專利名稱：一種低損耗的低速永磁同步電機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種電機，特別是一種低損耗的低速永磁同步電機。
背景技術：
永磁電機因其具有壽命長、維護簡便等優點，隨著電子技術的迅速發展越來越廣泛地應用在，例如風力發電、混合動力汽車、航空、電子設備、采礦等技術領域。現有的低速永磁同步發電機或電動機，主要由定子、轉子、軸承以及機殼等構成。 定子一般由硅鋼片疊裝成定子鐵心，在其鐵心槽內為定子繞組。其中定子繞組一般均采用分布式繞組，其存在下線復雜、制造周期長的問題，由于線圈端部長，導致定子銅耗高。為了解決分布式繞組下線復雜的問題，現有技術中也有采用集中繞組形式的永磁電機，例如 CN101227108A公開了一種集中繞組結構的多相同步電機，它的電樞繞組為多相對稱集中繞組。然而，當該同步電機當齒數較多時，每相的相鄰的兩個鐵心齒上的線圈繞向相反或者每隔m-1個齒上的線圈繞向相反，這樣無疑給嵌線和接線帶來不便。而且，齒槽轉矩高是現有低速永磁同步電機普遍存在的問題，特別是對于低速電機會嚴重影響電機運行性能。現有低速永磁同步電機的轉子包括轉子體和磁鋼，磁鋼的安裝有表面式、內置式和爪極式。對于轉子而言，若采用表面式磁路結構，一般還需對永磁體進行綁扎或者在永磁體外面加一非導磁合金鋼護套，前者所用碳纖維綁扎材料是熱的不良導體，不利于轉子散熱，后者所用護套為導電體，會產生渦流損耗。另外，這種綁扎或護套的設計，使得電機的有效氣隙增大，主磁路和漏磁系數的增加，從而降低了永磁材料的利用率和電機的出力進而會降低電機的效率。其中永磁體一般均為整體結構，其渦流損耗高。正是由于現有永磁同步電機的轉子和定子存在上述問題，不僅影響電機的效率還加劇電機的溫升，因此為了降低電機溫升、不致永磁體退磁、影響電機性能，需要配置強制冷卻系統。因此，一種能夠降低銅耗、簡化安裝工藝、降低渦流損耗、進而降低溫升電機，提高效率的永磁同步電機成為本領域技術人員追求的目標。

發明內容
本發明的目的在于解決現有永磁同步電機定子銅耗高、齒槽轉矩大、接線復雜的技術問題。本發明的另一目的在于解決現有永磁同步電機的定子繞組嵌線不便的問題。本發明的又一目的是解決現有永磁同步電機轉子永磁體與定子之間氣隙不均勻的導致的高次諧波電動勢高損耗高的問題。本發明的又一目的是解決現有永磁同步電機轉子永磁體存在渦流損耗高的問題。本發明所采取的技術方案為一種低轉子損耗的多極永磁同步電機，其包括轉子和定子，所述定子包括定子鐵心和定子繞組；其特征在于，所述電機極槽配合比為5 6;所述定子鐵心的齒數為S = 2nm，m為相數，η為大于等于2的偶數；所述定子繞組為多相繞組， 每相繞組至少由一個線圈單元構成；所述線圈單元是由相鄰兩個齒上的繞向相同的單齒半繞組構成，且所述線圈單元的兩個齒上的單齒半繞組的末端是相連的，每兩個相鄰線圈單元的相鄰的兩齒上的單齒半繞組的引線同為輸出端或者同為輸入端。作為優選，所述定子繞組中相鄰的m個線圈單元構成一個多相繞組單元，所述2nm 個齒上的nm個線圈單元構成η個多相繞組單元；所述一個多相繞組單元或者兩個、兩個以上多相繞組單元串連、并聯或者混聯構成至少一套獨立的多相繞組。作為優選，所述η個多相繞組單元構成η套獨立的多相繞組，其中η/2套偶數多相繞組并聯、η/2套奇數多相繞組并聯；或者180度對稱位置的多相繞組并聯。