本发明属于电机制造领域，具体涉及一种横向磁通磁阻式高速同步电机。
背景技术：
高速电机通常是指最高转速超过10000r/min的电机。高速电机在离心式压缩机、混合动力或纯电动汽车的驱动电机、高速加工技术、航空电机、高速发电机等领域具有广泛、重要用途。它们具有以下优点：由于转速高，所以电机功率密度高，而体积远小于普通电机；可与原动机直接相连，取消了传统的减速机构，传动效率高，噪音小；高速电机转动惯量小，动态响应快。
现有径向磁通高速电机还存在诸多技术问题。
首先，在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同一圆环截面，磁力线所在平面平行于电机的旋转方向，槽的截面积与齿部截面积互相制约。如果需要流过较大的电流，就需要较大的线圈截面积，齿的截面积就受到影响(饱和作用会使磁通减小)；反之亦然。如果齿截面积和槽截面积同时增大，则必然会增大电机的半径，使电机的功率和转矩密度降低。创新出路在于选择横向磁通的电磁结构。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，铁心与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、多极对数结构。
第二，电机的功率密度和电机铁心内的磁通密度值bm与电磁频率f的乘积成正比，但是受软磁材料饱和磁感应强度bs的限制，要大幅度提高电机的功率密度必须提高电机的频率f。然而，电机铁心的总损耗又与频率的1.3～1.5次方成正比。当电机的工作频率从50hz提高到500hz，假设磁通密度值bm不变，电机的铁损不是增加10倍，而是增加200多倍。因此，硅钢电机铁心的损耗将变得非常严重，导致效率显著下降，甚至造成电机过热损坏。对于工作频率介于几百至几千hz的电机，使用铁基非晶合金代替硅钢，用作电机铁心，对于降低电机铁损和铁心温升意义重大。铁基非晶合金还具有硅钢几倍的磁导率，可以在很大程度上降低电机的励磁电流，进而降低电机的铜损。
目前，将铁基非晶合金用作电机铁心，在世界范围内是一个挑战性难题。难点在于，铁基非晶合金带材厚度：25～30微米，维氏硬度：900kg/mm2，居里温度：415℃，热处理后的非晶合金叠片铁心可能会发脆。对非晶合金叠片铁心，很难用常规的机械切削工艺加工，也无法进行大电流高温焊接。目前，铁基非晶合金带材最大宽度为213mm。这样的带材宽度，对于需要采用整体性、大面积冲裁带材制作铁心的现有径向磁通电机，除了小、微型电机外，中型以上电机根本无法使用。但对于采用离散的、小尺寸铁心的横向磁通电机来说，中、大、巨型电机都非常适用。
第三，当电机的工作频率达到几百hz以上，电机绕组导线的集肤效应将变得非常严重，如果采用普通的电磁线，电机的铜损将大幅上升。采用高频利磁线(由直径0.1mm的漆包线4～25000股绞合而成)，高频运转时，可大幅减小导线集肤效应，大幅降低电机铜损。
第四，由于高速电机转子上的离心力与线速度的平方成正比，高速电机的定子和转子铁心要求具有很高的机械强度。当线速度达到200m/s以上时，常规叠片转子难以承受高速旋转产生的离心力，需要采用高强度叠片转子。不幸的是，单纯用铁基非晶合金薄带制作电机定子或转子铁心，其机械强度远低于硅钢叠片铁心。解决问题的出路在于，将硅钢叠片的氩弧焊接技术与非晶合金叠片的铆接、浸渍、固化技术结合起来，创造新型高强度叠片定子和转子铁心。
技术实现要素：
本发明的目的在于，提供一种高功率、高转矩密度的横向磁通磁阻式高速同步电机，采用铁基非晶合金定转子铁心和高频利磁线绕组，大幅降低电机的铁损和铜损。
为达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：
横向磁通磁阻式高速同步电机，主要由定子和转子铁心、定子基体、转子基体、相绕组等组成。定子铁心10由铁基非晶合金制成的铁心本体11与硅钢片制成的2个极靴12装配而成；转子铁心20由铁基非晶合金制成的铁心本体21与硅钢片制成的极靴22装配而成；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；在转子基体40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；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；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23的槽道42。
