电机槽口磁盖和配合槽口磁盖改善电机设计的方法

摘要

槽口磁盖由导磁层A和非磁性填料层B粘合制成,紧靠气隙的部分为导磁层A,导磁层根部的厚度d在满足对槽口提供足够的磁通抑制齿谐波的前提尽量薄,以达到同时也抑制齿间漏磁的目的;导磁层的截面采用马鞍形状,以减小齿间漏磁和改善磁场分布,导磁层A由多块铁磁片构件绝缘拼接的办法构成,绝缘缝F可避免引起铁芯齿部大的涡流。配合槽口磁盖可以改善电机设计的方法。

说明书

本发明属于电机槽楔结构和制造方面的发明，是一种将开口槽电机加上磁性套筒或绝缘拼接磁性槽楔后变成闭口槽电机的结构方面的发明。

在电机结构的设计中存在着一对矛盾：从嵌线工艺的角度看，需要槽口大些好；从电机性能的角度看，需要齿谐波小，即需要槽口小些好。传统的磁性槽楔能够使槽口的等效宽度变小，从而提高电机效率，是一个历史悠久的发明，实践和理论证明，用目前的磁性槽楔将槽口用磁性材料封口，能提高电机效率，也有一些弊端，主要缺点是：使电机的带负载能力下降，对于电动机来说是起动转矩、最大转矩下降，对于发电机来说是电压调整率变差。此外，磁性槽楔降低了槽楔的机械强度。

实际上，磁性槽楔应该考察四个指标：1、抑制齿谐波的指标；2、抑制齿间漏磁的指标；3、抑制涡流的指标；4、机械强度指标。

本发明总的目的是提供一种新产品和方法，在提高电机效率的同时，还能提高电机的带负载能力。那么，槽口磁盖应该具备什么样的性能就能够发挥最大的优势和避免它所引起的缺点呢？为了实现这些性能又应该采用什么方法和结构呢？根据电机的原理分析，槽口磁盖应该实现以下具体的目的：1、能够向槽口处提供足够的磁通消除齿谐波和降低有效气隙；2、导磁材料集中于靠气隙的一面，以尽可能提高有效磁通，减少漏磁；3、磁性槽楔使电机降低带负载能力的主要原因是导磁层太厚和形状不合理，引起槽口漏磁通过大，应当是既能保证向槽口处提供足够的磁通消除齿谐波，同时又不至于引起槽口漏磁通过大，从而实现电机的带负载能力也得到提高；4、不会因为采用槽口磁盖而形成大的涡流；5、可靠性高，要保证槽口磁盖本身的机械强度和它与电机铁芯的结合强度。

电机采用槽口磁盖实现以上5个目的后，由于性能变好，还可以实现重优化设计电机结构的目的：1、对电动机而言，取消斜槽和使定转子槽数比接近于1；2、将半开口槽和半闭口槽的电机都做成开口槽嵌线、闭口槽运行，使电机的嵌线工艺、质量、槽满率、匝间绝缘都得到改善，并且提高电机的性能；3、对小型电机而言，磁性套筒有足够的强度固定线圈，在改善性能的同时用以取代槽楔，减小电机体积；4、对发电机而言，实现减小气隙的目的，从而减小励磁损耗，提高发电机的效率和发电容量；5、对直流电机而言，用以改善换向性能。

