一种永磁电机导磁环和导磁环节块的制作方法

一种永磁电机导磁环和导磁环节块
【技术领域】
1.本发明涉及一种导磁环和导磁环节块，一种用于无铁芯永磁电机的导磁环和导磁环节块。涉及几种类型永磁电机结构，以及本发明在其中的应用，还涉及制造导磁环和导磁环节块的铁磁材料硅钢片，特别是取向型和非取向型等硅钢片材料，也涉及零部件制造和电机装配等。


背景技术：

2.电机发展轨迹如同螺旋上升曲线，从最初基于电磁力原理、仅有导线、支架和马蹄形磁铁等几个简单零件组成、用于向孩子们演示电机原理的实验样机，发展到如今获得广泛应用的bldc直流无刷电机，并形成巨大产业。它使用大量金属材料等各种资源，消耗大半电力，提供社会生活方方面面各种主要动力。如今电机科技和制造技术的发展，具备在此基础上，更高效地服务于更广泛需求，包括将机械能转化成电能的发电机产业，也包括依靠电能产生机械驱动力的电动机产业。电机结构将再回“无铁芯”形式但却是全新“高阶”形式，它将更轻、更强，更节省原材料，加工更便捷，因此更环保，更具有可持续发展的潜力。
3.推进电机无铁芯化首先遇到的挑战，是如何保持并提高目前电机的效能。技术关键之一在于其内部动态磁场布局如何优化。离开高效能磁场的优化设计，根本无法实现电机高效率，无论是机/电转换，还是电/机转换。如何优化设计以及需要什么技术措施，有待继续探索。


