一种具有交叠连接式定子的磁阻电机及制备方法与流程

本发明涉及电机领域，特别涉及一种具有交叠连接式定子的磁阻电机及制备方法。

背景技术：

电机是以磁场为媒介进行机电能量转换的装置。随着现代科学技术的迅猛发展，特别是微电子技术、电力电子技术、自动控制技术和材料科学的发展，出现了许多性能优越的基于新原理的特种电机。磁阻电机是一种机电一体化的新型调速电机，调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点，是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统的最新一代无极调速系统。磁阻电机的结构和工作原理与传统的交直流电机有着很大的差别，是利用磁阻最小原理形成磁拉力。因其具有结构简单坚固、启动电流小、调速范围宽、调速性能优异、系统可靠性高、成本低、效率高等特点，在工业驱动、电气调速、电动汽车、家用电器、航空工业等领域中已显示出强大的竞争力与广阔的应用前景。

铁芯是电机的有效部分之一，铁芯的制造工艺对电机的运行性能影响很大。磁阻电机的定子铁芯和转子铁芯均由导磁材料制成。制造过程中，通过对整个硅钢片进行冲片然后叠压形成。定子铁芯和转子铁芯一般是用同一材料冲裁的，外圆环部分作定子冲片，内圆部分冲成转子冲片。因此，用于定子和转子的硅钢片是相同品质和厚度的。由于硅钢片的价格较高，导致电机成本较高。

磁阻电机为双凸极结构，定子和转子上均设有凸极齿，定子铁芯通常为内圆表面均匀分布有定子槽的圆筒形。传统工艺是将硅钢板料直接冲裁出齿状环片，再进行叠装形成整体式铁芯。这种冲裁方法边角料大，导致其材料利用率很低。

一般电机中使用的由直线轭部弯成环状的预制定子冲片，定子冲片叠装时，直线轭部弯曲成环状后，由于各层定子冲片上夹缝相互对齐形成一条轴向贯穿的夹缝，导致电磁场回路受阻，产生严重的漏磁现象，从而降低电机的效率。

技术实现要素：

为解决现有磁阻电机存在技术问题，本发明的目的之一是提供一种磁阻电机，其定子铁芯由对插套裁的两种连接式冲片交错层叠而成；相邻层的接缝不在同一轴向截面上；其转子的凸极由品质低于定子的导磁材料叠压而成。从而，在提高磁阻电机性能的同时，提高材料利用率并降低电机成本。

为此，本发明提供一种磁阻电机，包括多层叠置形成的定子铁芯和转子铁芯，其特征在于，所述定子铁芯由对插套裁的第一冲片和第二冲片交错层叠而成，所述第一冲片和第二冲片均包括通过连接部相互连接的n个冲片单元，冲片单元包括轭部和齿部；成环后相邻的轭部相互面接触形成接缝，相邻层的接缝不在同一轴向截面上；其转子的凸极由品质低于定子的导磁材料制成。

在一种优选的实施方案中，接缝与连接部之间设置有缓冲槽，所述缓冲槽是曲率半径在冲片厚度的1.5～2.5倍的曲线型。

在一种优选的实施方案中，连接部的宽度为冲片厚度的1.1～1.5倍。

在一种优选的实施方案中，冲片两端的轭部设有相互配合的首尾连接部。

在一种优选的实施方案中，所述定子铁芯的叠压系数大于0.97。

在一种优选的实施方案中，相邻层的接缝相对于通过圆心和定子槽中心线的轴向截面对称设置。

在一种优选的实施方案中，齿部远离轭部一端设置有齿靴，成环后相邻齿靴之间不接触。

在一种优选的实施方案中，轭部远离齿部的一侧开设有若干凹槽。

在一种优选的实施方案中，轭部和/或齿部上设置有扣点，相邻层的扣点位置对应且过盈配合。

本发明的另一目的在于提供一种所述磁阻电机的制造方法，其特征在于所述定子铁芯的第一冲片和第二冲片是由条状板材以并排对插的方式进行套裁的。

在一种优选的实施方案中，套裁时相邻冲片单元的轭部之间开设有朝向齿部的夹角为360°/n的槽口。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明磁阻电机的定子铁芯的连接式冲片由条状板材以并排对插的方式进行套裁，有效地提高了材料的利用率，材料利用率可达到85％以上，比现有技术的整体式定子铁芯节省约三分之一的材料，显著降低了生产成本，同时便于自动化批量生产。

