具有多阶谐波抵消功能的定子铁心、加工系统、加工工艺及轴向磁通电机

本发明涉及定子铁心，尤其涉及具有多阶谐波抵消功能的定子铁心、加工系统、加工工艺及轴向磁通电机。

背景技术：

1、轴向磁通永磁电机具备轴向尺寸短、功率密度高、转矩密度突出、结构紧凑等优势，在新能源车辆、工业伺服、航空航天、风力发电等狭小安装空间场景得到广泛应用。但该类电机气隙磁导沿周向分布不均匀，永磁磁场与定子齿槽结构耦合会产生显著的齿槽转矩与转矩脉动，诱发电机振动与电磁噪声，降低低速运行控制精度，制约其在精密传动领域的应用。

2、目前，在定子齿顶开设辅助槽是削弱齿槽转矩、优化气隙磁场谐波的主流低成本方案，行业内已开展大量理论与仿真研究。但现有技术存在两大核心缺陷：

3、其一，现有研究与应用均采用齿顶直槽结构，直槽仅能针对单一特定阶次的气隙磁导谐波产生抵消效果，谐波抑制带宽窄，齿槽转矩削弱幅度存在理论上限，无法同步抵消多阶有害谐波，转矩脉动抑制效果受限。

4、其二，现有齿顶槽方案均适配分片叠压定子铁心，仅能在单张冲片上预先冲压齿顶直槽；而轴向磁通电机主流量产方案为连续硅钢带平面螺旋卷绕成型定子，若沿用现有技术路线落地卷绕铁心，存在多重工程缺陷：一是卷绕成型后需二次铣削或激光开槽，齿顶空间狭窄导致加工精度难以保障，且易造成硅钢片分层、毛刺、热损伤，批量产品一致性差；二是生产工序多、产线节拍长，加工废料增加物料成本；三是二次开槽会切断齿顶连续硅钢层，造成局部应力集中，高速工况下齿部易变形分层，降低定子使用寿命与电磁性能稳定性。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供具有多阶谐波抵消功能的定子铁心、加工系统、加工工艺及轴向磁通电机，解决上述技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了具有多阶谐波抵消功能的定子铁心，为由金属带材冲压后沿平面螺旋线连续卷绕、各层紧密贴合固化形成盘状层叠结构，金属带材具有沿长度方向延伸的第一侧与第二侧，第一侧沿长度方向间隔设置多个绕组安置槽，相邻绕组安置槽之间构成定子齿，定子齿的齿顶中间位置一体冲压有至少一条齿顶槽，齿顶槽与对应绕组安置槽的周向间距恒定；金属带材卷绕成型后，同一齿顶槽沿定子径向形成连续周向偏移的倾斜结构，构成齿顶斜槽，通过径向连续相位梯度实现多阶气隙谐波同步抵消。

3、优选的，齿顶斜槽沿定子径向形成连续平滑的周向相位偏移梯度，对应齿顶斜槽转矩阶气隙磁导谐波的斜槽衰减因子满足：

4、；

5、；

6、；

7、；

8、式中，表示沿电机旋转方向变化的角度，,分别为齿顶槽的槽宽和槽深对转矩影响的加权系数，为永磁体充磁方向长度沿圆周方向的分布函数，为电机初始角度位置，为电机有效气隙长度，为定子铁心总槽数，为定子槽数和电机极数的最小公倍数，为齿顶槽槽口宽度，为齿顶等效宽度，为齿顶槽槽深，为定子齿高度；为无斜槽时，次气隙磁导谐波傅里叶分解幅值；为齿顶槽槽宽主导的次谐波衰减积分函数；为齿顶槽槽深、定子齿高主导的次谐波衰减积分函数；为气隙齿槽转矩谐波阶次；