定子铁心10的本体11的冲片011由铁基非晶合金薄带冲制，冲制与011相同形状的硅钢冲片作为辅助材料，其基本形状为“u”字型，冲片两边对称各设有2～3个长腰孔010，其长腰与电机轴线垂直；冲片011两边设有矩形凸出013；冲片011“u”字型中部外边还设有矩形缺口014；定子铁心10的本体11的铁基非晶合金冲片011按电机气隙定子铁心内圆面的弧度叠压，在叠层的顶面和底面以及若干相等叠厚处插入相同形状的硅钢冲片011，保持压力，用管壁有漏孔或漏缝的全空心铆钉13在长腰孔010处铆接，形成定子铁心10本体11。
定子铁心本体11的极靴12的冲片012由硅钢片冲制，其两边设有利于氩弧焊接的凹凸形状和焊点015；定子铁心本体11的极靴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，在焊点015进行氩弧焊接，焊点熔化连成弧线，形成极靴12；定子铁心10的本体11“u”字型的两端分别与极靴12装配，形成定子铁心10，对定子铁心10进行热处理，再用绝缘粘结剂浸渍、固化。
转子铁心20的本体21的冲片021由铁基非晶合金薄带冲制，冲制与021相同形状的硅钢冲片作为辅助材料，其基本形状为“一”字型，冲片两端各设有一个长腰孔020，其长腰与电机轴线垂直；冲片021两边设有矩形凸出023；冲片011“一”字型中部朝气隙一边还设有矩形缺口024；定子铁心20的本体21的铁基非晶合金冲片021按电机气隙转子铁心外圆面的弧度叠压，在叠层的顶面和底面以及若干相等叠厚处插入相同形状的硅钢冲片021，保持压力，用管壁有漏孔或漏缝的全空心铆钉13在长腰孔020处铆接，形成定子铁心本体21。
转子铁心本体21的极靴22的冲片022由硅钢片冲制，其两边设有利于氩弧焊接的凹凸形状和焊点025；定子铁心本体21的极靴22的冲片022按电机气隙转子铁心外圆面的弧度叠压，保持压力，在焊点025进行氩弧焊接，焊点熔化连成弧线，形成极靴22；转子铁心本体21与极靴22装配，形成转子铁心20，对转子铁心20进行热处理，再用绝缘粘结剂浸渍、固化。
定子100装配步骤：一、在定子基体30各相段的槽道31底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；二、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；三、跨越相绕组50，在定子基体30各段窗孔32中安装2p个定子铁心10；四、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14。
转子200装配步骤：一、在转子基体40各相段窗孔41中安装2p个转子铁心20，绕电机轴线呈圆周阵列分布；二、在各相转子铁心圆周阵列的弧形凹槽024和转子基体40的槽道42上用硅钢带多层卷绕，层间涂刷粘结剂，末端氩弧焊接，形成转子紧固环23；三、在转子基体40两端，安装转子左端盖管60、右端盖管61。
定子相绕组50是圆环形集中绕组，采用高频利磁线(由直径0.1mm的漆包线4～25000股绞合而成)。
定子100通过多相定子铁心10的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左端盖管60和右端盖管61的內圆与机轴过盈配合安装。
本发明的优点：
(1)定子或转子铁心本体的冲片弧面叠压时，叠层顶面和底面以及中间若干等分处插入相同形状的硅钢冲片，用坚挺的硅钢冲片增强铁心本体的强度，保护铁心本体的顶面和底面。通过对铁心本体和极靴的冲片的弧面叠压和氩弧焊接，造就了定转子铁心面对气隙的弧面形状，得到这个最重要的机械形状，可以避免再对定子和转子铁心进行切削等机械加工。事实上，除了弧面叠压、铆接外，很难对非晶合金叠片铁心进行其他形式的机械加工，也无法对非晶合金叠片进行大电流的高温焊接。
