专利名称：一种具有非晶态合金铁心的横向磁场电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有非晶态合金材质的部件，诸如定子或者转子的电机，更具体
的涉及一种高效率、低铁损耗的横向磁场结构电机。
背景技术：
非晶态合金是一种诞生于20世纪70年代的新型软磁材料。大致具有用分子式 A7。—85B5—2。C。—2。所表达的成分。下标表示不同元素所占百分比，其中A代表铁、镍和钴中的至 少一种；B表示硼、碳和磷中至少一种；C表示硅、铝和锗中至少一种。这种材料与传统硅钢 片材料相比具有多方面的优势，最为重要的是具有非常低的铁心损耗。特别是当磁场交变 频率很高，诸如0. 5kHz 20kHz时，这种低损耗的特征更加明显。因此，这种材料非常适合制 造具有高效率、高速运行和紧凑体积要求的电机。在本文中电机所指是一广义概念，泛指各 种形式的发电机、电动机和具有回馈制动能力的电动机。在上述优异性能以外，这种材料硬 度极高，是硅钢片3倍 5倍左右；直接使用常规冲压工艺加工非晶合金材料将会极速的消 耗冲模，使得加工成本上升。最为常用的薄带形式非晶合金材料厚度只有0. 03mm，是一般 硅钢片的1/10左右；如果仿照硅钢片叠压工艺一片一片叠压非晶态合金薄带，不仅时间长 成本高，而且获得的叠压系数也很低。同时这种材料工作温度低，以线切割和焊接等具有高 温伴随特征的加工工艺都会导致材料"重结晶"，哪怕这种重结晶是局部的，对材料特性，如 损耗等也会造成巨大影响。此外，非晶态合金材料性能受应力影响比较明显，任何不当的连 接、固定、装配和再加工都会产生额外的应力，导致非晶合金制成的结构件性能下降。正是 由于上述几方面原因，使得非晶合金材料虽然具有优异的电磁性能，但不能很容易的直接 应用于传统径向磁场结构电机。 为了解决上述问题，不同形式的电机或者电机组件被提出，以适应非晶合金材料 特殊的机械性能。在发明专利CN101286676A，US5731649和CN200480009398. X都从不同角 度阐述了应用非晶合金材料进行电机制造的方案。CN101286676A中公开了一种制造用于高 速电机的非晶态合金定子铁心的方法。包括非晶合金薄带切割、轴向叠片成型、整体退火、 粘接固化、齿槽切割等几个工序。所得定子铁心经过退火、施加绝缘镀层等工艺过程保证了 材料低铁损耗的特性。同时，由于非晶合金材料在沿铁心轴向方向叠压而成，非常适合于传 统径向磁场结构电机。但是由于使用轴向方向逐一叠放非晶薄带的方式制造铁心，不能避 免加工时间长、成本高和叠压系数低的问题。 发明专利US5731649提出了一种巻制非晶合金薄带制造定子铁心的方式。其发明 中定子由一系列圆柱体组合而成。圆柱体分成两种，第一种当做定子的齿，而另一种当做定 子的轭。所有当做齿的圆柱体都与当做轭的圆柱体连接，以形成完整磁通路。两种圆柱体都 使用非晶合金薄带同心螺旋式巻绕而成。为了阻挡交流磁场产生的涡流，这种形式的铁心 不能应用于径向磁通结构的电机，而只能应用于轴向磁通电机。由于使用螺旋式巻绕的方 式制造铁心，与轴向逐一叠片的方式相比生产率大大提升，叠压系数也在一定程度上提高。 而且，该发明专利中所提出的定子铁心不需要任何后续加工工序以切割出电机常用的齿槽