9、齿顶斜槽通过径向连续相位偏移梯度，使不同径向位置产生的同阶次谐波相位错位叠加抵消，同步衰减低阶和高阶齿槽谐波。

10、优选的，齿顶槽的中心线至对应绕组安置槽中心线的距离为，且满足取值范围：；

11、齿顶槽槽口宽度满足取值范围：；

12、齿顶槽槽深满足取值范围：；

13、其中，为层叠结构中任意一层的卷绕半径，为绕组安置槽槽口宽度，为定子铁心轴向长度；

14、金属带材卷绕成型后，齿顶斜槽的倾斜角度为。

15、优选的，金属带材为电机硅钢带，卷绕后金属带材第一侧构成带定子齿的环形盘面，第二侧构成连接所有定子齿的环形定子轭；各层金属带材通过压紧、焊接、铆接、粘接、浸漆固化中的一种或多种方式固定为整体结构；

16、绕组安置槽和齿顶槽的槽型为矩形槽、梯形槽、v形槽、u形槽、圆弧槽、倒角槽、台阶槽、复合槽中的任意一种或多种组合；

17、齿顶槽为单槽结构、多槽并列结构或分段槽结构，多槽结构沿齿宽方向对称或非对称布置。

18、优选的，定子铁心沿径向划分为至少两个连续区段；

19、针对任意径向区段的卷绕半径，齿顶槽的中心距、槽口宽度、槽深满足如下径向适配设计公式：

20、齿顶槽中心距设计公式：；

21、齿顶槽口宽度设计公式：；

22、齿顶槽深设计公式：；

23、其中，为绕半径为的径向层对应的齿顶槽中心线与绕组安置槽中心线的间距，为卷绕半径为的径向层对应的齿顶槽槽口宽度，为卷绕半径为的径向层对应的齿顶槽槽深，为极数修正系数，为气隙长度修正系数，为永磁体厚度修正系数，为齿宽适配系数，为额定气隙磁密，为目标工作点磁密，为基准槽深初始值，为定子铁心外径，为定子齿宽修正系数，为定子轭部厚度修正系数,为定子卷绕径向分段区段等效半径；

24、齿顶槽的中心距、槽口宽度、槽深根据电机极数、槽数、气隙长度、永磁体厚度、齿宽、轭部厚度和目标工作点完成全域参数化优化，适配不同径向位置高低阶谐波分布差异，实现多阶谐波全域协同抵消。

25、用于加工具有多阶谐波抵消功能的定子铁心的加工系统，包括冲压机构和卷绕机构，冲压机构配置有冲头和冲模，冲头下端刃口轮廓与绕组安置槽、齿顶槽的成型轮廓匹配，单次冲压同步完成绕组安置槽与齿顶槽的一体成型。

26、优选的，冲头为分体拼接组合结构，包括冲压绕组安置槽的第一子冲头及冲压齿顶槽的第二子冲头；

27、冲头刃口沿轴向设置倒锥结构，倒锥角为1°；

28、冲头经热处理淬火后洛氏硬度为hrc58-62，冲头尾部设置有与冲压机的夹板配合的挂台定位结构。

29、优选的，本发明还包括卷绕控制单元，卷绕控制单元分别与冲压机构和卷绕机构电性连接，卷绕控制单元包括位移传感器、角度编码器和控制模块；位移传感器实时采集金属带材送进位移，角度编码器实时采集卷绕主轴转角，控制模块用于基于实时卷绕半径动态调整冲压间距，保证卷绕后各层定子齿周向对齐、齿顶斜槽倾斜角度均匀一致；

