导磁电磁线及其构成的低齿槽转矩和转矩脉动的无槽电机

摘要

本发明涉及一种导磁电磁线及其构成的低齿槽转矩和转矩脉动的无槽电机，导磁电磁线包括第一绝缘层、导电层和导磁层；第一绝缘层截面为环型结构；导电层采用铜质材料制成，位于第一绝缘层内，导电层截面也采用环形结构；导磁层位于导电层内，采用柱状结构；第一绝缘层的厚度根据绝缘材料和工作电压决定，导电层的厚度和导磁层的直径根据需要设置。无槽电机的定子绕组采用导磁电磁线制成，其每匝线圈均由第一线圈边、第二线圈边、第一端部导线和第二端部导线构成；第一线圈边与第二线圈边的一端通过第一端部导线连接，另一端通过第二端部导线连接；第一线圈边和第二线圈边均采用导磁电磁线。本发明能减小无槽永磁电机的永磁体用量和无槽异步电机的励磁电流，降低造价，提高性能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电磁线和无槽电机，特别是关于一种可导磁的电磁线以及采 用该导磁电磁线构成的低齿槽转矩和低转矩脉动的无槽电机。

背景技术

现代社会已无法离开电机，电机的应用遍及交通运输、工农业生产、信息处 理，以及日常生活的各个领域。电机的种类繁多，结构也各有不同，有异步电机、 永磁电机、电励磁电机等。一些精密的应用场合，对电机的转矩平滑性具有很高 的要求，对电机的振动、噪声也有较高要求。普通电机铁芯开槽，绕组布置在槽 内，开槽使电机气隙磁导发生变化，在永磁电机中导致即使空载都存在的齿槽转 矩，造成转矩波动，对高精度伺服系统带来困难。齿槽转矩的消除和降低是当前 电机设计与控制中的热点和难点，有大量文献和研究涉及该领域。

无槽电机由于定子铁芯不开槽，直接消除了产生齿槽转矩的根源，是高精度 伺服控制的重要手段，已有相关生产应用。无槽电机除了具有消除齿槽转矩的作 用，还具有消除开槽引起径向电磁激振力的作用，消除了电机槽频的径向电磁激 振力，对于减振也非常有利。但是现有的无槽电机都是在微电机、小型伺服电机 中使用，究其原因，在于采用无槽绕组后，电机的等效气隙增大，电机的气隙磁 密降低，磁负荷降低直接使电机转矩密度和功率密度下降；另外，为了保持气隙 磁密，就必然需要增大励磁磁动势，对于永磁电机，会增加永磁电机的永磁材料 使用量，大幅提高电机的造价；对于异步电机，大幅提高励磁电流，导致异步电 机功率因数大幅下降，实际上无槽异步电机实际使用性能差。由此可见，到目前 为止，无槽电机的使用还是受到限制和制约。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种导磁电磁线及其构成的低齿槽转矩 和转矩脉动的无槽电机，将导磁电磁线用于无槽电机，可减小无槽电机的等效气 隙，减小无槽永磁电机的永磁体用量，减小无槽异步电机的励磁电流，降低造价， 提高性能。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种导磁电磁线，其特征在于： 它包括第一绝缘层、导电层和导磁层；所述第一绝缘层截面为环型结构；所述导 电层采用铜质材料制成，位于所述第一绝缘层内，所述导电层截面也采用环形结 构；所述导磁层位于所述导电层内，采用柱状结构；所述第一绝缘层的厚度根据 绝缘材料和工作电压决定，且所述导电层的厚度和所述导磁层的直径根据需要设 置。

所述导电层采用圆形环状结构、矩形环状结构或不规则环状结构；所述导磁 层形状与所述导电层形状匹配设置，采用圆柱状、矩形柱状或不规则形柱状结构。

另一种导磁电磁线，其特征在于：它包括第一绝缘层、导电层、导磁层和第 二绝缘层；所述导电层和导磁层均采用矩形结构，所述导电层外部包裹有所述第 一绝缘层后，与所述导磁层横向并列设置；包裹有所述第一绝缘层的导电层和导 磁层外部还包裹有所述第二绝缘层，形成一电磁线单元。

所述导磁电磁线为扁线结构，其由多个所述电磁线单元和所述第二绝缘层构 成，各所述电磁线单元沿横向并列设置后，在所有所述电磁线单元外部包裹有所 述第二绝缘层；所述导电层与所述导磁层交错设置。

所述导磁电磁线为线棒结构，其由多个所述扁线结构的导磁电磁线和第三绝 缘层构成，各所述扁线结构的导磁电磁线沿纵向叠放，且所述导磁层在垂直方向 对齐，所有所述扁线结构的导磁电磁线外包裹有所述第三绝缘层。

