复合型非晶合金轴向磁通电机的制作方法

本发明属于轴向磁通电机领域，主要涉及一种复合型非晶合金轴向磁通电机。

背景技术：

非晶合金带材作为一种新型的软磁材料，带材厚度仅有0.02-0.03mm，具有优异的电磁性能，很好的耐蚀性、耐磨性，极高的强度、硬度与电阻率等特性。与传统硅钢片相比，非晶合金具有极小的铁心损耗，应用于电机中作为铁心材料能够显著提高电机的效率，尤其适用于高速高频应用场合。传统的非晶合金轴向磁通永磁同步电机采用的都是带有永磁体表贴式（或永磁体嵌入非磁性金属盘中）的双定子单转子或双转子单定子结构，该类电机具有高效率、高功率密度、高转矩密度的优点。但是由于永磁材料的固有特性，非晶合金轴向磁通永磁同步电机内气隙磁场基本保持恒定，且传统的非晶合金轴向磁通电机一般多采用上述表贴式磁极结构，这种结构的气隙大、电感小、交直轴电感基本相等，电机存在着励磁调节困难、弱磁调速范围窄、永磁体用量相对较大等诸多问题，已经成为了制约该电机发展的瓶颈之一。使得非晶合金轴向磁通永磁同步电机的应用收到了很大的约束。

为了追求电机的高功率转矩密度、高效率和磁场可以控制的效果，许多研究人员提出了采用混合励磁形式的不同种类拓扑结构来解决传统永磁同步电机磁场难以调节、不利于弱磁扩速等问题，但均仍旧存在不同程度的缺陷：

（1）中国专利cn105305749a提出了一种定子无铁心halbach永磁阵列轴向磁通电机。其具有两个永磁转子，两个永磁转子以永磁体面相对的方式安装在转轴上，转子之间安装一个高分子材料合成的圆环；高分子材料合成的圆环正反两面圆周方向有规律的设置有径向导槽，用于安装励磁线的定子绕组线圈；永磁转子由转子导磁背轭的分段永磁体组成：每对极下安装12块充磁方面各不相同的永磁体，定义第一块永磁体轴向充磁方面为0度，相邻永磁体的充磁方向依次改变30度，从而实现一种halbach阵列。该发明的特点是：通过将轴向磁通电机转子上的永磁体按照halbach阵列充磁，从很大幅度上减小气隙磁密的谐波含量，但是该结构工艺复杂且永磁体耗量比较多，不利于推广生产。

（2）中国专利cn103997145a提出了一种轴向磁通永磁同步电机。该电机包含一根转轴，转子装配到转轴上，至少一个永磁体装配到转子上，还包括定子组件，定子组件包含朝一个轴向方向的定子模块，每个定子模块包含一对由一个轭部分相连接的定子齿和多个绕组，每个绕组绕在一个定子模块上。该发明的特点是：轴向磁通电机使用低成本的铁氧体磁铁，而达到其他采用成本较高的钕铁硼达到的更高的功率密度和效率，并且没有产生齿槽转矩，振动噪声都有所降低，但是在高频高速场合中该电机难以发挥其优势。

（3）中国专利cn10530757a提出一种双交错混合励磁电机的拓扑结构，该电机包括前端盖、后端盖和机壳，转轴上设有转子轭，转子轭上固有永磁n极、永磁s极和铁极，机壳上均匀设有电枢铁心和励磁铁心，电枢铁心上有交流电枢绕组，励磁铁心上设有交流励磁绕组；转轴、转子轭、永磁n极、永磁s极和铁极构成转子；交流电枢绕组、电枢铁心、交流励磁绕组、励磁铁心和机壳构成定子。该发明的特点是：该电机是一种径向磁通的结构，采用交流电流调节气隙磁通，励磁磁动势与电枢磁动势为并联关系，通过调节磁通的分布来改变感应电势的大小，在变速电动场合可实现更宽广的调速范围，但是该电机制造工艺复杂，不适合应用在高频高速的场合。