3结构，避免了由再加工可能导致的重结晶和附加应力等潜在问题。但是，这种结构电机定子铁心轴向长度等于非晶合金薄带的宽度。由于材料制备能力所限，非晶合金薄带宽度一般最大在50mnTl00mm之间。本领域技术人员都应了解，在轴向磁通电机中，定子铁心轴向长度决定了电机轭部高度，而为了防止铁心进入饱和状态，增加所需激磁电流，电机齿部宽度要与轭部高度相匹配。因此有限宽度的非晶合金薄带限制了这种结构电机轴向和径向方向的尺寸，使得电机不能实现大型化。与此同时，由于存在当做齿的圆柱体和当做轭的圆柱体之间的连接，连接处存在附加气隙，浪费了磁动势。而且，不同圆柱体之间的连接又增加了伴生应力，在一定程度上降低了材料特性。 发明专利CN200480009398.X提出了一种适用于轴向磁通电机的整体式定子铁心。这种铁心同样采用螺旋式巻绕非晶合金薄带构成，生产率较高。与发明专利US5731649不同，该专利使用水切割等工艺手段在得到的定子铁心上切割出齿槽结构。避免了由于定子拼接带来的问题。但是，这种结构定子轴向长度依然等于非晶态合金薄带的宽度，且依然用于轴向磁通结构电机，因此具有和发明专利US5731649相同的问题，即不能实现电机大型化。
发明内容
为了克服现有技术中定子铁心加工时间长、叠压系数低、附加工序多和电机大型化能力受到非晶态合金薄带尺寸限制等问题，本发明提出了一种新型横向磁场式非晶态合金电机。本发明所提出的电机具有横向磁场电机的基本形式。该电机由多个结构相同的单元电机沿轴向排列组合而成，每个单元电机包括一个或者两个定子铁心，以及一个转子铁心。每个单元电机还包括一个或者两个环形电枢绕组，绕组数目等于定子铁心数目。每个定子铁心由一系列C型铁心单元组合而成。所述定子铁心使用非晶合金薄带制造。每个C型铁心单元构成完整的磁通路，不需要额外的铁心作为磁轭以提供磁回路。避免了部件连接所需的额外工序，最大程度的降低了附加应力和伴生过温导致的材料性能下降。
每个C型铁心可以用任意一种开口型非晶态合金电感铁心的制造方式进行制造。所谓开口型电感指磁路中包含气隙的电感形式。其中一种具体实施方式
如下第一步使用非晶态合金薄带螺旋巻绕得到环形圆柱体铁心。第二步、将所得环形圆柱体铁心从纵向截断，得到两个C型铁心。所述两个C型铁心中，每个铁心在截断处都形成两个端面和一个半边孔。这两个端面在同一平面内。所述半边孔指一个孔沿孔轴从中截断后形成的几何形状。所述的截断不一定是从几何中心平分，因此由一个环形圆柱体得到的两个C型铁心可以是不相同的，半边孔大小也可以是不相同的。前述环形圆柱体并不特指数学意义上严格的环形，只需要有两个形状相同且中间带任意形状孔的顶面和底面，以及两个垂直于顶面和底面的环面作为内侧面和外侧面。 在每个单元电机中，C型铁心单元分成N组，N为1或2，等于每个单元电机中的定子铁心数目。在每组内，Q个C型铁心在圆周方向均布，每个上述C型铁心占据空间角度360AT 。所有Q个C型铁心的排布使得2Q个C型铁心端面位于一个"工作面"内。前述工作面是电机中产生力矩的面。本专业领域内技术人员都应熟知，在径向磁通电机中，前述工作面是圆柱面；在轴向磁通电机中，前述工作面是环形平面；在本发明所提出的电机中，前述工作面既可以是圆柱面也可以是环形平面。每个单元电机中工作面数目等于定子铁心数目。 每个单元电机中的转子可以是永磁式、磁阻式或者闭合绕组构成的感应式，也可以是上述形式的各种组合形式。与定子铁心相比，转子铁心中损耗在总损耗中所占比例很小，可以用与定子相同的非晶合金材料或者常规硅钢片制造本发明中所涉及电机的转子。当使用常规硅钢片制造前述转子时，电机总损耗不会显著增加，同时制造成本会比采用非晶合金材料制造转子明显降低。 本发明的新型非晶合金电机具有M純个前述单元电机。其中M是相数，K是属于同一相的单元电机数目。其中M是大于2的整数，K是大于1的整数。所有M純承N个定子铁心沿轴向排布，安装于同一机壳上；所有M純个转子铁心沿轴向排布，安装于同一轴上。属于同一相的K个单元电机无论从部件结构到安装布局都完全相同。不同相的单元电机具有相同的定子和转子部件结构，是安装布局方式不同。