作為優選，所述i個相鄰的多相繞組單元串聯構成一套獨立的多相繞組，η個多相繞組單元構成n/i套獨立的多相繞組，其中n/2i套偶數的多相繞組并聯、n/2i套奇數多相繞組并聯，i為能整除η的自然數。作為優選，所述η個多相繞組單元串聯構成一套獨立的多相繞組。為了改善定子繞組的嵌線接線，提高功效，所述定子鐵心的齒槽寬度比為1，即槽寬和齒寬相同。為了利于氣隙磁場分布，所述轉子包括永磁體、極靴和轉子體；所述極靴沿轉子體表面周向均勻間隔成列地設置，所述相鄰列極靴之間成列地設有永磁體，所述極靴的兩側面分別設有用于壓緊兩側永磁體的突出部；所述永磁體通過其兩側相鄰的極靴固定在所述轉子體表面上。作為優選，所述極靴的固定最好是在極靴內設一安裝孔和一固定孔，所述安裝孔平行于轉子軸向地設在所述極靴的中心，所述固定孔自所述極靴下面向所述安裝孔垂直貫通設置。這樣可以避免固定螺釘裸露在外，特別是使極靴的外周的厚度均勻，使得氣隙均勻，有利于磁場分布。為了極靴固定方便，最好在所述極靴的安裝孔內設有一軸向延伸貫通軸向極靴的極靴固定桿，所述極靴固定桿通過螺釘將所述極靴固定在所述轉子體上。同時，為了永磁體在軸向上固定牢固，作為優選，在所述轉子體端部永磁體的外端面設有用于軸向固定永磁體的固定端片，所述固定端片固定在所述極靴固定桿的端部；所述永磁體固定端片的上端對應極靴安裝孔的位置具有一 V字形開口。作為優選，所述極靴用于固定永磁體的突出部設在極靴的外周面的兩端。從而在相鄰的極靴之間形成一個安裝槽，使永磁體可以方便地插入其中。其中應說明的是本發明所述的極靴的外周面是指極靴安裝到轉子體上后其外表面形成的圓周面。為了進一步改善磁場的分布，作為優選，所述極靴的外周面為向外突出的曲面狀。為了進一步減少渦流損耗，最好所述永磁體為兩層、兩層以上磁性材料粘接構成。本發明由于采用上述技術方案，電機極槽配合比為5 6，能夠降低齒槽轉矩中的 6次諧波，由此降低齒槽轉矩，改善電機運行性能；電機的定子繞組為對稱單齒半繞組，能夠有效地降低定子銅耗，通過改變相鄰的繞組單元的接線方向，使每一個單齒半繞組繞向相同，在制作時，可以一次繞制一個線圈單元，并一次性嵌入到兩個齒槽上，減少了兩個半繞組之間的接線工作，簡化了安裝工藝，因此，本發明與現有的集中繞組相比，使得布線更簡單、簡潔，提高了電機的裝配工效，大大縮短了制作工期，降低了生產成本。同時，本發明的每一個線圈單元是由兩個相鄰兩個齒上的半繞組構成，相對于單齒全繞組的一個線圈匝數減少一半，從而相對于單齒全繞組每一個齒上繞組產生的熱量降低一半，轉子上的渦流損耗也大大降低，由此，提高電機的效率。進一步，本發明綜合考慮了降低齒槽轉矩和方便嵌線的兩方面因素，選擇電機定子的齒槽寬度比為1，同時使嵌線更加容易，達到最佳的優化設計。進一步，本發明所述轉子采用特定的永磁體的布置固定結構，即永磁體間隔地設在轉子體的表面，并通過極靴加以固定，由此可以改善磁場分布，降低渦流損耗。同時，由于采用單齒半繞組和永磁體極靴布置方式，與傳統的永磁體表面式、內置式和爪極式安裝方式相比較，不僅提高了磁體安裝效率，還提高了電機的可靠性，而且減小了定轉子間的有效氣隙，并使氣隙均勻，能有效削弱高次諧波電動勢，抑制高次諧波，增加了電機的出力并相應提高電機的效率。進一步，本發明將永磁體分為多層結構，能夠進一步降低了渦流損耗，提高電機效率。進一步，本發明將極靴的外周形狀為弧狀、使得其厚度更均勻，有效削弱高次諧波電動勢，有利于改善感應電動勢波形。本發明的定子繞組選用單齒半繞組的結構，電機極槽配合比為5 6，并配合特定的永磁體的布置固定結構，以及極靴的結構，相對于全繞組方式使轉子部分的損耗降低 50%，致使采用本發明技術方案的3麗發電機的轉子損耗只有17千瓦，電機的效率高達 97%，降低損耗的同時也降低電機溫升，無需另設強制冷卻裝置，僅靠自然通風冷卻即可。