为了实现以上目的，本发明提出槽口磁盖的原理和结构，包括磁性套筒类和绝缘拼接式磁性槽楔类。绝缘拼接式磁性槽楔以下简称拼式磁楔。其结构原理示意如图1a，由左右两块硅钢片绝缘拼接成凹槽状，然后在槽中填满填料B而成。图中的粗实线为硅钢片的截面，插入槽口时，槽楔中硅钢片凹槽的底面位于靠气隙一侧并平行于气隙圆柱面，它引导磁通到槽口以抑制齿谐波，将开口槽封闭成闭口槽。我们给这底面的硅钢片(或其它铁磁材料)取一个专有名词：①导磁层A。导磁层采用两边厚，中间薄的马鞍形状，对减小齿间漏磁和改善磁场分布有好处，等厚的导磁层是马鞍形状导磁层的简化，以下提到的导磁层A都是指包括等厚导磁层在内的马鞍形状导磁层。为了叙述简便起见，我们还约定以下简称：②铁磁片Ai：铁磁性材料(如硅钢片)薄片。③填料B：树脂材料、添加物和粘接剂的混合物。④固定齿C：在铁磁片上制作一些齿，用于嵌入填料B中，使铁磁片与填料B牢固结合。⑤绝缘拼接：本发明提出的拼式磁楔的导磁层结构是由两块以上的铁磁片拼接而成，并且两块铁磁片的结合部必须保证绝缘缝F，同时必须保证铁磁片与填料B牢固结合，实施例9-实施例11对绝缘拼接进行了描述。⑥铁磁片底面AM：铁磁片两面中靠气隙圆柱面的一面，类似有，拼式磁楔底部为靠气隙圆柱面的部分，上部为离气隙圆柱面较远的部分。⑦导磁层截面：导磁层在垂直于电机转轴方向的截面。⑧电机的带负载能力：指电动机起动转矩、最大转矩和发电机电压调整率。

本发明的原理是用称为槽口磁盖的磁性材料构件将电机的开口槽封闭成闭口槽，达到提高电机效率和带负载能力的目的，并在槽口磁盖支持下优化和改变电机的设计，进一步改善电机性能。槽口磁盖式电机的结构和制造方法是将电机铁芯做成开口槽，嵌好线以后再装上槽口磁盖将开口槽封闭成闭口槽。槽口磁盖由铁磁片与非磁性填料B通过嵌入式粘合制成，铁磁片作为一个导磁层，将齿部的磁通引导一部分至槽口，使电机的开口槽封闭成闭口槽的方法和部件，其特征是：

①通过绝缘拼接式磁性槽楔的原理图图1a可知，槽口磁盖由非磁性填料B与铁磁片A1通过粘接制成，槽口磁盖离气隙较远的部分为非磁性填料B，用以抑制齿部漏磁；铁磁片A1处于磁性槽楔底面的部分为导磁层A，导磁层A紧贴气隙一侧并基本平行于气隙圆柱面，可以减小齿谐波并使平均气隙减小；导磁层采用两边厚，中间薄的马鞍形状，对减小齿间漏磁和改善磁场分布有好处，等厚的导磁层是马鞍形状导磁层的简化，以下提到的导磁层A都是指包括等厚导磁层在内的马鞍形状导磁层。

②导磁层A不能引起齿顶间漏磁过大，否则会产生带负载能力降低等不利影响，所以槽口磁盖的导磁层根部的厚度d应该小于开口槽槽口宽度的1/4，并且在满足对槽口提供足够的磁通以抑制齿谐波的前提下，厚度要尽量薄，以达到同时也抑制齿间漏磁的目的。当材料一定时，为了保证有效地抑制齿谐波，d通常随着槽口宽度的增加而增加，即厚度d是槽口宽度T的增函数。

图1b是拼式磁楔工作原理图，描述一种极端状况：设磁性槽楔两边的两个齿顶部1都处于磁势的峰值，于是两齿之间由于磁势相等而无漏磁，所以由导磁层引导到槽口的磁通都会进入到对面铁芯6，即导磁层根部Ad的磁通等于槽口气隙磁通。设：T为槽口宽度；L为槽口轴向长度；设d为导磁层根部的厚度(d和e参见图1a)；e为薄磁楔的铁磁片侧边的厚度；B_δ为气隙磁密最大值；B_S为磁性材料的饱和磁密。槽口的面积为T*L，该面积所需总磁通为M＝T*L*B_δ，该磁通应该由导磁层的两个根部共同提供，每个根部能够提供的磁通为d*L*B_s，所以估算公式为：

d＝G*B_δ*T/(2*B_s)----------1.1

式中G为修正系数，约等于1，待实验确定。

考虑到槽口宽度T应该扣除铁磁片侧边的厚度e，等效槽口宽度为T-2*e，所以估算公式修正为：

d＝G*B_δ*(T-2*e)/(2*B_S)----------1.2

若d＝e，则1.2式变成：

d＝G*B_δ*T/2*(B_s+G*B_δ)----------1.3

公式表明：①厚度d是槽口宽度T的增函数；②导磁层的磁性材料的B_S值越高则所需厚度d越薄，也就是说，如果仅仅是考虑抑制齿谐波的指标，既可以采用高B_S值的薄铁磁片，也可以采用低B_S值的厚铁磁片，这两种搭配对于抑制齿谐波等价。但是，对于抑制齿间漏磁(即提高带负载能力)的指标，这两种搭配并不等价，实验表明，齿间漏磁主要取决于铁磁片厚度，即采用高B_S值的薄铁磁片效果好；