第一种具体安装方式为，分别从属于相邻相的任意两个单元电机的定子铁心之间在圆周方向差360/M/p。安装于机壳上，其中p是电机极对数，为大于1的整数所有M純个转子铁心在轴上按照相同的空间位置安装。第二种具体安装方式为，所有M純承N个定子铁心在机壳上按照相同的空间位置安装，但分别从属于相邻相的任意两个单元电机的转子铁心之间在圆周方向差360/M/p。安装。当本发明所提出的电机中采用永磁式转子时，前述转子铁心之间的安装角度差以永磁体南极或者北极为参考。当采用磁阻式转子时，前述转子铁心之间的安装角度差以磁阻极大值位置或者磁阻极小值位置为参考。当采用感应式转子时，无法按照第二种具体安装方式进行。虽然例举两种具体安装方式，但本发明所提出的非晶合金电机并不限于此两种特殊安装方式，
不同相的单元电机之间安装角度可以是不均匀的，任意可以在工作面上产生等效旋转磁动势的单元电机组合安装方式都在本发明所覆盖范围内。 每个单元电机的电枢绕组从属于同一组的多个C型铁心中的半边孔中通过。电枢绕组与半边孔之间通过绝缘材料相互接触并采用任何可靠的方式固定在一起。属于同一相的K个单元电机中，全部N*K个电枢绕组之间采用串联、并联或者混联方式相互连接。
本发明所提供的优点总结如下 本发明中电机所用定子铁心由一系列相同的铁心单元构成，每个铁心单元可以使用非晶合金开口型电感所用铁心相关制造工艺完成。 发明中所用铁心不需要切割齿槽，最大程度的减少了再加工工序，避免了非晶材料重结晶和附加应力的隐患。此外，前述一系列定子铁心之间没有直接连接，避免了不同非晶合金材料制成的结构件之间连接所需要的附加工序，从另一方面避免了非晶合金材料重结晶和附加应力的隐患。 发明中所用铁心单元宽度等于非晶合金薄带宽度，但高度和轴向长度都不受非晶合金材料几何尺寸限制。进而由这些铁心单元组成的电机定子铁心以及电机整机可以非常容易的实现大型化。 电机可以只有定子需要采用非晶合金材料。非晶合金材料的定子铁心制造方法简单成熟，成本相对较低。 发明中所涉及电机采用环形绕组，结构简单且与定子铁心通过绝缘材料可靠连接。便于使用环形绕组作为定子结构主支撑。避免了使用定子铁心作为定子结构主支撑带来的非晶合金附加应力问题。
本发明提出的电机由一系列单元电机构成，不仅由于特殊的非晶材料使用方式使得每个单元电机容易实现大型化，还可以通过增加单元电机数目进一步扩大电机体积和功率。此外，还可以通过改变单元电机定子或者转子安装方式和空间布局的方法扩充电机相数以适应不同需求。
图1是本发明的非晶合金横向磁场电机的一种具体实施方式
结构图，图中1定子铁心，2电枢绕组，3转子，4001转子支架，5001电机轴，6001电机壳体，，1001构成非晶合金横向磁场电机的单元电机； 图2是图1所示的电机在A和B处剖开得到的正视图，图中101C型铁心单元，201C型铁心单元端面。 图3a、图3b、图3c是制造所述C型铁心单元所用的非晶合金材料柱体铁心，图中llla是顶面为圆角矩形的非晶合金材料柱体铁心，lllb是顶面为圆形的非晶合金材料柱体铁心，lllc是顶面为椭圆形的非晶合金材料柱体铁心。 图4a，图4b和图4c为由非晶合金材料主体铁心制造C型铁心单元过程的示意图，图中101al和101a2是由llla从中心截断后得到的两个C型铁心单元，101bl和101b2是由111b从中心截断后得到的两个C型铁心单元，101cl和101c2是由lllc从中心截断后得到的两个C型铁心单元； 图5是将所述非晶合金横向磁场电机的定子铁心1和所述电枢绕组2沿圆周方向展开得到的顶视图； 图6是本发明所涉及的非晶态合金横向磁场电机的另一种具体实施方式
；