(2)电机的电磁力集中于定转子的气隙圆柱面内，在气隙两侧，用弧面叠压和氩弧焊接制成的定转子铁心极靴来加强和保护非晶合金铁心本体。定子铁心由定子铁心本体和2个极靴装配构成，转子铁心由转子铁心本体和极靴装配构成；转子铁心极靴硅钢冲片中间靠气隙一侧的矩形缺口，经弧面叠压和焊接后形成弧形槽；在转子铁心圆周阵列的弧形槽内绕多层的硅钢带，绕层间涂刷绝缘粘结剂，末端氩弧焊接，形成紧固环。这些设计和工艺特征保证了定子，尤其是转子的机械强度。定子紧固环和转子紧固环，除了紧固作用外，也是分别并联定子铁心或转子铁心的磁路，有利于增大每相磁路的磁通量，减少漏磁。
(3)在定子基体上直接绕制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工艺相比，具有显著优势。
(4)各相定子铁心窗孔径向相互错开1/m极距角；各相转子铁心窗孔径向对齐；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)定子各相之间没有耦合，且各相磁路与电路在空间相互垂直，可根据需要调整磁路尺寸，选择相绕组线圈的规格和匝数。
(6)定子铁心和转子铁心本体由铁基非晶合金制成，高速运转时，可大幅降低电机铁损。定子相绕组是圆环形集中绕组，采用高频利磁线(由直径0.1mm的漆包线4～25000股绞合而成)，高频运转时，可减小绕组导线集肤效应，大幅降低电机铜损和温升。
附图说明
图1定子铁心本体11和极靴12冲片与转子铁心本体21和极靴22冲片示意图。
图2定子铁心本体11与2个极靴12爆炸示意图。
图3定子铁心本体11与2个极靴12装配示意图。
图4转子铁心本体21与极靴22爆炸示意图。
图5转子铁心本体21与极靴22装配示意图
图6定子铁心10和转子铁心20与相绕组50结构示意图。
图7一相定子铁心10和转子铁心20的圆周阵列与相绕组50结构示意图。
图8实施例一(3相10极电机)：定子基体30结构示意图。
图9实施例一(3相10极电机)：定子100装配步骤1，在定子基体30的每相段槽道31上粘贴相绕组的内环绝缘片51和侧面绝缘片52。
图10实施例一(3相10极电机)：定子100装配步骤2，在定子安装基体30的每相段槽道31上直接绕制三相圆环形绕组50。
图11实施例一(3相10极电机)：定子100装配步骤3，安装3相定子铁心10的圆周阵列，各相定子铁心10径向相互错开1/m极距角。
图12实施例一(3相10极电机)：定子100装配步骤4，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14。
图13实施例一(3相10极电机)：转子基体40示意图。
图14实施例一(3相10极电机)：转子(200)装配步骤1，在转子基体40各相段窗孔41中安装2p个转子铁心20，绕电机轴线呈圆周阵列分布，各相转子铁心20径向对齐。
图15实施例一(3相10极电机)：转子(200)装配步骤2，在各相转子铁心圆周阵列的弧形凹槽024和转子基体40的槽道42上用硅钢带多层卷绕，层间涂刷粘结剂，末端氩弧焊接，形成转子紧固环23。
图16实施例一(3相10极电机)：转子(200)装配步骤3，在转子基体40两端，安装转子左端盖管60、右端盖管61。装配完成的转子200。
图17实施例一(3相10极电机)：装配完成的定子100和转子200。
以上图中有：
定子铁心10，定子铁心10的本体11，定子铁心10本体11的极靴12，管壁有漏孔或漏缝的全空心铆钉13，定子紧固环14；
定子铁心10的本体11的铁基非晶合金或硅钢冲片011，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012两边的凹凸形状和焊点015，铆接用长腰孔010；
转子铁心20，转子铁心20的本体21，转子铁心20的本体21的极靴22，转子紧固环23；
转子铁心20的本体21的铁基非晶合金或硅钢冲片021，极靴22的硅钢冲片022冲片，冲片021两边的矩形凸出023，冲片021和022中间靠气隙一边设有矩形缺口024，冲片022两端的凹凸形状和焊点025，冲片021上铆接用长腰孔020；
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30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
实施本发明的首要任务是制造定子铁心和转子铁心。定子铁心的制造步骤如下：