技术实现要素：

4.针对现有电机偏重偏贵的问题，同时又希望获得相对满意的效率和电机产品的高性价比，本发明结合优化电机内部动态磁场布局，进而优化传统导磁环、新增导磁环节块等辅助配件，提供新型导磁辅助零部件的设计和加工方案。新型导磁原件异于常规，其要点如下：
5.(1)常规bldc电机导磁部件主要是铁芯，即定子绕组线包赖以生根的无取向硅钢片铁芯。该铁芯在高速转动的转子磁钢块和定子绕组线包之间，提供良好的磁力线运行通道，使永磁无刷电机得以结构紧凑，保障机械能和电能之间有较高的转换效率。
6.(2)无铁芯电机所谓的“无铁芯”，是指支撑绕组线包的定子不用铁芯，于是源自磁钢块和绕组线包的高强磁力线就只能“自找出路”。ns两极相距越远，其间磁力线就越发散。图1是实拍马蹄形磁铁吸引铁砂粉盘所展现的磁力线图，ns两极间磁力线几乎是直线，磁场强度很高，吸引了更多铁砂粉而更显黑，周边磁力线向外扩散且越远越散越稀疏。
7.(3)基于电磁特性，无铁芯电机也难离开铁芯：为转子安装磁钢块必须要有导磁环，一来便于安装强力磁钢块，更关键是要提供磁力线高速通道。电工软铁导磁环如图2所示。
8.(4)图2所示的导磁环浑然一体，优点是便于制造，也容易获得还算完美的电磁特性。但在功率大频率高的应用中其尺寸势必加大，高频交变磁场随铁磁体增大会滋生更大
涡状感应交变电流而导致更严重铁损。解决办法很简单：用薄片材料制造导磁环，优选材料是硅钢片，取向型或非取向型，将硅钢薄片剪切成等宽长条，按给定形状进行绕制即成。
9.(5)导磁环性能的优劣、成本的高低，对电机综合性能有重要影响，物美价廉是普遍追求。电工软铁电磁特性好，其缺点也明显：刚度差、易锈蚀、价格高、铁损大。合金钢取代，精准造型确保转子盘几何中心与重心完美一致，可确保高速旋转的转子盘平稳不震动。
10.(6)硅钢片绕制的导磁环不是整体锻造，即便是使用超薄硅钢片单根长条绕制，也无法实现其几何中心与质量重心完全一致。至于用多根较短硅钢片长条搭接绕制的导磁环，要求其二心合一更无法达成。因此本发明的新型导磁环不太适宜用作转子盘中的导磁环。
11.(7)要为高速旋转转子盘上的磁钢块配置精密结构的硅钢片导磁环，就必须改变设计和制造方法：以其环台截面开模冲压硅钢片，多片叠合成型，即可满足较大尺寸转子导磁环。但缺点是硅钢片材料利用率太低，浪费太大，材料和加工成本偏高，也未必完美。
12.(8)本发明之导磁环的最佳应用场合在【1】内、外转子电机定子线包的电磁场远侧回路；【2】轴向排列多重盘片式电机的外侧盘片之外侧，见图6之6。分别解释如下：
13.①
图3所示是某外转子式无铁芯电机的扣合式定子盘盒，(3a)是其外侧面视图，(3b)是其内侧面，1指向内侧面可见的、用于在定子盘盒内部安装导磁环的环形槽；1也同时指向外侧面的环形槽外壳部。在此环形槽内，既可以安装单长条硅钢片绕制的导磁环，也可以使用多条较短硅钢片条搭接绕制的导磁环，二者在定子中的电磁性能表现几乎无异，合理规划可以充分利用硅钢材料而不致浪费。
14.②
另一更重要的应用场合在于：多层重叠式无刷电机机芯如图4，由扁盘式转子盘和定子盘交叉相邻、沿转轴纵向等间距排列。此型电机盘片数少则2盘：一定一转；多则数量不设无上限。但无论多少盘数，沿轴向最外两侧，不管定子盘还是转子盘，都需要安装导磁环，优选方案是如图5所示的本发明的导磁环。
15.③
图6是某6极外定子盘装配爆炸图，给出外定子盘装配顺序和本导磁环的位置。
16.④
图4所示多层重叠式无刷电机机芯，定、转子盘片沿转轴交错排列。转子盘上有等间距排布安装的磁钢块，提供“桥接”强劲的“旋转木桶式磁场”之首尾连贯、平行于转轴的每一条“木桶板”即每条高强度磁力线束通道，发自两端“外盘”相应磁钢块的高强磁力线束，贯通中间各转子相应位置磁钢块“桥接中继”。常规中继点用磁钢块，本发明提供新方案：用取向型硅钢片冲压+叠片制造“导磁环节块”如图7，仅最外两端转子盘需用高强磁钢块，其余中继用导磁环节块取代。
17.综上简述，归纳本项发明的技术要点，分别阐述如下：
18.●
剪切等宽硅钢片长条绕制的导磁环，不太适用于在高速旋转的转子盘里安装；
19.●
本发明之采用硅钢片制做的导磁环和导磁环节块，导磁环可以改善电机内高速运转磁力线束的通道优化分布，以利减少漏磁、降低铁损、提高效率，导磁环节块则能在确保性能基础上降低电机原材料成本。
20.一种永磁电机导磁环和导磁环节块，其特征是：导磁环改善电机内高速运转磁力线的通道优化分布，减少漏磁、降低铁损、提高效率，导磁环节块用以取代磁钢块。