所述导磁层和导电层都采用多根或多股极细的导磁丝、导电丝进行编织制成。

一种由所述导磁电磁线构成的低齿槽转矩和转矩脉动的无槽电机，其包括定 子机座、定子铁芯、定子绕组、永磁体、转子铁芯、转子轴和轴承；在所述定子 机座内固定设置有所述定子铁芯，所述定子铁芯内圆布置有所述定子绕组；所述 转子轴通过所述轴承固定设置在所述定子机座内，所述转子铁芯固定设置在所述 转子轴上，所述转子铁芯上布置有所述永磁体；其特征在于：所述定子绕组采用 导磁电磁线制成，其每匝线圈均由第一线圈边、第二线圈边、第一端部导线和第 二端部导线构成；所述第一线圈边与所述第二线圈边的一端通过所述第一端部导 线连接，另一端通过所述第二端部导线连接；所述第一线圈边和第二线圈边均采 用导磁电磁线。

所述第一端部导线和第二端部导线采用导磁电磁线或普通电磁线。

所述第一线圈边和第二线圈边中导磁电磁线的导磁层采用分段式结构，在整 个导磁电磁线长度方向上每段所述导磁层都不连通。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的导磁电磁线由 绝缘层、导电层和导磁层构成，绝缘层在最外层，导电层在绝缘层内、导磁层外。 由于导磁电磁线中包括了导磁层，为垂直于导线导电方向的磁通提供了通路，具 有减小磁路磁阻的作用。2、本发明由于采用导磁电磁线构成无槽永磁电机，使无 槽电机绕组的等效气隙减小，同样励磁磁动势时可产生更大的磁场，同样气隙时 可减小永磁体用量或励磁电流，降低电机成本或改善电机性能。3、本发明采用无 槽绕组，定子铁芯不开槽，彻底消除定子受到的槽频径向电磁激振力，消除了永 磁电机的齿槽转矩，减小了电机转矩波动，提高了电机转矩平滑性。

基于以上优点，本发明可以广泛应用于家用电器、医疗仪器、工业生产、制 造业和民用领域的电机系统、航空航天电机电器设备领域、舰船辅助机械和舰船 推进等系统领域以及可移动电气系统领域，特别是对电机转矩波动限制严格的高 精度伺服电机中，对系统的减振降噪也具有重要意义。

附图说明

图1是已有的无槽永磁电机的横截面示意图，是图2的A-A切面图，该图也 是本发明的无槽永磁电机的横截面示意图；

图2是已有的无槽永磁电机的轴向截面示意图，是图1的B-B切面图；

图3是本发明导磁电磁线的横截面示意图；

图4是本发明导磁电磁线的水平截面图，是图3的C-C切面图；

图5是本发明导磁电磁线构成的一个一匝的线圈水平截面图；

图6是本发明导磁部分采用分段结构的电磁线构成的一个一匝的线圈水平截 面图；

图7是本发明的单根矩形导磁电磁线的横截面示意图；

图8是本发明的多根矩形导磁电磁线的横截面示意图；

图9是本发明的多层多根矩形导磁电磁线构成线棒的横截面示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示，现有无槽永磁电机包括定子机座1、定子铁芯2、定子绕 组3、永磁体7、转子铁芯6、转子轴4和轴承5；其中，定子机座1可采用常规 电机的安装方式固定；定子铁芯2是电机磁路的一部分；定子绕组3为铜绕组， 一般为三相绕组。在定子机座1内固定设置有定子铁芯2，定子铁芯2内圆布置有 定子绕组3。转子轴4通过轴承5固定设置在定子机座1内，转子铁芯6固定设置 在转子轴4上，转子铁芯6上布置有永磁体7，永磁体7充磁方向为径向，永磁体 7的极性沿圆周向交替布置，转子轴4能够带动转子铁芯6和永磁体7绕轴心旋转。

电机内部永磁体7产生的磁场由永磁体7的N极出发，经过定子与转子之间 的气隙、定子绕组3，再沿圆周方向经过定子铁芯2，再经过定子绕组3、定转子 之间的气隙，最后回到转子永磁体7的S极。由于定子绕组3为铜绕组，铜的磁 导率与空气相同，磁导率很低，而且铜绕组一般较厚，所以采用无槽绕组的电机， 永磁体7产生的磁通遇到的磁阻大，相同磁动势产生的磁通较小。为了提高电机 的磁通，需要用更多的永磁体7，增加了电机永磁体的用量，使电机造价提高。

本发明提出一种导磁电磁线，替代现有的仅导电的铜电磁线。下面结合附图 和实施例对本发明进行详细的描述。

实施例一：如图3、图4所示，导磁电磁线包括由外到内依次设置的第一绝缘 层8、导电层9和导磁层10。第一绝缘层8截面与普通导线中的绝缘层截面类似 均为环型结构；导电层9采用铜质材料制成，位于第一绝缘层8内，导电层9截 面也采用环形结构，具有一定的截面积通过电流；导磁层10位于导电层9内，采 用柱状结构，具有一定的面积用于通过磁通。第一绝缘层8的厚度由绝缘材料的 性能和和应用电压等级的不同进行选择。当导磁电磁线中通过的电流时，电流方 向垂直于纸面(如图3所示，在图4中为上下方向)，导磁电磁线中的磁场方向为 上下方向，如磁力线11所示，磁力线11由上穿过第一绝缘层8和导电层9，进入 导磁层10；再由导磁层10出发，经过导电层9和第一绝缘层8，由下穿出；实 际上磁力线11的方向与导电方向垂直。由此可见，由于导磁电磁线中引入了导磁 材料，在垂直于电磁线的方向上导磁材料占据了一部分长度，因此垂直于电磁线 方向的磁阻大大减小，用于无槽电机中可以减小等效的气隙，增强磁场。