（4）中国专利cn104638792a提出了一种混合励磁电机的拓扑结构。该电机包括定子和设置于定子内的转子，转子包括构成该转子主支撑部的转子架、以及设置于转子架上的磁钢和励磁绕组，转子架沿横界面圆周均匀设置有若干电机极，相邻电机极之间设置有由永磁体构成的第一磁钢，电机极内设置有由永磁体构成的第二磁钢和励磁绕组；第一磁钢和第二磁钢靠近转子圆周的一端的磁极相同，第一磁钢的体积大于第二磁钢。该发明的特点是；使得电机具备较大的调速范围和较少的稀土使用量，降低了制造陈本，但是该电机的转矩密度、功率密度和效率都有所下降且不利于应用在高频高速场合。

（5）中国专利cn103490583a提出了一种定子分割式轴向磁通切换型混合励磁同步电机拓扑结构，该电机定子由内外两层“h”型单元定子铁心拼接成两个卷绕的同心圆环，隔磁环将两个同心圆环分开，电枢绕组采用集中绕组，电枢绕组缠绕在两个相邻“h”型单元定子铁心的定子齿上，永磁体与定子槽均采用长方形结构，励磁支架位于永磁体正上方，由隔磁环分开，励磁绕组轴向缠绕在励磁支架上，转子采用盘式结构，包括转子磁轭及成放射状均匀固定于其表面的转子极，定子和转子同轴相连。采用隔磁环将定子分割为内外两部分。该发明的特点是：电励磁磁路与永磁体磁路完全并联，两者磁路耦合减少，大大提高了永磁体利用率，电机效率得到明显提高。但是该电机的转矩密度、功率密度和效率都有所下降，且振动噪声扩速范围有限，不利用应用在高频高速的场合。

（6）中国专利cn1808846a提出了一种双馈电混合励磁轴向磁场永磁电机拓扑结构。该电机包含一个转子和置于转子两侧的左右两个定子，转子的磁极由隔磁区分割成内外两圈，外圈为铁心极，内圈为极性交替的永磁体；两个定子铁心的外齿的内侧安装磁场控制绕组，而电枢主绕组环绕内、外齿安装。该发明的特点是：通过改变磁场控制绕组中的电流幅值和方向来调节电机气隙总磁通大小，达到改变感应电势大小的目的，但是该结构电机永磁体用量大，弱磁扩速的范围比较有限。

技术实现要素：

发明目的

轴向磁通永磁同步电机内气隙磁场基本保持恒定，且气隙较大，每相串联匝数较小，不利于弱磁扩速。为了能够实现轴向磁通永磁同步电机气隙磁场的简单灵活、经济有效的调节与控制从而改善电机调速与驱动性能，避免出现永磁体发生不可逆退磁，由此引入了一种复合型非晶合金轴向磁通电机。

技术方案

一种复合型非晶合金轴向磁通电机，包括定子、机壳、端盖、转轴、轴承和转子，其特征在于：所述定子铁心是非晶合金定子铁心，定子铁心包括定子轭部和定子齿部两个部分，定子齿部由内齿部和外齿部组成，多个内齿部和外齿部周向均匀的分布在定子轭部上，每个外齿部的内侧都有一个内齿部，定子铁心嵌入在机壳内，直流励磁绕组缠绕在外齿部上，且在直流励磁绕组与外齿部之间设置有第一绝缘体，每个外齿部的和其内侧的内齿部整体还缠绕有电枢绕组，电枢绕组与其内部的直流励磁绕组之间设置第四绝缘体，转子装配于转轴上，转子包括转子轭、转子支架、第二软磁极、永磁体和第一软磁极，第二软磁极、永磁体和第一软磁极周向均匀安装在转子轭靠近定子的一侧，每个第二软磁极的内侧都有一个永磁体，每个永磁体的内侧都有一个第一软磁极，永磁体与第一软磁极相互接触，永磁体和第一软磁极与内齿部的周向位置相对应，第二软磁极与外齿部的周向位置相对应，第二软磁极与其周向内侧的永磁体通过隔磁区相隔离，在机壳的两端分别设有端盖，电机的转轴通过轴承支撑于端盖的中央。