图7是图6中从C处剖开得到的电机正视图，301是电枢绕组2和定子铁心1之间的绝缘层。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明进一步说明。 如图1和图6所示，本发明所提出的横向磁场非晶合金电机由若干个结构相同的单元电机1001组合构成。多个单元电机1001沿电机轴5001轴向排列于壳体6001中。单元电机1001包括定子铁心1、电枢绕组2、转子3和转子支架4001。单元电机1001中的定子数目为N个，N等于1或者2。每个单元电机1001中的电枢绕组2的数目与定子1数目相同。图1中所示为N为1的情况，而图6中所示为N等于2的情况。每个定子铁心l由一系列C型铁心单元101组成。在一个单元电机IOOI中，共有，Q个C型铁心单元，分成N组。即C型铁心单元分组数目等于同一单元电机中定子铁心1的数目。每组C型铁心单元中，共有C型铁心Q个，Q为大于1的整数。所述的Q个C型铁心101在一个圆周内均匀排布，如图2和图7中所示。每个C型铁心占据空间角度为angl = 360/N° 。不同具体实施方式
中，C型铁心的开口朝向是不同的。如在图1所示的实施方式中，C型铁心101开口面向电机径向。而在图6所示的实施方式中，C型铁心101开口面向电机轴向。
图2和图7是本发明所提出电机不同位置的剖面图，其中图2是每个单元电机1001中定子铁心单元为1的情形，图7是每个单元电机1001中定子铁心单元为2的情形。从中可以看出，电枢绕组2成环形结构，从Q个C型铁心101开口中穿过。每个单元电机1001中有N个电枢绕组，和定子铁心1的数目相同。 所述的C型铁心101由非晶合金薄带材料制成的柱体铁心制得所述的柱体铁心有不同的具体形状，如图3a、图3b和图3c所示。每种柱体铁心使用非晶合金薄带螺旋巻绕制得。其中巻制方向如图中箭头表示。W为非晶合金薄带的宽度也是C型铁心101的宽度、L为得到的C型铁心长度、H为C型铁心高度。可以根据需要得到不同形状的柱体铁心llla是顶面为圆角矩形的非晶合金柱体铁心；lllb是顶面为圆形的非晶合金柱体铁心；lllc是顶面为椭圆形的非晶合金柱体铁心。 如图4a、图4b和图4c所示。不同形状的非晶合金柱体铁心截断后会得到不同形状的C型铁心。将不同形状的所述的非晶合金柱体铁心111a、lllb或lllc沿纵向方向，即图3a中H方向或者L方向，截断可以得到所述C型铁心101。不同形状的C型铁心具有的共同点是在截断处形成两个端面201并具有一个开口，用以容纳电枢绕组2。前述截断不一定是从柱体铁心几何中心发生，因此每个柱体铁心llla、lllb或者lllc截断后得到的两个C型铁心大小可以是不相同的。即lllal和111a2可以形状不相同、lllbl和111b2可以形状不相同、lllcl和111c2可以形状不相同。具体形状大小可以根据电机优化设计决定。
从C型铁心lOl的制造方式和在单元电机中的安装方式可以看出，C型铁心lOl的宽度W等于非晶合金薄带的宽度W。用Q个C型铁心101构成的定子铁心1圆周长度正比于Q*W。因此虽然非晶合金薄带宽度W有限，可以通过增加构成定子铁心1的C型铁心101的数目Q增加定子铁心周长，从而增加电机直径。C型铁心长度L和高度H都不受材料宽度限制，因此电机齿部尺寸和轭部尺寸也不受材料宽度限制。所得非晶合金电机可以非常容易的实现大型化。 每个单元电机中具有一个转子3，该转子可以是永磁的、磁阻式的或者感应式的。其材料可以是非晶合金材料也可以是传统硅钢片材料。 本发明提出的横向磁场非晶合金电机包含前述单元电机1001共M純个。其中M是相数，K是同一相内单元电机的个数。所有M純个单元电机部件形状和组成完全相同。但是，从属于不同相的单元电机部件安装和空间布局不同。其中一种空间布局方式如图5所示。