2、本发明磁阻电机的定子铁芯由对插套裁的两种连接式冲片交错层叠而成，相邻轭部之间穿插设置，提高了相邻冲片元件之间的连接强度。

3、本发明磁阻电机的定子铁芯相邻层的接缝不在同一轴向截面上，可减小不同层定子冲片上的磁阻，减少通过缝隙漏磁的现象，使得磁路更加通畅，提高电机效率。

4、本发明磁阻电机的定子铁芯冲片单元的轭部之间通过连接部连接，在接缝与连接部之间设置有缓冲槽，在不断裂的情况下易于弯曲成型提高圆度。接缝交错增加了连接部及缓冲槽的设计难度。本发明通过连接部、槽口及缓冲槽的组合优化设计，生产工艺性得到改善，叠压和焊接生产工艺的加工工时可节约近40％，可具有大批量自动化制造的优势；而且卷绕并焊接成铁芯后，定子铁芯的圆柱度得到提高，并提高了焊接后定子铁芯的内外圆同心度，质量稳定性好而且电磁噪声小。

5、本发明磁阻电机的转子凸极由品质低于定子的导磁材料叠压而成，有效地降低了电机的材料成本，可节约材料成本约30％。

本发明的其他有益效果将在下面结合附图描述的具体实施方式中体现。

附图说明

图1为开关磁阻电机的原理结构图；

图2为本发明连接式定子冲片的示意图；

图3为本发明连接式定子冲片层叠成环后的示意图；

图4为本发明连接式定子冲片套裁时的示意图。

附图标记：100、第一冲片；200、第二冲片；1、轭部；2、齿部；3、定子槽；4、连接部；5、接缝；6、缓冲槽；7、齿靴；8、扣点；9、凹槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。

一种具体实施方案中，本发明磁阻电机可以是双凸极可变磁阻电动机，其转子的凸极由较低牌号的普通硅钢片叠压而成。转子既无绕组也无永磁体，定子极上绕有集中绕组，径向相对的两个绕组联接起来，称为"一相"，开关磁阻电机可以设计成多种不同相数结构，且定、转子的极数有多种不同的搭配。相数多、步距角小，有利于减少转矩脉动，但结构复杂，且主开关器件多，成本高，现今应用较多的是四相8/6结构和三相12/8、三相6/4结构。

附图1示出四相(8/6)结构开关磁阻电动机原理图。为简单计，图中只画出a相绕组及其供电电路。开关磁阻电动机的运行原理遵循"磁阻最小原理"-'磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，而具有一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必使自己的主轴线与磁场的轴线重合。当定子d-d'极励磁时，1-1'向定子轴线d-d'重合的位置转动，并使d相励磁绕组的电感最大。若以图中定、转子所处的相对位置作为起始位置，则依次给d→a→b→c相绕组通电，转子即会逆着励磁顺序以逆时针方向连续旋转；反之，若依次给b→a→d→c相通电，则电动机即会沿顺时针方向转动。可见，开关磁阻电动机的转向与相绕组的电流方向无关，而仅取决于相绕组通电的顺序。另外，当主开关器件s1、s2导通时，a相绕组从直流电源us吸收电能，而当s1、s2关断时，绕组电流经续流二极管vd1、vd2继续流通，并回馈给电源us。因此，开关磁阻电动机传动的共性特点是具有再生作用，系统效率高。

由此可见，通过控制加到开关磁阻电动机绕组中电流脉冲的幅值、宽度及其与转子的相对位置(即导通角、关断角)，即可控制开关磁阻电动机转矩的大小与方向，这正是开关磁阻电动机调速控制的基本原理。

本发明提供的磁阻电机，其定子铁芯由对插套裁的两种连接式冲片交错层叠而成；相邻层的接缝不在同一轴向截面上；其转子的凸极由品质低于定子的导磁材料叠压而成。从而，在提高磁阻电机性能的同时，提高材料利用率并降低电机成本。