所述定子齿部位于定子轭部的两侧，定子铁心两侧皆设有转子，转子轭采用软磁材料，两侧转子各自的永磁体磁极位置正对且极性相异，形成一种单定子双转子结构的轴向磁通电机，电枢绕组和直流励磁绕组在径向平面上呈环形排列，且具有非重叠性，两套电枢绕组和直流励磁绕组在轴向是完全对称的。

所述定子铁心是非晶合金带材缠绕而成的，定子铁心的齿部被分开为内齿部和外齿部两个部分，并在内齿部和外齿部之间有一个辅助槽，辅助槽与转子的隔磁区周向位置对应，相邻定子铁心的齿部之间形成径向槽，直流励磁绕组通过径向槽和辅助槽绕制在外齿部，直流励磁绕组不与相邻的外齿部和内侧的内齿部接触。

所述直流励磁绕组位于所述外齿部外周且三边被定子电枢绕组包围，在直流励磁绕组与外齿部之间设置有第一绝缘体，在辅助槽内设有第二绝缘体，在直流励磁绕组与定子电枢绕组之间设置有第四绝缘体，在定子电枢绕组与内齿部之间设置有第三绝缘体。

所述第二绝缘体为空气或者绝缘纸。

所述第一绝缘体、第三绝缘体及第四绝缘体均为绝缘纸。

所述外齿部与内齿部大致为扇面形状，其各自远离转子中心的边为圆心在转子中心的圆弧，其各自靠近转子中心的边为直线边或大致指向转子中心的圆弧，各自其余的两条边为直线边，并在顶点处设置平滑的倒角，避免刮伤绕组线。

所述转子采用内外圆周是软磁极的双盘结构，转子轭在靠近定子侧的表面与定子铁心外齿部正对应的位置贴有软磁极，转子轭在靠近定子侧的表面与内齿部正对的位置贴有相互接触的永磁体和软磁极，转子轭在靠近定子侧的表面与定子铁心辅助槽正对应的位置是隔磁区。

所述永磁体处于第一软磁极和第二软磁极之间，且在圆周方向上呈极性交替分布，第一软磁极和第二软磁极采用铁磁性材料，且第一软磁极、第二软磁极和永磁体的个数相等，等于电机的极数。

一种如所述复合型非晶合金轴向磁通电机的非晶合金定子铁心制造方法，其特征在于：

根据所需的定子铁心轴向尺寸选择非晶合金带材的宽度，然后根据定子铁心的内径和外径，将非晶合金带材绕制在内径大小的模具上，绕制外径减去内径的厚度，层层叠压紧密后进行退火、浸漆并整形固化，固化完成后，采用激光切割、电火花切割或水射流切割将定子铁心的左右两个端面切割径向槽，形成定子齿部，然后将定子齿部沿着圆周再次切割生成辅助槽，形成带有内外两部分圆周齿部的定子铁心。

优点及效果

本发明是一种复合型非晶合金轴向磁通电机，具有如下优点和有益效果：

（1）本发明提出的一种将定子铁心齿部分为内外两层，在外层定子铁心齿部套上直流励磁绕组的结构，有利于通过调节直流励磁绕组上励磁电流的大小改变气隙磁场的大小。

（2）本发明提出的控制磁场的直流励磁绕组产生的磁通通过软磁极、气隙、转子轭部、定子铁心齿部和定子铁心轭部形成回路，可以很方便地实现磁场的控制不会对永磁体产生退磁的危害，提高了电机运行的可靠性。

（3）本发明提出的非晶合金定子铁心内齿部正对的转子内表面位置采用的是相连接永磁体和软磁极，在电机运行在弱磁扩速阶段，电枢绕组上的去磁电流，能够使得与永磁体相连接的软磁极产生反向的磁场，能够更大程度上削弱磁场使其具有更宽泛的运行转速。