(1)对铁基非晶合金薄带进行冲裁，要求冲裁图案比较简单，冲裁凹凸模具间隙小于10微米，冲裁模具材料硬度大于铁基非晶合金薄带，为提高效率，可用高速冲床。定子铁心10的本体11的冲片011由铁基非晶合金薄带冲制，冲制与011相同形状的硅钢冲片作为辅助材料，其基本形状为“u”字型，冲片两边对称各设有2～3个长腰孔010，其长腰与电机轴线垂直；冲片011两边设有矩形凸出013；冲片011“u”字型中部外边还设有矩形缺口014。见图1。
铁心冲片的弧面叠压和铆接是在压力机和弧面靠准模具中进行的。定子铁心10的本体11的铁基非晶合金冲片011按电机气隙定子铁心内圆面的弧度叠压，在叠层的顶面和底面以及若干相等叠厚处插入相同形状的硅钢冲片011，保持压力，用管壁有漏孔或漏缝的全空心铆钉13在长腰孔010处铆接，形成定子铁心10的本体11。见图2。
(2)定子铁心本体11的极靴12的冲片012由硅钢片冲制，其两边设有利于氩弧焊接的凹凸形状和焊点015。见图1。铁心的弧面叠压和氩弧焊接是在压力机和弧面靠准模具中进行的。定子铁心本体11的极靴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，在焊点015进行氩弧焊接，焊点连成弧线，形成极靴12。见图2。
(3)定子铁心10的本体11“u”字型的两端分别与极靴12装配，形成定子铁心10，对定子铁心10进行热处理，再用绝缘粘结剂浸渍、固化。见图3。
转子铁心的制造：
(1)转子铁心20的本体21的冲片021由铁基非晶合金薄带冲制，冲制与021相同形状的硅钢冲片作为辅助材料，其基本形状为“一”字型，冲片两端各设有1个长腰孔020，其长腰与电机轴线垂直；冲片021两边设有矩形凸出023；冲片011“一”字型中部朝气隙一边还设有矩形缺口024。见图1。
定子铁心20的本体21的铁基非晶合金冲片021按电机气隙转子铁心外圆面的弧度叠压，在叠层的顶面和底面以及若干相等叠厚处插入相同形状的硅钢冲片021，保持压力，用管壁有漏孔或漏缝的全空心铆钉13在长腰孔020处铆接，形成定子铁心本体21。见图4。
(2)转子铁心本体21的极靴22的冲片022由硅钢片冲制，其两边设有利于氩弧焊接的凹凸形状和焊点025；定子铁心本体21的极靴22的冲片022按电机气隙转子铁心外圆面的弧度叠压，保持压力，在焊点025进行氩弧焊接，焊点连成弧线，形成极靴22。见图4。
(3)转子铁心本体21与极靴22装配，形成转子铁心20，对转子铁心20进行热处理，再用绝缘粘结剂浸渍、固化。见图5。
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、转子基体以及转子左、右端盖管。
在定子基体30上设有绕制相绕组的槽道31，槽道31底部可粘贴绕组内环绝缘片51，槽道两边可粘贴绕组侧面绝缘片52。定子基体30上还设有安装定子铁心的窗孔32，各相铁心安装窗孔32径向相互错开1/m极距角。见图8，实施例一(三相10极电机)：定子基体30示意图。
转子基体40上设有安装转子铁心的窗孔41，各相铁心安装窗孔径向对齐。转子安装基体上还设有安装各相层绕紧固环的槽道42。见图13，转子基体40示意图。
定子100装配步骤：
(1)在定子安装基体30的各相槽道31底部粘贴绕组内环绝缘片51，槽道两边粘贴绕组侧面绝缘片52。见图9。
(2)在定子基体30的已经采取绝缘措施的槽道31里直接绕制m相绕组50。见图10。
(3)在定子安装基体的每相段窗孔32中，安装2p个定子铁心10，绕电机轴线呈圆周阵列分布。各相段定子铁心窗孔32的定位设置，保证了各相定子铁心径向相互错开1/m极距角。见图11。
(4)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14。见图12。
转子200装配步骤：
(1)在转子基体40各相段窗孔41中安装2p个转子铁心20，绕电机轴线呈圆周阵列分布。各相段转子铁心窗孔41的定位设置，保证了各相转子铁心径向相互对齐。见图14。
(2)在各相转子铁心圆周阵列的弧形凹槽024和转子基体40的槽道42上用硅钢带多层卷绕，层间涂刷粘结剂，末端氩弧焊接，形成转子紧固环23。见图15。
(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16。
定子100通过多相定子铁心10的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左端盖管60和右端盖管61的內圆与机轴过盈配合安装。