上述实施例中，导磁层10的直径与导电层9的厚度可以根据需要进行调整， 导磁层10在整个导磁电磁线中的比例决定了导磁电磁线的导磁能力。

上述各实施例中，导电层9可以采用一体式结构，也可以采用由多根或多股 极细的导电线编织在导磁层10外，形成导电层。

上述各实施例中，导电层9可以采用圆形环状结构、矩形环状结构或不规则 环状结构；导磁层10形状与导电层9形状匹配设置，可以采用圆柱状、矩形柱状 或不规则形柱状结构。

实施例二：如图5所示，该实施例中的导磁电磁线结构与实施例一种的导磁 电磁线结构类似，也包括第一绝缘层8、导电层9和导磁层10，不同之处在于， 本实施例中的电磁导磁线还包括第二绝缘层12。导电层9和导磁层10均采用矩形 结构，导电层9外部包裹有第一绝缘层8后，与导磁层10横向并列设置。在包裹 有第一绝缘层8的导电层9和导磁层10外部包裹有第二绝缘层12，作为整体的导 磁电磁线。第一绝缘层8也可以省去，即导电层9与导磁层10横向并列设置后， 外部包裹有第二绝缘层12。

上述实施例中，如图6所述，导磁电磁线为扁线结构，该结构的导磁电磁线 由多个电磁线单元和第二绝缘层12构成，各电磁线单元沿横向并列设置后，在所 有电磁线单元外部包裹有第二绝缘层12。其中，每一电磁线单元均由第一绝缘层 8、导电层9和导磁层10构成，导电层9外部包裹有第一绝缘层8后，与导磁层 10并列设置。该导磁电磁线中的导电层9与导磁层10为交错设置。该结构的导磁 电磁线可以形成大型电机用的矩形导线。

上述各实施例中，如图7所示，导磁电磁线为线棒结构，该结构的导磁电磁 线由多个扁线结构的导磁电磁线和第三绝缘层13构成，各扁线结构的导磁电磁线 沿纵向叠放，且导磁层10应在垂直方向对齐，以构成磁阻小的通道，便于磁力线 通过；在叠放好后的所有扁线结构的导磁电磁线外包裹有第三绝缘层13。该结构 导磁电磁线可以用作大型电机绕组。

如图7所示，箭头所示的磁力线14由垂直方向经过各电磁线单元的导磁层10， 整个磁路的磁阻小。由多个电磁线单元构成的线棒结构导磁电磁线即可用于绕制 无槽绕组电机。

上述各实施例中，导电层9和导磁层10的宽度和高度可以根据需要设置；扁 线结构的导磁电磁线中进行组合的电磁线单元数量也可以根据需要设置；线棒结 构的导磁电磁线中进行组合的层数和列数也可以任意设置。

上述各实施例中，导磁层10和导电层9也都可以采用多根或多股极细的导磁 丝和导电丝进行编织制成，保证导磁材料的比例，达到相应的导磁能力即可。

上述各实施例中，定子绕组3采用导磁电磁线制成，以实施例一为例，如图8 所示，其每匝线圈均由第一线圈边15、第二线圈边16、第一端部导线17和第二 端部导线18构成；其中，第一、第二只是为了区分部件，并不代表重要程度和安 装顺序。第一线圈边15与第二线圈边16的一端通过第一端部导线17连接，另一 端通过第二端部导线18连接。第一线圈边15和第二线圈边16均采用导磁电磁线。 由于线圈端部不在电机的磁场中，不需要通过磁场，因此可以采用普通电磁线结 构；但是，若要为了增大线圈端部漏感，第一端部导线17和第二端部导线18也 可以采用导磁电磁线。

上述实施例中，如图9所示，第一线圈边15和第二线圈边16中导磁电磁线 的导磁层10采用分段式结构，在整个导磁电磁线长度方向上每段导磁层10都不 连通，各段导磁层10的长度可以根据需要进行设置。若导磁层10具有较小的电 阻率，该导磁层10还能够帮助导电，减小线圈的电阻。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都 是可以有所变化的，本发明的实施例是以永磁电机为例进行说明，但是本发明的 导磁电磁线也可以应用于其他类型的电机中，例如无槽异步电机、无槽电励磁同 步电机、无槽直流电机等。因此，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原 理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。