（4）本发明提出的一种转子内表面的外层放软磁极，内层放相连接的永磁体和软磁极的结构，可根据实际工作需要合理的安排永磁体和软磁极所占的空间比例，在保证电机基本功率的基础上，实现所需的气隙磁场强度、电机转速范围的调节，同时采用这种永磁体和软磁极共同作用的组合，有利于减小永磁体的用量，降低电机的生产制造成本。

（5）本发明提出的一种非晶合金绕制而成的定子铁心，由于非晶合金材料相对于传统硅钢片，在高频下电机的铁耗明显小很多，因此这种电机特别适用于高频高速的场合，另外电机齿部采用了辅助槽口分为内外两层，由于其定子齿部两部分分开了，有利于高转速下减小非晶合金轴向磁通电机的定子铁心齿部的损耗。

附图说明

图1为复合型非晶合金轴向磁通电机的结构示意图；

图2为复合型非晶合金轴向磁通电机转子结构示意图；

图3为复合型非晶合金轴向磁通电机定子槽型及齿部结构示意图；

图4单个定子齿上的绕组及绝缘示意图；

图5定子外齿部绕组及绝缘示意图。

附图标记说明：

1.转子轭、2.第二软磁极、3.隔磁区、4.永磁体、5.第一软磁极、6.定子轭部、7.电枢绕组、8.直流励磁绕组、9.外齿部、10.内齿部、11.定子齿部、12.转子支架、13.辅助槽、14.径向槽、15.第一绝缘体、16.第二绝缘体、17.第四绝缘体、18.第三绝缘体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

如图1、图2、图3、图4和图5所示，一种复合型非晶合金轴向磁通电机，包括定子、机壳、端盖、转轴、轴承和转子，其特征在于：所述定子铁心是非晶合金定子铁心，定子铁心包括定子轭部6和定子齿部11两个部分，定子齿部11由内齿部10和外齿部9组成，多个内齿部10和外齿部9周向均匀的分布在定子轭部6上，每个外齿部9的内侧都有一个内齿部10，定子铁心嵌入在机壳内，直流励磁绕组8缠绕在外齿部9上，且在直流励磁绕组8与外齿部9之间设置有第一绝缘体15，每个外齿部9的和其内侧的内齿部10整体还缠绕有电枢绕组7，电枢绕组7与其内部的直流励磁绕组8之间设置第四绝缘体17，采用这种定子齿部分块的结构有利于减小定子铁心上的损耗，提高电机的性能。定子齿部11位于定子轭部6的两侧，定子铁心两侧皆设有转子，转子装配于转轴上，转子包括转子轭1、转子支架12、第二软磁极2、永磁体4和第一软磁极5，第二软磁极2、永磁体4和第一软磁极5周向均匀安装在转子轭1靠近定子的一侧，每个第二软磁极2的内侧都有一个永磁体4，每个永磁体4的内侧都有一个第一软磁极5，永磁体4与第一软磁极5相互接触，永磁体4和第一软磁极5与内齿部10的周向位置相对应，第二软磁极2与外齿部9的周向位置相对应，第二软磁极2与其周向内侧的永磁体4通过隔磁区3相隔离，隔磁区3为空气。转子轭1采用软磁材料，两侧转子各自的永磁体4磁极位置正对且极性相异，形成一种单定子双转子结构的轴向磁通电机，电枢绕组7和直流励磁绕组8在径向平面上呈环形排列，且具有非重叠性，两套电枢绕组7和直流励磁绕组8在轴向是完全对称的。永磁体4、第一软磁极5和第二软磁极2分别粘贴在两侧转子靠近定子侧的所述转子轭1表面上。但永磁体4、第一软磁极5和第二软磁极2的固定方式不仅限于胶粘，也可以通过在磁极上打孔并用螺栓连接，也可以采取两种相结合的连接方式。在机壳的两端分别设有端盖，电机的转轴通过轴承支撑于端盖的中央。