圖1是本發明低損耗的低速永磁同步電機的結構示意圖；圖2是本發明低損耗的低速永磁同步電機的轉子端面局部示意圖；圖3是本發明低損耗的低速永磁同步電機的轉子局部俯視圖；圖4是本發明低損耗的低速永磁同步電機的轉子上的極靴的結構示意圖；圖5是本發明低損耗的低速永磁同步電機的定子繞組示意圖；圖6是本發明低損耗的低速永磁同步電機的定子繞組示意圖；圖7是本發明低損耗的低速永磁同步電機的定子繞組示意圖；圖8是本發明低損耗的低速永磁同步電機的定子繞組示意圖。
具體實施例方式實施例一，參見圖1，圖中展示了本發明所述的低損耗的低速永磁同步電機，其包括轉子100和定子200，所述定子200包括機殼203、定子鐵心201和定子繞組202，轉子100 包括轉子體101、轉軸102，所述電機極槽配合比為5 6，其中定子鐵心201上具有48個齒2001、2002、……2048(圖2示)，而轉子表面具有40對永磁體112 ；定子結構具體參見圖2，包括定子鐵心201和定子繞組202，本實施例中，電機相數m為3，定子鐵心201上具有用于線圈嵌套的齒2001,2002,2003……、2047、2048，齒數為48，S = 2nm，η為8 ；每相繞組由一個線圈單元構成，本發明中，線圈單元al是由相鄰兩個齒(例如齒2001、齒2002) 上的繞向相同的單齒半繞組1和單齒半繞組2構成；線圈單元bl是由半繞組3和半繞組4 構成；……線圈單元c8由半繞組47和48構成，其中每一個線圈單元的中的兩個單齒半繞組1和半繞組2的末端是連為一體的，兩者是在繞制時一次繞制而成，即每一個線圈單元是由兩個一次繞制而成的、同向的、末端相連的單齒半繞組齒構成，由此，48個個齒上具有M 個線圈單元(al、bl、cl, a2、b2、c2……，a8、b8、c8)。每兩個相鄰線圈單元的相鄰的兩齒上的單齒半線圈的引線同為輸入端或者同為輸出端，如線圈單元al的兩個半繞組1、2，如果1為輸入端，2為輸出端(接星點)，則與之相鄰的線圈單元bl的相鄰的半繞組3為輸出端)(接星點)，而與之相鄰的線圈單元a8的半繞組48則為輸入端(接引線端)。其他線圈單元依次類推。每一個線圈單元構成三相繞組中的一相，每相鄰的3個線圈單元構成一個三相繞組單元；48個齒上的M個線圈單元構成8個三相繞組單元(al、bl、cl) ； (a2,b2, c2)；……(a8、b8、c8)；—個多相繞組單元，或者兩個、兩個以上多相繞組單元串連、并聯或者混聯構成至少一套獨立的多相繞組。本實施例中的具體聯接方式請參見圖3。定子鐵心 201的齒槽寬度比為1，即齒寬和槽寬相等，利于線圈安裝。參見圖3，本實施例中給出了 8個三相繞組單元的一種具體的連接方式，將圖1中的8個三相繞組單元(aUbUcl) ； (a2.b2.c2)；……(a8.b8.c8)分別構成一套獨立的三
相繞組，即為(A1、B1、C1)，(A2、B2、C2) ； (A3、B3、C3) ； (A4、B4、C4)，......(A8、B8、C8)。這
8個獨立的三相繞組，可以均并聯使用。也可以其中偶數并聯、奇數并聯，即三相繞組(Al、
Bi、Cl)，(A3、B3、C3)，(A5、B5、C5)，(A7、B7、C7)并聯；(A2、B2、C2) ； (A4、B4、C4)，......
