专利名称：一种蒸发冷却电机无槽定子的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电机定子，特别涉及一种蒸发冷却电机无槽定子。
背景技术：
具有高功率密度、重量轻、体积小的电机是电机行业发展追求的目标之一，尤其是在舰 艇、飞机等对重量和空间有特殊要求的场合，电机的高功率密度就显得更为重要。 蒸发冷却电机由于其良好的冷却效果，在设计上允许采用较常规技术更高的线负荷，实现更 高的功率密度，从而满足对电机重量和体积的特殊要求。但是要进一步提高蒸发冷却电机的 功率密度却受到定子齿槽结构的限制。这是因为齿槽占据了较大的定子空间，增加了定子 铁轭的尺寸和重量，使得电机尺寸难以做得更小；在电机设计中一般铁磁材料齿部的磁密都 接近饱和，然而轭部的磁密则会降低，使得轭部的铁磁材料利用不够充分；齿槽的存在还影 响了气隙磁场分布，带来了谐波干扰，给电机带来一定的危害。
如果我们对蒸发冷却电机采用定子无槽结构可以解决这些问题。
目前无槽定子的研究工作一般集中在永磁电机、超导电机和横向、轴向磁通电机领域。 例如专利申请号为200620040424的高出力永磁无刷无槽电动机、专利申请号为 200410078394无槽永磁电机、专利申请号为92231791的永磁无槽电机中的无槽结构均针对小 功率的永磁电机。专利申请号为200420037973的汽车无槽交流发电机、专利申请号97126126 的无槽静激磁同步发电机、专利申请号为97126127的无槽同步发电机、专利申请号为 200410023515的无槽异步电动机、专利申请号为200420037972的无槽异步电动机、专利申请 号为96100040的无轭、无槽轴向磁路电机均针对横向、轴向磁通电机，国外许多超导电机也 采用了无槽定子结构，日本自1988年开始的700MW级超导电机样机的设计中，采用将电枢线 圈直接置于气隙中(这种结构也被称为气隙绕组结构)，进行了适用于气隙绕组的绝缘材料 方面的研究。西屋(westinghouse)公司的Ahmed等人研究的一台300MW的大型超导电机中， 使用了无槽定子结构。西门子公司在2002年研制的一台380kW超导电机中也使用了定子无槽 技术。2005年韩国的Kwon等人在一台三相，两对极的超导同步电机中使用了无槽定子结构。 美洲超导公司2001年试制的5000马力(3730 kW)与美国海军部订购的舰载5 MW高温超导同 步发电机也都使用了带有气隙线圈的无槽定子结构。
无槽定子结构在其他电机领域还没有应用，这主要是因为定子无槽结构应用到电机上能 否达到更高的功率密度的最关键的问题在于增加气隙后，转子的励磁磁势也相应增加，从而转子的导线电密和线负荷也要增加，因此对转子的冷却效果提出了更高要求，而一般的空冷 等转子冷却方式不能满足相应的要求，而转子采用蒸发冷却方式的电机正好由于其良好的冷 却效果可以取得更大的励磁磁势。
发明内容
本发明的目的是进一步提高蒸发冷却电机的功率密度，提出了一种适用于蒸发冷却电机 的无槽定子，采用这种无槽定子结构可进一步提高电机的功率密度。
由于蒸发冷却电机冷却效果好，可以实现很高的功率密度。且由于其转子良好的冷却效 果，可以实现较大的励磁磁势，提供较大的励磁功率，因此可以将定子和转子之间的气隙适 当放大，并将定子绕组放置气隙内，这样就可以取消定子齿，减小定子的重量和尺寸，提高 定子轭的磁密，提高铁磁材料利用率，实现了更高的功率密度。本发明的定子无槽结构正是 基于此。本发明由于需要较大的励磁功率，因此非常适用于蒸发冷却电机。
本发明的蒸发冷却电机无槽定子是指电机定子上不开设齿槽，在定子内套一个非铁磁材 料筒，非铁磁材料筒上开设齿槽，定子线圈放置在非铁磁材料筒上开设的齿槽内，非铁磁材 料筒放置于气隙内，定子线圈也位于气隙内并依靠非铁磁材料固定。
本发明提出的定子无槽结构不同于永磁电机、横向、轴向磁通电机及超导电机中常用的 无槽结构，永磁电机采用无槽结构主要是为了消除齿槽力矩， 一般功率较小，其定子绕组所 受电磁力也较小，且定子发热也较小，因此一般将定子绕组直接粘接或固化在定子铁芯表面 上，不需要增加非铁磁固定材料进行固定。横向、轴向磁通电机的磁路属于横向、轴向磁路， 其无槽结构中定子线圈的位置并不在气隙内与本发明有本质的不同。超导电机的设计中，理