21.●
本发明的导磁环，采用薄厚度取向或非取向型硅钢片，预先剪切成等宽长条，按要求的形状和尺寸绕制而成；需注意：要妥善处理好因剪切可能导致条材边沿的毛刺。
22.一种永磁电机导磁环和导磁环节块，其特征是导磁环采用薄厚度的取向型硅钢片，预先剪切成等宽的长条，按照要求的形状和尺寸绕制而成。
23.一种永磁电机导磁环和导磁环节块，其特征是导磁环采用薄厚度的非取向型硅钢片，预先剪切成等宽的长条，按照要求的形状和尺寸绕制而成。
24.●
本发明的导磁环制造，用预先设计好的钢膜，将薄厚度的硅钢片冲压成形，按照给定厚度叠片压紧固定而成。
25.一种永磁电机导磁环和导磁环节块，其特征是导磁环制造，用预先设计好的钢膜，将薄厚度的硅钢片冲压成形，按照给定厚度叠片压紧固定而成。
26.●
本发明的“导磁环节块”，用取向型硅钢片冲压+叠片制造，实为磁力线束中继块，使得多层重叠式无刷电机机芯，仅需最外两端转子盘使用昂贵的超高强磁钢块，其余部分转子盘原来的磁钢块都用导磁环节块取代，同样提供“旋转木桶式磁场”各路高强磁力线束的桥梁通道，但材料成本可以有效降低。其外形与原磁钢块相同，硅片取向沿轴向。
27.一种永磁电机导磁环和导磁环节块，其特征是：用取向型硅钢片制造中继磁力线束的导磁环节块，在多层重叠式电机中，可取代除了最外两端转子盘的其余转子盘上部分磁钢块。
28.一种永磁电机导磁环和导磁环节块，其特征是：根据要被取代磁钢块的外形，设计好合用的钢膜，将薄厚度硅钢片按其取向冲压成形，按给定厚度叠片压紧固定而成。
29.综上所述，本发明的导磁环和导磁环节块，有益于提升无铁芯永磁电机综合指标。
【附图说明】
30.图1是实拍马蹄形磁铁吸引铁砂粉盘所展现的磁力线图，图中虚线箭头所指处，是玻璃板下马蹄形磁铁的ns两极。从照片可见。ns两极间磁力线几乎是直线，磁场强度相对更高，吸引了更多铁砂粉而更显深黑色，周边磁力线束向外扩散，越远越散越稀疏。
31.图2是某电机转子盘用的合金钢制导磁环。
32.图3所示是某无铁芯电机的扣合式定子盘盒，(3a)是其外侧面视图，(3b)是其内侧面视图，1指向内侧面可见的、用于在定子盘内部安装导磁环的环形槽；1同时指向外侧面的环形槽体外壳。在此环形槽内，既可以安装单长条硅钢片绕制的导磁环，也可以使用多条较短的硅钢片条搭接绕制的导磁环。定子盘是相对不运动的部件，对其重量有讲究，但对其几何中心和重心的重合度却并不过分介意，因此，搭接与否在定子盘中的性能影响忽略不计，合理规划剪裁工艺，可以充分利用硅钢片材料而不致浪费。
33.图4是某多盘并列式无刷电机机芯，扁盘式转子盘和定子盘间隔相邻、沿转轴纵向等距排列。此型电机盘片无论多少，沿轴向最外两侧的盘，不管定、转，都需安装本导磁环。
34.图5正是本发明导磁环的示意立体视图，是用硅钢片长条绕制而成。
35.图6是某定子外盘装配爆炸图，2是外定子盘盒主半，3是绕组6个线包，4是定子盘与转轴过渡连接的轴承盘，5是外定子盘辅半，6是本发明关注点：导磁环，7是外定子辅盘盖。
36.图7也正是本发明导磁环节块的示意图，该导磁环节块用取向型硅钢片按取向冲压成片型，再按顺序叠片成所需形状加压固定制造，本图中仅举圆柱台型和矩形六面体型。用本发明的导磁环节块替代部分稀土磁钢块，可适度降低电机制造材料成本。
【具体实施方式】
37.实施例一：用于径向无刷电机之外转子盘
38.某微小型发电机，沿其主轴纵截面园半径方向排列定子绕组线包与外转子磁钢块，用薄型硅钢片剪切成长条来绕制的导磁环，其结构尺寸匹配图3中1所指的环形槽尺寸。当外转子被风力驱动旋转，其上磁钢块所构建的磁场也同步旋转，磁力线束扫过定子绕组线包，使得线包中的磁通量剧烈变化，在线包中形成感生电动势。在位于线包底部的环形槽内安装了导磁环，位置如图所示。由于其贴近线包，可就近吸引磁力线束，改善动态磁场的分布，令动态磁力线聚集穿过线包；由于通过该导磁环，连通了该所在电机内部轴向旋转磁场之磁力线大回路，有效地减少了漏磁，加之硅钢片导磁环有利于减少铁损，能提高综合效率。
39.实施例二：用于在多盘并列式无铁芯电机的部分转子盘中取代磁钢块
40.如图4所示的多盘并列式无铁芯电机机芯，是“3定4转”结构。位于中间两片转子盘，原本装配有6对高强稀土磁钢块，用本发明的“导磁环节块”取而代之，“桥接”两端外转子盘上6对高强稀土永磁磁钢块构建的6条高强磁力线束，中间两片转子盘上接替的导磁环节块进行中继搭桥，仍可保障完整的“木筒型轴向旋转磁场”。