(A8、B8、C8)并聯分別使用。本實施例的連接方式，一方面可以使不同的獨立三相系統單獨工作，當同時工作時，其中一套獨立的三相繞組失效，不影響整機的繼續運行。采用對稱方式連接使軸承受力均衡，電機運行平穩。參見圖4，圖4為轉子的局部示意圖，在轉子100表面設有永磁體112和極靴113。 參見圖4、5，極靴113沿轉子體101表面周向均勻間隔成列地設置，參見圖6，在極靴113的外周面的兩側分別設有向外延伸的突出部1131，從而在相鄰的極靴113之間形成一通道， 用于插入并固定永磁體112。由此，將永磁體112成列地固定在轉子體101的表面。參見圖6，其中極靴113包括一安裝孔1132和一固定孔1133，所述安裝孔1132沿平行于轉子軸向貫通地設在極靴113的中心，從端面或截面看，極靴113的安裝孔1132的形狀為拱形，所述固定孔1133自所述極靴113的下面向所述安裝孔1132垂直貫通設置。 本實施例中，固定孔1133為軸向貫通的長條狀通孔，更便于安裝。參見圖4、5，在所述極靴 113的安裝孔1132內設有一軸向延伸貫通軸向極靴113的極靴固定桿114，極靴固定桿114 通過螺釘117將所述極靴113固定在所述轉子體101上。在轉子體101的端部永磁體112 的外端面設有固定端片115，用于軸向固定永磁體112，極靴固定桿114的兩端部具有向上 90°彎折的固定端1145，固定端片115固定在極靴固定桿114的固定端1145 ；固定端片115 的上端對應極靴安裝孔1132的位置具有一 V字形開口。本發明將極靴113的安裝孔1132 設計為通孔形式，并且固定端片115在安裝孔1132的位置有開口，從而利于通風散熱。為了防止漏磁，在極靴113、永磁體112與所述轉子體101之間設有極靴絕緣體 116。為了進一步利于磁場的分布，極靴113的外周面為向外突出的曲面狀，本實施例中，永磁體112為四層磁性材料粘接構成，由此可以有效地降低渦流損
耗，提高效率。本發明由于電機極槽配合比為5 6，定子繞組202采用半線圈形式，永磁體112 通過極靴113固定，從而能夠大大降低定子繞組在轉子中所引起的損耗，并且通過極靴113能使磁場的分布均勻、降低渦流損耗，能有效地抑制高次諧波，且極靴113的特定結構使轉子通風散熱效果更好，同時降低了轉子和定子之間的氣隙，提高了電機效率。故本發明所述的電機具有損耗低、溫升低、效率高、無需另設冷卻裝置的優點。實施例二，參見圖7，圖中給出了與實施例一的圖3中展示的不同的定子繞組連接方式將8個三相繞組單元中的第一組三相繞組單元(al、bl、cl)和第二組三相繞組單元 (a2、b2、c2)串聯，第三組三相繞組單元(a3、b3、c3)和第四組三相繞組單元(a4、b4、c4) 串聯，第五組和第六組串聯，第七組和第八組串聯，如此構成四套獨立的三相繞組。結合圖2 和圖7，以其中第一組為例說明其聯接方式。為了描述清楚，將線圈單元al的左邊一端定義為首端、右邊一端定義為末端，依次線圈單元bl與al相鄰一端為首端、另一端為末端(以下實施例相同)。