③由估算公式可知，槽口磁盖的导磁层A应该采用具有高饱和磁密B_s的软铁磁材料，从而实现在满足对槽口提供足够的磁通以抑制齿谐波的前提下，减薄导磁层厚度；

④为了避免由于槽口磁盖引起铁芯齿部大的涡流，导磁层采用由铁磁片绝缘拼接构成的办法，这种导磁层是由多块铁磁片构件绝缘拼接而成，各块铁磁片构件间互相绝缘，图1x中(x为a、b、c、d的通配符)，导磁层在宽度方向是由两块以上铁磁片绝缘拼接而成，图3x中，导磁层在长度度方向是是由多块铁磁片绝缘拼接而成。

⑤槽口磁盖的铁磁片之间的拼接都是绝缘拼接，所述绝缘拼接铁就是在保证互相绝缘的前提下的两类拼接，一类是铁磁片之间的机械绝缘拼接，在结合面保证绝缘；另一类是嵌入式粘接，多块铁磁片与填料B通过嵌入式粘接成为一体，于是这些铁磁片相对固定，形成绝缘拼接。

附图说明结合实施例进行说明，首先给出附图标号，标号中，与专利权关系不密切的部件采用数字标号，与专利权关系密切的部件采用英文字母标号，将对采用英文字母标号的部件作出详细解释。

1-铁芯齿；2-槽口；3-气隙；4-线圈；5-拼式磁楔方的铁芯；6-拼式磁楔对面的铁芯。

A-导磁层，槽口磁盖中处于气隙一侧的铁磁片，从垂直于电机轴的剖面看，导磁层的截面采用马鞍形状，靠铁芯齿的两边厚，中间薄，对减小齿间漏磁和改善磁场分布有好处，而等厚的导磁层是马鞍形状导磁层的简化，以下提到的导磁层A都是指包括等厚导磁层在内的马鞍形状导磁层；AM-导磁层的底面，即导磁层靠气隙圆柱面的一面；Ad-导磁层根部；Ai-铁磁片；A1-长平形铁磁片，铁磁片的长度等于所对应槽口的长度，铁磁片的一部分平面大致平行于气隙圆柱面而构成导磁层；A2-长立形铁磁片，铁磁片的长度等于所对应槽口的长度，铁磁片平面大致垂直于气隙圆柱面；A3-宽平形铁磁片，就是铁磁片A3中凹槽形底部的这部分平面大致平行于气隙圆柱面而构成导磁层，构成导磁层的部分的宽度等于槽口宽；A4-宽立形铁磁片，铁磁片的宽度等于槽口宽度，铁磁片平面大致垂直于气隙圆柱面。B-填料，树脂材料、添加物和粘接剂的混合物。C-固定齿，在铁磁片上制作一些齿，用于嵌入填料B中，使铁磁片与填料B牢固结合。D-粘接孔，在铁磁片上制作一些空，填料B嵌入其中后，使铁磁片与填料B牢固结合。E-磁性套筒，E套在图6b的定子铁芯5的内表面变成了闭口槽。E1-磁性套圈，磁性套筒E由一组磁性套圈E1组成。F-绝缘缝，相邻铁磁片拼接后，保持绝缘的缝。F1-铁磁片侧壁与铁芯齿之间的绝缘层。K-磁性套圈的宽度。e-铁磁片侧壁厚度。L-槽口长度，槽楔长度。d-导磁层根部Ad的厚度。T-导磁层A的宽度，等于槽口宽度。Q1-穿孔扣。Q2-交错咬合。Q3-咬扣。Q4-嵌套。