在此方式中，其中相邻相的定子铁心l之间相差空间角度为ang2。当均匀划分相差时，ang2 = 360/M/p° 。其中p是电机极对数。 本发明提出的横向磁场电机可以通过增加相数M或者同一相内单元电机1001的数目K进一步增加电机体积，进而增加电机功率。 从图2和图7看出，本发明中所涉及的电枢绕组2为环形结构，并在Q个C型铁心的开口中穿过。电枢绕组2通过绝缘层301与定子铁心1接触。在每两个相邻的C型铁心IOI之间，带有绝缘层301的电枢绕组2暴露在外。可以借用相邻C型铁心IOI之间的空间将电枢绕组2通过绝缘层301和电机壳体6001固定在一起。实现以电枢绕组2为主支撑，而以定子铁心1为辅助支撑。最大限度的防止非晶合金材料制成的定子铁心1出现附加应力。
权利要求
一种横向磁场电机，由多个结构相同的单元电机(1001)构成，多个单元电机(1001)沿电机轴(5001)轴向排列于壳体(6001)中；每个单元电机(1001)包括N个定子铁心(1)和与定子铁心(1)数目相同的环形电枢绕组(2)，N等于1或者2，其特征在于所述的横向磁场电机的每个单元电机(1001)定子部分中的每个定子铁心(1)由N*Q个非晶合金材料制成的C型铁心单元(101)组成，其中N为C型铁心单元(101)的分组数，等于定子铁心(1)的数目；每组内Q个C型铁心(101)在一个圆周内均匀排布，每个C型铁心(101)占据空间角度为ang1＝360/N°；每个单元电机(1001)定子部分中的每个电枢绕组(2)都从属于一个定子铁心(1)，电枢绕组(2)从构成该铁心的Q个C型铁心单元(1)的开口中穿过；Q为大于1的整数。
2. 按照权利要求1所述的具有非晶态合金铁心的横向磁场电机，其特征在于所述的环 形电枢绕组(2)通过绝缘层(301)与C型铁心(101)连接，并通过绝缘层(301)和电机壳 体(6001)固定在一起。
3. 按照权利要求1所述的具有非晶态合金铁心的横向磁场电机，其特征在于所述的C 型铁心(101)通过以下方法制造使用螺旋巻绕方式将非合金材料薄带巻制成任意形状的 柱体铁心，然后将所述的柱体铁心从纵向截断，便得到两个C型铁心(101)。
4. 按照权利要求1所述的具有非晶态合金铁心的横向磁场电机，其特征在于所述的多 个结构相同的单元电机(1001)沿电机轴(5001)轴向排列于壳体(6001)中；通过增加单元 电机(1001)的数目增加所述的横向磁场电机的体积及功率。
5. 按照权利要求1所述的具有非晶态合金铁心的横向磁场电机，其特征在于所述的单 元电机(1001)通过定子或者转子的不同安装方式和空间布局实现不同相，并扩充电机相 数。
全文摘要
一种横向磁场电机，由多个单元电机(1001)沿电机轴(5001)轴向排列构成。每个单元电机(1001)包括1或2个定子铁心(1)和环形电枢绕组(2)。每个定子铁心(1)由N*Q个非晶合金材料制成的C型铁心单元(101)组成，其中N为C型铁心单元(101)的组数，N等于定子铁心(1)的数目；每组内Q个C型铁心(101)在一个圆周内均匀排布，每个C型铁心(101)占据空间角度为ang1＝360/N°。同时每个单元电机(1001)定子部分中的每个电枢绕组(2)均从属于一个定子铁心(1)，并从构成该定子铁心(1)的Q个C型铁心单元(101)的开口中穿过。用螺旋卷绕方式将非合金材料薄带卷制成任意形状的柱体铁心，然后将所述的柱体铁心从纵向截断，便得到两个C型铁心(101)。
文档编号H02K1/02GK101795024SQ20101012145
公开日2010年8月4日 申请日期2010年3月10日 优先权日2010年3月10日
发明者温旭辉, 范涛 申请人:中国科学院电工研究所