三相繞組單元(al、bl、cl)中的線圈單元al的首端、bl的末端、cl的首端分別連接引出端，線圈單元al的末端連接三相繞組單元(a2、l32、C2)的線圈單元a2的末端；線圈單元bl的首端連線圈單元1^2的首端，線圈單元cl的末端連線圈單元c2的末端， 由此，構成一個獨立的三相繞組(Al、Bi、Cl)，以此類推，構成另三個獨立的三相繞組(A2、 B2、C2) ； (A3、B3、C3) ； (A4、B4、C4) ；4個獨立的三相繞組可以均為并聯使用；或者將三相繞組(AUBUCl)和三相繞組(A3、B3、C3)并聯，三相繞組(A2、B2、C2)和三相繞組((A4、B4、 C4)并聯。實施例三，參見圖8，圖中給出了與實施例一的圖3以及實施例二圖7中展示的不同的定子繞組連接方式將第一、二、三、四組三相繞組單元(al、bl、cl)、(a2、b2、c2)、(a3、 b3、c3) ； (a4、b4、c4)串連為一個獨立的三相繞組(Al、Bi、Cl)，將第五、六、七、八組三相繞組單元(a5、b5、c5)、(a6、b6、c6)、(a7、b7、c7) ； (a8、b8、c8)串連為一個獨立的三相繞組 (A2、B2、C2)；以第一個三相繞組(AUBUCl)為例三相繞組單元(aUbUcl)中的線圈單元al的首端、bl的末端、cl的首端分別連接引出端，al的末端連接三相繞組單元仏2丄2、 c2)的線圈單元a2的末端；線圈單元bl的首端連線圈單元1^2的首端，線圈單元cl的末端連線圈單元c2的末端；線圈單元a2的首端線圈單元a3的首端，線圈單元1^2的末端連接線圈單元b3的末端，線圈單元c2的首端連接線圈單元c3的首端；線圈單元a3的末端連接線圈單元a4是末端，b3的首端連接線圈單元b4的首端，線圈單元c3的末端連接c4的末端， 線圈單元a4的首端、b4的末端、c4的首端接星點，由此構成一個獨立的三相對稱單齒半繞組(A1、B1、C1)，另一獨立三相繞組與之相同。顯然，本發明的定子繞組不限于上述連接方式，還可以將所有三相繞組單元全部串聯，構成一個獨立的三相繞組。還可以改變電機定子的齒數、轉子的極對數，得到更多的實施方式。本發明旨在提供一種電機極槽配合比為5 6，定子繞組為單齒半繞組，齒槽寬度比為1，通過極靴固定永磁體的低轉子損耗的多極永磁同步電機。本領域普通技術人員理解，在不脫離權利要求所限定的精神和范圍的情況下，可作出許多修改、變化或等效，都將落入本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種低轉子損耗的多極永磁同步電機，其包括轉子和定子，所述定子包括定子鐵心和定子繞組；其特征在于，所述電機極槽配合比為5 6 ；所述定子鐵心的齒數為S = 2nm， m為相數，η為大于等于2的偶數；所述定子繞組為多相繞組，每相繞組至少由一個線圈單元構成；所述線圈單元是由相鄰兩個齒上的繞向相同的單齒半繞組構成，且所述線圈單元的兩個齒上的單齒半繞組的末端是相連的，每兩個相鄰線圈單元的相鄰的兩齒上的單齒半繞組的引線同為輸出端或者同為輸入端。
2.根據權利要求1所述的低損耗的低速永磁同步電機，其特征在于，所述定子繞組中相鄰的m個線圈單元構成一個多相繞組單元，所述2nm個齒上的nm個線圈單元構成η個多相繞組單元；所述一個多相繞組單元或者兩個、兩個以上多相繞組單元串連、并聯或者混聯構成至少一套獨立的多相繞組。