想的气隙磁密是2T以上，该气隙磁密势必导致铁磁材料饱和(铁磁材料的饱和磁密一般在2T 以下)。因此在合理的超导电机中不仅要取消定子齿槽，而且要取消铁芯，因此其无槽结构 优选为无铁芯结构，而本发明无槽定子结构必须有铁芯形成导磁回路。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步的描述。 图1为本发明釆用的一种无槽定子结构示意图； 图2为本发明所采用的另一种无槽定子结构示意图中IO转子铁芯、20转子线圈、30气隙、40定子铁芯、50非铁磁材料筒、60定子 线圈、70定子槽楔、80固定螺栓、90非铁磁材料槽。
具体实施例方式
本发明无槽定子结构如图1所示。图1中，转子线圈20放置在转子铁芯10槽内，定子铁芯40上不开设定子槽，定子铁 芯套在一个非铁磁材料筒50上，沿圆周分布的多个螺栓80将定子铁芯和非铁磁材料筒固定 连接。非铁磁材料筒50沿圆周方向上开设了多个非铁磁材料槽90，非铁磁材料槽90内放置 了定子线圈60。并在非铁磁材料槽90槽口处设置了定子槽楔70以便固定定子线圈60,定 子铁芯40和转子铁芯10之间为气隙。图1中非铁磁材料筒50上开设的非铁磁材料槽卯的 槽口向定子方向。本发明采用的另一种无槽定子结构示意图如图2所示。图2与图1的不同之处在于，非铁磁材料筒50上开设的非铁磁材料槽90的槽口向转子 方向。本发明对于包括隐级机和凸级机在内的蒸发冷却同步电机均可适用。本发明由于采用了定子无槽结构， 一方面可以降低定子铁芯的尺寸和重量；提高了定子 铁芯内的磁密，提高了铁磁材料的利用率，提高电机的功率密度，实现电机的小型化和轻型 化,另一方面还可以适当消除定子齿谐波和齿槽力矩带来的危害。本发明专利中非铁磁材料筒50可以用环氧、尼龙等非金属材料制作，也可以用不锈钢 等不导磁的金属材料制作。如果是环氧、尼龙等非金属材料，由于其自身的绝缘性，非铁磁材料槽90与定子线圈 60之间可以不再设置槽绝缘，如图l、 2所示，且由于线圈不直接接触导电材料，匝绝缘也 可以减薄。因此采用这类非金属材料作为定子线圈的固定部件，除了通过无槽结构提高了功 率密度之外，还可以适当的减少线圈的绝缘材料，且由于线圈绝缘减薄，导热性更好，可以 进一步提高定子的线负荷从而达到进一步提高功率密度的目的。但是对于一些转矩较大的电 机，由于其定子线圈所受的安培力较大，也可以采用不锈钢等金属但不导磁的材料，利用其 高强度，达到机械要求。但采用这类材料时，需要在非铁磁材料槽90与定子线圈60之间需 要设置槽绝缘，同时也不能减薄匝绝缘，这与一般电机定子的槽绝缘设计类似，因此在本发 明专利中优先采用非金属材料作为定子线圏的固定件。
权利要求
1. 一种蒸发冷却电机无槽定子，其特征在于转子线圈(20)放置在转子铁芯(10)槽内，定子铁芯(40)套在一个非铁磁材料筒(50)上，沿圆周分布的多个螺栓(80)将定子铁芯和非铁磁材料筒固定连接；非铁磁材料筒(50)沿圆周方向上开设了多个非铁磁材料槽(90)，非铁磁材料(90)内放置了定子线圈(60)；非铁磁材料槽(90)槽口处设置定子槽楔(70)固定定子线圈(60)，定子铁芯(40)和转子铁芯(10)之间为气隙。
2、 按照权利要求l所述的蒸发冷却电机无槽定子，其特征在于非铁磁材料筒50上开设 的非铁磁材料槽90的槽口向定子方向或向转子方向。
3、 按照权利要求1或2所述的蒸发冷却电机无槽定子，其特征在于非铁磁材料筒(50) 用环氧、尼龙等非金属材料或不导磁的金属材料制作。
全文摘要
本发明提出了一种无槽定子结构，转子线圈(20)放置在转子铁芯(10)槽内，定子铁芯(40)上不开设定子槽，定子铁芯套在非铁磁材料筒(50)上，并依靠沿圆周分布的多个螺栓(80)固定，非铁磁材料筒(50)沿圆周方向上开设了多个非铁磁材料槽(90)，非铁磁材料槽(90)内放置了定子线圈(60)。与并在非铁磁材料槽(90)槽口处设置了定子槽楔(70)以便固定定子线圈(60)，定子铁芯(40)和转子铁芯(10)之间为气隙。非铁磁材料筒(50)上开设的非铁磁材料槽(90)的槽口向定子方向或向转子方向。
文档编号H02K3/48GK101282050SQ20081011229
公开日2008年10月8日 申请日期2008年5月22日 优先权日2008年5月22日
发明者卉 郭, 顾国彪 申请人:中国科学院电工研究所