30、其中，冲压间距调整公式如下：

31、；

32、其中，

33、；

34、式中，为当前卷绕半径对应的目标冲压间距，为第层钢带对应的当前实时卷绕半径，为定子铁心初始内径，为绕圈圈数，为金属带材单层厚度。

35、具有多阶谐波抵消功能的定子铁心的加工工艺，包括以下步骤：

36、s1、基材准备：提供预设宽度的金属带材；其中，金属带材沿长度方向分为对应定子齿轴向高度的第一侧与对应定子轭轴向高度的第二侧；

37、s2、一体冲压成型：采用冲头在金属带材第一侧同步冲压绕组安置槽和齿顶槽，相邻绕组安置槽之间形成定子齿，齿顶槽与对应绕组安置槽的间距保持恒定；

38、s3、平面螺旋卷绕：将冲压后的金属带材沿平面螺旋线卷绕为盘状结构，平直带材的直线尺寸转化为圆周弧长，固定间距的齿顶槽随卷绕半径变化形成沿径向连续倾斜的齿顶斜槽；

39、s4、层叠固化：将卷绕后的盘状结构固定处理，使各层金属带材紧密贴合形成整体定子铁心；

40、其中，步骤s3具体包括如下步骤：

41、s31、初始化：设定定子铁心初始内径、外径、定子铁心总槽数、金属带材单层厚度，初始卷绕半径，初始目标冲压间距，送进位移清零；

42、s32、实时监测更新：驱动金属带材前进，实时采集送进位移和卷绕主轴转角，计算当前卷绕半径并同步更新目标冲压间距；

43、s33、冲压触发：当送进位移达到当前目标冲压间距时，触发冲头完成一次冲压，送进位移清零；

44、s34、循环加工：重复步骤s32-s33，直至卷绕半径达到外径，完成所有齿槽冲压。

45、轴向磁通电机，包括具有多阶谐波抵消功能的定子铁心和带永磁体的转子组件，其中，转子组件的永磁体为平板状结构，永磁体与定子齿顶斜槽配合形成非线性气隙，同步抑制多阶齿槽谐波与转矩脉动。

46、因此，本发明采用上述具有多阶谐波抵消功能的定子铁心、加工系统、加工工艺及轴向磁通电机，具有的有益效果为：

47、1、多阶谐波同步抵消，电磁性能大幅提升：本发明通过卷绕自动成型的齿顶斜槽，沿定子径向形成连续的周向相位梯度，等效将单齿沿径向拆分为无数微分段，不同分段产生的同阶谐波相位错位相互抵消，同时覆盖低阶与高阶多类气隙谐波，突破传统齿顶直槽仅能单阶谐波抵消、抑制带宽窄的技术瓶颈。经仿真验证，同等工况下本方案转矩脉动较无槽方案降低约46.3%，且电机效率无衰减，低速运行平稳性与噪声表现显著优化。同时支持径向分区差异化槽参数设计，可针对内外径磁场特性精准优化，实现全局谐波抑制效果最大化；

48、2、一体冲压成型，量产一致性与加工效率显著提升：本发明采用冲头单次冲压同步完成绕组安置槽与齿顶槽的成型，完全摒弃传统卷绕定子二次开槽工艺，从根源上杜绝硅钢分层、毛刺、热损伤等加工缺陷。配合变间距冲压控制策略，可随卷绕半径动态调整冲压间距，卷绕后所有定子齿与齿顶斜槽自动周向精准对齐，无需后续定位校正，大幅提升批量产品的尺寸一致性与良品率，缩短产线节拍，适配规模化工业量产；

49、3、结构完整可靠，机械性能优异：定子齿与齿顶槽为一体式冲压结构，无二次开槽造成的硅钢带切断与结构损伤，齿部结构连续完整，无局部应力集中点，高速工况下不易变形分层，定子铁心机械强度与使用寿命显著提升，同时避免了分体式齿鞋长期振动松动的风险；

50、4、实现成本低，磁场优化灵活度高：本方案无需采用异形永磁体、分体齿鞋等高价部件，仅通过齿顶槽拓扑优化即可实现谐波抑制，制造成本显著低于现有方案。同时可通过调整槽型、槽宽、槽深、偏移距等参数，独立或协同优化气隙磁密波形，针对性抑制特定阶次谐波，适配不同极槽配合与性能需求。

51、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。