定子铁心是非晶合金带材缠绕而成的，定子铁心的齿部被分开为内齿部10和外齿部9两个部分，并在内齿部10和外齿部9之间有一个辅助槽13，辅助槽13与转子的隔磁区3周向位置对应，相邻定子铁心的齿部之间形成径向槽14，直流励磁绕组8通过径向槽14和辅助槽13绕制在外齿部9，直流励磁绕组8不与相邻的外齿部9和内侧的内齿部10接触。定子电枢绕组7环绕在每个由内齿部9与外齿部10组成的所述定子齿部11上，形成了一种非晶合金定子铁心齿部11套两种绕组的结构。直流励磁绕组8位于所述外齿部9外周且三边被定子电枢绕组7包围，在直流励磁绕组8与外齿部9之间设置有第一绝缘体15，在辅助槽内设有第二绝缘体16，用于隔离直流励磁绕组8与内齿部10，在直流励磁绕组8与定子电枢绕组7之间设置有第四绝缘体17，在定子电枢绕组7与内齿部10之间设置有第三绝缘体18。第二绝缘体16为空气或者绝缘纸。优选的，在满足安全可靠性的情况下，为缩减成本，选择空气作为第二绝缘体16的绝缘介质。第一绝缘体15、第三绝缘体18及第四绝缘体17均为绝缘纸，且它们的材料相同。外齿部9与内齿部10大致为扇面形状，其各自远离转子中心的边为圆心在转子中心的圆弧，其各自靠近转子中心的边为直线边或大致指向转子中心的圆弧，各自其余的两条边为直线边，并在顶点处设置平滑的倒角，避免刮伤绕组线。转子采用内外圆周是软磁极的双盘结构，转子轭1在靠近定子侧的表面与定子铁心外齿部9正对应的位置贴有软磁极2，转子轭1在靠近定子侧的表面与内齿部10正对的位置贴有相互接触的永磁体4和软磁极5，转子轭1在靠近定子侧的表面与定子铁心辅助槽13正对应的位置是隔磁区3。永磁体4处于第一软磁极5和第二软磁极2之间，且在圆周方向上呈极性交替分布，第一软磁极5和第二软磁极2采用铁磁性材料，且第一软磁极5、第二软磁极2和永磁体4的个数相等，等于电机的极数。采用这种结构有利于减小永磁体上的涡流损耗，同时也有利于节约永磁体的用量减小成本，提高电机性能。

上述的复合型非晶合金轴向磁通电机的非晶合金定子铁心制造方法：

根据所需的定子铁心轴向尺寸选择非晶合金带材的宽度，然后根据定子铁心的内径和外径，将非晶合金带材绕制在内径大小的模具上，绕制外径减去内径的厚度，层层叠压紧密后进行退火、浸漆并整形固化，固化完成后，采用激光切割、电火花切割或水射流切割将定子铁心的左右两个端面切割径向槽，形成定子齿部，然后将定子齿部沿着圆周再次切割生成辅助槽，形成带有内外两部分圆周齿部的定子铁心。

本发明的工作过程如下：

定子采用非晶合金带材卷绕而成，然后将定子铁心左右两部分分别进行开槽，开槽完之后，再分别在左右两边定子铁心的齿部沿着圆周方向再开一个辅助槽，把每一个定子齿分为了两个部分，然后在外圆定子齿正对应的转子位置放上软磁极，在内圆定子齿正对应的转子位置放上永磁体和软磁极，在定子铁心外圆周齿部缠绕上直流励磁绕组，在整个定子齿部缠绕上电枢绕组。分别给电枢绕组通上三相正弦交流电，给直流励磁绕组通上直流电，然后将其在转子对应位置的软磁极给磁化，使得转子上的软磁极和永磁体共同作用，产生了合成磁场，磁场通过非晶合金定子铁心闭合，在电磁场作用下，电机转子在轴承支撑下旋转，输出机械能。由于本发明提出的是一种复合型非晶合金轴向磁通电机结构，能够通过调节励磁电流的大小，从而改变气隙磁场从而改善提高电机的转速和驱动性能。

结论：本发明所述的复合型非晶合金轴向磁通电机，不仅能继承轴向磁通永磁电机的功率密度大、转矩密度大、效率高等诸多特点，而且还具有电励磁电机气隙磁场平滑可调等居多优点。