用于制造定子铁芯和转子铁芯所用的导磁材料可以是适用于作为制造磁阻电机定子或转子铁芯的任何导磁材料，例如硅钢片、非晶合金材料、纳米晶合金、铁硅铝材料等。优选用于转子铁芯的导磁材料品质或价格低于定子。例如，定子铁芯使用较高牌号的硅钢片，转子铁芯使用较低牌号的硅钢片。这样，可在保证电机性能的情况下有效降低材料成本。

图2-4示出用于本发明磁阻电机定子铁芯的连接式冲片结构的一个实施例。参见图2，连接式冲片包括通过连接部4相互连接的n个冲片单元，冲片单元包括轭部1和齿部2，相邻齿部2之间形成定子槽3。参见图3，成环后相邻的轭部相互面接触形成接缝5，相邻层的接缝不在同一轴向截面上。这样，可减小不同层定子冲片上的磁阻，减少通过缝隙漏磁的现象，使得磁路更加通畅，提高电机效率。此外，轭部连接处以穿插的形式连接，可提高冲片单元之间的连接强度。优选相邻层的接缝5相对于通过圆心和定子槽3中心线的轴向截面对称设置。这样后期装配的便捷性更好。

为了便于冲片的弯曲，减小应力集中，在接缝5与连接部4之间设置有缓冲槽6，缓冲槽是曲率半径在冲片厚度的1.5～2.5倍的曲线型。本发明的优选实施例中，冲片成环后缓冲槽6呈圆形，更优选其直径为冲片厚度的4倍左右。曲率半径太大影响冲片强度，曲率半径太小难以加工。连接部4的宽度为冲片厚度的1.1～1.5倍，更优选1.3倍。这样，既利于弯曲成型，增强卷曲韧性，又可使相邻的轭部之间不易断裂，提高磁路通畅性，同时有利于提高圆度。

本发明通过连接部、槽口及缓冲槽的组合优化设计，生产工艺性得到改善，叠压和焊接生产工艺的加工工时可节约近40％，可具有大批量自动化制造的优势；而且卷绕并焊接成铁芯后，定子铁芯的圆柱度得到提高，并提高了焊接后定子铁芯的内外圆同心度，质量稳定性好而且电磁噪声小。

冲片两端的轭部设有相互配合的首尾连接部。冲片100和冲片200的首尾两端连接处的形状可以相同，相邻层的首尾连接部的接缝可以对齐或交错。接缝对齐便于装配。而接缝交错可减小不同层定子冲片上的磁阻，减少通过缝隙漏磁的现象，使得磁路更加通畅，提高电机效率。

轭部1远离齿部2的一侧开设有若干凹槽9，齿部2远离轭部1一端设置有齿靴7。冲片弯曲成环时，相邻齿靴7之间不接触。

轭部1和/或齿部2上设置有扣点8，相邻层的扣点位置对应且过盈配合。扣点的横截面可以为各种形状，包括圆形、方形、梯形或三角形，轴截面可以包括v字形或半球形。相邻层的扣点过盈配合，可提高冲片之间的紧密度和连接强度。

图4所示实施例中，定子铁芯的连接式冲片100由条状板材以并排对插的方式进行套裁。从而有效地提高了硅钢片材料的利用率，降低生产成本，同时便于自动化批量生产。套裁时相邻冲片单元的轭部之间开设有朝向齿部的夹角为360°/n的槽口。从而确保成环后相邻的轭部形成面接触，以减小漏磁，提高电机效率。

根据电机的需求将冲裁好的第一冲片100和第二冲片200交错层叠安装，叠压后叠压系数可达到0.97以上，优选0.97至0.99，更优选约0.98。叠压系数过小对电机性能有不利影响，并且容易产生电磁噪声。然后，在齿部2上进行绕线，由于此时开口较大，绕线方便，提高操作效率。然后工作人员只需将层叠好的第一冲片100和第二冲片200进行弯曲成环，由于相邻的轭部1之间通过连接部4连接，可提高定子铁芯的圆度，同时提高磁路通畅性，提高电机整体效率。

采用本发明技术方案制造的磁阻电机具有卓越的系统性能，主要表现在:

结构简单:电动机结构简单、成本低、可用于高速运转。磁阻的结构比鼠笼式感应电动机还要简单。其突出的优点是转子上没有任何形式的绕组，因此不会有鼠笼感应电机制造过程中铸造不良和使用过程中的断条等问题。其转子机械强度极高，可以用于超高速运转(如每分钟上万转)。在定子方面，它只有几个集中绕组，因此制造简便、绝缘结构简单。

电路可靠:功率电路简单可靠。因为电动机转矩方向与绕组电流方向无关，即只需单方相绕组电流，故功率电路可以做到每相一个功率开关。对比异步电动机绕组需流过双向电流，向其供电的pwm变频器功率电路每相需两个功率器件。因此，开关磁阻电动机调速系统较pwm变频器功率电路中所需的功率元件少，电路结构简单。另外，pwm变频器功率电路中每桥臂两个功率开关管直接跨在直流电源侧，易发生直通短路烧毁功率器件。而开关磁阻电动机调速系统中每个功率开关器件均直接与电动机绕组相串联，根本上避免了直通短路现象。因此开关磁阻调速电动机调速系统中功率电路的保护电路可以简化，即降低了成本，又有较高的工作可靠性。

系统可靠性高:系统可靠性高。从电动机的电磁结构上看，各项绕组和磁路相互独立，各自在一定轴角范围内产生电磁转矩。而不像在一般电动机中必须在各相绕组和磁路共同作用下产生一个旋转磁场，电动机才能正常运转。从控制结构上看，各相电路各自给一相绕组供电，一般也是相互独立工作。由此可知，当电动机一相绕组或控制器一相电路发生故障时，只需停止该相工作，电动机除总输出功率能力有所减小外，并无其他妨碍。

起动优点:起动转矩大，起动电流低。控制器从电源侧吸收较少的电流，在电机侧得到较大的起动转矩是本系统的一大特点。典型产品的数据是:起动电流为额定电流的15％时，获得起动转矩为100％的额定转矩；起动电流为额定电流的30％时，起动转矩可达其额定转矩的250％。而其他调速系统的起动特性与之相比，如直流电机为100％的电流，鼠笼感应电动机为300％的电流，获得100％的转矩。起动电流小而转矩大的优点还可以延伸到低速运行段，因此本系统十分合适那些需要重载起动和较长时间低速重载运行的机械。

频繁起停:适用于频繁起停及正反向转换运行。本系统具有的高起动转矩、低起动电流的特点，使之在起动过程中电流冲击小，电动机和控制器发热较连续额定运行时还要小。可控参数多使其制动运行能与电动运行具有同样优良的转矩输出能力和工作特性。二者综合作用的结果必然使之适用于频繁起停及正反向转换运行，次数可达1000次/小时。

性能好:可控参数多，调速性能好。控制开关磁阻电动机的主要运行参数和常用方法至少有四种:相导通角、相关断角、相电流幅值、相绕组电压。可控参数多，意味着控制灵活方便。可以根据对电动机的运行要求和电动机的情况，采取不同控制方法和参数值，即可使之运行于最佳状态(如出力最大、效率最高等)，还可使之实现各种不同的功能的特定曲线。如使电动机具有完全相同的四象限运行能力，并具有最高起动转矩和串励电动机的负载能力曲线。由于开关磁阻电机调速系统(srd)速度闭环是必备的，因此系统具有很高的稳速精度，可以很方便的构成无静差调速系统。

效率高损耗小:效率高，损耗小。本系统是一种非常高效的调速系统。这是因为一方面电动机绕组无铜损；另一方面电动机可控参数多，灵活方便，易于在宽转速范围和不同负载下实现高效优化控制。以3kwsrd为例，其系统效率在很宽范围内都在87％以上，这是其它一些调速系统不容易达到的。将本系统同pwm变频器鼠笼型异步电动机的系统进行比较，本系统在不同转速和不同负载下的效率均比变频器系统高，一般要高5～10个百分点。

开关磁阻电动机驱动系统的主要缺点是有转矩脉动，这可以通过对电机进行精心设计，采取适当措施，并从控制角度考虑采用合理策略可以得到改进。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。