实施例分为三大类，实施例1至实施例8主要说明了槽口磁盖的铁磁片的分布结构；实施例9至实施例28主要说明了铁磁片的绝缘拼接方式；实施例1至实施例8主要说明了应用槽口磁盖后，由于电机性能改善，可以优化电机的设计。

实施例1。图1a，一种拼式磁楔，其导磁层A由两块以上的长平铁磁片A1在宽度方向绝缘拼接而成，其长平铁磁片A1的长度等于对应槽口长度，构成导磁层A的部分大致平行于气隙圆柱面，拼成后的导磁层A在大致平行于槽口方向至少有一条绝缘缝F，避免相邻齿部互相导通而产生大涡流；导磁层为单层的马鞍形或等厚形。

图1b是绝缘拼接式磁性槽楔的工作原理图。

实施例2，图1c中的导磁层是由多层长平铁磁片A1叠合形成的马鞍形，靠铁芯齿1的两边铁磁片层数多，中间层数少，形成两边厚，中间薄的马鞍形，对减小齿间漏磁和改善磁场分布有好处；叠合铁磁片的方式很多，左边例举了截面为L形铁磁片的叠合方式，右边例举了截面为阶梯形铁磁片的叠合方式，各层铁磁片之间采用穿孔扣进行扣接；实施例1所述的单层铁磁片的导磁层是该多层长平铁磁片叠合的导磁层的简化，以上导磁层截面都是马鞍形，马鞍形导磁层包括特例等厚形导磁层。

实施例3。图2，一种拼式磁楔，其导磁层A是由许多长立铁磁片A2在宽度方向绝缘拼接而成，其长立铁磁片A2的长度等于对应槽口长度，铁磁片大致垂直于气隙圆柱面、数目较多且一片紧靠一片，拼成后的导磁层A在大致平行于槽口方向有多条绝缘缝F，避免相邻齿部互相导通而产生大涡流；其导磁层的马鞍形是由铁磁片高矮排列形成，靠铁芯齿的两边铁磁片高，中间的铁磁片矮，形成两边厚，中间薄的马鞍形，对减小齿间漏磁和改善磁场分布有好处；当铁磁片一样高时，导磁层就为等厚形导磁层。

实施例4。图3a，一种拼式磁楔，其导磁层A的最底层由数目不多的数块宽平铁磁片A3在长度方向绝缘拼接而成，所谓宽平铁磁片，就是铁磁片A3中的构成导磁层的部分的宽度等于槽口宽且大致平行于气隙圆柱面，拼成后的导磁层A在长度方向有多条绝缘缝F，用以避免产生大回路的涡流；其导磁层的马鞍形是由多层铁磁片叠合形成；这种结构的拼式磁楔，除最底层铁磁片采用宽平铁磁片A3以外，上面的多层铁磁片采用整长的或分段的L形长平铁磁片A1，层与层之间绝缘。

实施例5。图3b，单层宽平铁磁片A3构成的导磁层，这是实施例4多层宽平铁磁片叠合的导磁层的简化，其导磁层截面采用马鞍形，马鞍形导磁层包括特例等厚形导磁层。

实施例6。图4，一种拼式磁楔，其导磁层A是由许多宽立铁磁片A4从长度方向绝缘拼接而成，其每片宽立铁磁片A4的形状就是拼式磁楔截面的形状，大致垂直于气隙圆柱面，其中构成导磁层的部分，宽度等于槽口宽且形成马鞍形，拼成后的导磁层A在长度方向有许多条绝缘缝F，避免产生大涡流；当然，马鞍形导磁层包括特例等厚形导磁层。

实施例7。图5，避免由于槽口磁盖引起铁芯齿部大的涡流的方法之一是导磁层与铁芯齿绝缘，磁性槽楔的由整块凹槽形铁磁片构成，凹槽形导磁层的底部为导磁层，导磁层至少与两侧铁芯中的一侧保证绝缘，绝缘层为F1，这也可以视为特殊的绝缘缝和绝缘拼接；当然，这种导磁层的横截面可以是马鞍形、等厚形，可以采用单层铁磁片和多层叠片式。

