减小，同时，c相磁链(φc)略有增加，此为“散磁”现象。相反，对于12槽14极拼块式定子铁芯电机而言，通过对比一体式电机(如图5(c)所示)的磁场分布可知，其定子间隙阻止了a相的磁力线漏散到其他相中，使得12槽14极拼块式定子铁芯电机(如图5(d)所示)的a相磁链(φa)相对于一体式电机而言有所增加，而b相磁链(φb)有所减小，此为“聚磁”现象。

两种定子结构电机的空载每相磁链波形如图6所示。由图可知，在不同槽极配置下，电机每相磁链波形的幅值会随定子结构的不同而发生改变。对于12槽10极(多槽少极)电机而言，因为“散磁”效应，使得拼块式定子铁芯电机的空载磁链波形相较一体式定子电机而言有所降低，如图6(a)所示；而对于12槽14极(少槽多极)电机而言，拼块式定子铁芯电机的空载磁链有所提高，如图6(b)所示，除“聚磁”效应外，相对更高的绕组因数同样起到了积极的作用。

以12槽14极分数槽集中绕组永磁电机为例，通过计算与有限元方法对所提出的新型拼块式定子铁芯进行仿真，验证了拼块式定子铁芯对少槽多极电机绕组因数的提升。因为“聚磁”效应，使得少槽多极拼块式定子铁芯电机的空载磁链也有所增加，因此，拼块式定子铁芯的应用会实质性提升电机的转矩密度与运行效率。同时，拼块式定子铁芯与单层集中绕组的绕组配置可极大的简化风电机组的运输及安装，避免相间短路，提高了电机的容错能力。在电机定子间隙内布置水冷散热管路，如图7所示，可带走电机运行时机壳内难以散出的热量，进一步提高电机的运行效率，对大功率离岸风力发电机的发展具有良好的应用前景。