3.根據權利要求2所述的低損耗的低速永磁同步電機，其特征在于，所述η個多相繞組單元構成η套獨立的多相繞組，其中η/2套偶數多相繞組并聯、η/2套奇數多相繞組并聯； 或者180度對稱位置的多相繞組并聯。
4.根據權利要求3所述的低損耗的低速永磁同步電機，其特征在于，所述i個相鄰的多相繞組單元串聯構成一套獨立的多相繞組，η個多相繞組單元構成n/i套獨立的多相繞組， 其中n/2i套偶數的多相繞組并聯、n/2i套奇數多相繞組并聯，i為能整除η的自然數。
5.根據權利要求3所述的低損耗的低速永磁同步電機，其特征在于，所述η個多相繞組單元串聯構成一套獨立的多相繞組。
6.根據權利要求1-5其中任一項所述的低損耗的低速永磁同步電機，其特征在于，所述定子鐵心的齒槽寬度比為1，即槽寬和齒寬相同。
7.根據權利要求1-5其中任一項所述的低損耗的低速永磁同步電機，所述轉子包括永磁體、極靴和轉子體；所述極靴沿轉子體表面周向均勻間隔成列地設置，所述相鄰列極靴之間成列地設有永磁體，所述極靴的兩側面分別設有用于壓緊兩側永磁體的突出部；所述永磁體通過其兩側相鄰的極靴固定在所述轉子體表面上。
8.根據權利要求7所述的低轉子損耗的永磁同步電機，其特征在于所述極靴包括一安裝孔和一固定孔，所述安裝孔平行于轉子軸向地設在所述極靴的中心，所述固定孔自所述極靴下面向所述安裝孔垂直貫通設置。
9.根據權利要求8所述的低轉子損耗的永磁同步電機，其特征在于在所述極靴的安裝孔內設有一軸向延伸貫通軸向極靴的極靴固定桿，所述極靴固定桿通過螺釘將所述極靴固定在所述轉子體上。
10.根據權利要求9所述的低轉子損耗的永磁同步電機，其特征在于在所述轉子體端部永磁體的外端面設有用于軸向固定永磁體的固定端片，所述固定端片固定在所述極靴固定桿的端部；所述永磁體固定端片的上端對應極靴安裝孔的位置具有一V字形開口。
11.根據權利要求7所述的低轉子損耗的永磁同步電機，其特征在于所述極靴的突出部設在極靴的外周面的兩端。
12.根據權利要求7所述的低轉子損耗的永磁同步電機，其特征在于所述極靴的外周面為向外突出的曲面狀。
13.根據權利要求7所述的低轉子損耗的永磁同步電機，其特征在于所述永磁體為兩層、兩層以上磁性材料粘接構成。
全文摘要
本發明涉及一種低損耗的低速永磁同步電機，其包括轉子和定子，所述電機極槽配合比為5∶6；所述定子包括定子鐵心和定子繞組；所述定子鐵心的齒數為S＝2nm，m為相數，n為大于等于2的偶數；所述定子繞組為多相繞組，每相繞組至少由一個線圈單元構成；所述線圈單元是由相鄰兩個齒上的繞向相同的單齒半繞組構成，且所述線圈單元的兩個齒上的單齒半繞組的末端是相連的，每兩個相鄰線圈單元的相鄰的兩齒上的單齒半繞組的引線同為輸出端或者同為輸入端。本發明的低速永磁同步電機能夠有效地降低電機損耗、降低齒槽轉矩，提高電機效率。
文檔編號H02K1/27GK102468732SQ201010543550
公開日2012年5月23日 申請日期2010年11月15日 優先權日2010年11月15日
發明者史人杰, 漢斯·魯道夫·西格里斯特 申請人:Hrs風電技術有限公司