实施例8。图6a是槽口磁盖的另一种结构，磁性套筒类；其特征是：采用磁性套圈E1若干个组合成磁性套筒E，磁性套筒E套在图6b的定子铁芯5的内表面，使定子中由于嵌线圈4而留下的槽口2被铁磁片封闭，使铁芯5内表面变成图6c形状的由铁磁材料构成的光滑表面，即变成了闭口槽，使得原来由于槽口2引起的齿谐波被抑制。磁性套筒E由一组铁磁片做成的磁性套圈E1组成，对磁性套圈E1的厚度、宽度和与填料B结合的可靠性都有要求，首先，磁性套筒的厚度d是一个关键数据，在满足对槽口提供足够的磁通以抑制齿谐波的前提下，厚度d要尽量薄，以达到抑制齿间漏磁的目的，厚度d的参考值为小于开口槽口宽度的1/4；其次，抑制涡流也是一个重要技术，每个环的宽度K不能太宽，太宽则涡流太大，但太窄则工艺性差，宽度K的参考值为槽口宽度的1/3至3倍；再次，磁性套筒在嵌套之前进行粗糙化处理并制作一些固定齿C，使磁性套筒粘接在铁芯上，特别是固定齿C嵌入填充在槽口中未固化的填料B，待填料B固化后，磁性套筒就与铁芯形成了比较可靠的结合。

以上实施例都涉及到铁磁片的绝缘拼接，所述绝缘拼接铁就是在保证互相绝缘的前提下的实现铁磁片互相拼接，一类是铁磁片之间的机械绝缘拼接，在结合部形成绝缘缝F，结合部的结合方法包括穿孔扣Q1、交错咬合Q2、咬扣Q3和嵌套Q4的方法。另一类称嵌入式粘接，多块铁磁片与填料B通过嵌入式粘接成为一体，于是这些铁磁片相对固定，从而形成绝缘拼接。事实上，这些绝缘拼接的方法同样可以用于长度方向的绝缘拼接。

实施例9。铁磁片之间的机械绝缘拼接，其拼接方法很多，包括：

图7a-穿孔扣Q1，一块铁磁片上的齿C与另一块铁磁片上的孔D进行扣接。

图7b交错咬合Q2，两块铁磁片的齿互相上下交错咬合。

图7c，咬扣Q3。

图7d，嵌套Q4。

实施例10。图8，在铁磁片Ai上做一些齿状物嵌入所述槽楔的填料B中，所述齿状物包括在铁磁片上制造齿、带小钩的齿和毛刺，还可以在铁磁片上造一些孔，在铁磁片的粘接面上进行粗糙化处理可以理解为微观上的齿状物。在铁磁片上冲出一个孔D1以后，同时生成了毛刺固定齿C1；固定齿C2是在冲孔D2时产生；固定齿C3的制造方法包括焊接法和直接在铁磁片上冲压法。这些固定齿C1、C2、C3统称为固定齿C，孔D1、D2统称为粘接孔D；在铁磁片上制造出许多固定齿C和粘接孔D以后，与填料实现嵌入式粘接。嵌入式粘接中，铁磁片Ai和填料B都有嵌入到对方的局部，所述齿C和孔D使铁磁片Ai与填料B形成一种你中有我，我中有你的交错式粘合，从而提高铁磁片与填料B粘合的牢固性和整个槽楔的强度。多块铁磁片与填料B通过嵌入式粘接成为一体，于是这些铁磁片相对固定，从而形成绝缘拼接。

实施例11。由于加上槽口磁盖后会对电机的电磁特性产生有利影响，其进一步的特征是：结合槽口磁盖的使用，对电机的结构重新进行优化设计，①电动机的设计只要保证定子和转子不相擦，可以相应地减小气隙；②使定转子槽数比接近1；③电动机和发电机都不须要设计斜槽；④对半闭口槽和半开口槽的电机而言，都可以改变设计成为开口槽，有利于嵌线、提高槽满率和嵌线质量；⑤减小发电机的气隙；目前的大型发电机的气隙做得较大，目的是减小谐波和提高断路比，在定子和转子上安装拼式磁楔后，可以减小谐波和提高断路比，所以可以减小发电机的气隙，从而减小励磁功率和温升，提高发电机的效率和发电容量。