磁悬浮磁通切换电机的定子结构的制作方法

1.本发明涉及电气和机械传动技术，具体公开磁悬浮磁通切换电机的定子结构，属于发电、变电或配电的技术领域。


背景技术：

2.现阶段，磁通切换电机因其高功率密度、高效、高可靠、永磁体冷却条件好等优势，在工业驱动、无绳电梯曳引、潮汐与风力发电等领域中得到了非常广泛的研究与应用。近年来，随着高速电机技术的发展，高速电机产品种类逐渐丰富，采用磁悬浮轴承的磁通切换电机可以很大程度改善或克服传统转子永磁型电机所面临的损耗、散热和应力等问题，显现出巨大的结构优势和应用潜力。
3.国内外围绕无轴承磁通切换电机、磁悬浮轴承磁通切换电机等展开了技术创新和产品开发。针对无轴承磁通切换电机，国际期刊sci期刊《ieee transactions on industrial electronics》于2017年8月发表了《design and analysis of a novel bearingless flux-switching permanent magnet motor》（6127-6136），该论文设计了一种无轴承磁通切换电机，通过在电机定子槽内布置转矩绕组和悬浮力绕组，可以实现无轴承悬浮旋转。然而，该方案中同一槽内布置有两套绕组，转矩输出能力势必会降低，同时两套绕组之间也会存在非常严重的电磁场、温度场耦合问题，可靠性较低。针对磁悬浮轴承磁通切换电机，公开号为cn113323963a的中国发明专利公开了一种具有磁极旁路的定子永磁电机磁轴承及其偏置力调节方法，该专利设计了包含永磁体伸出定子段、径向导磁桥、周向导磁桥、聚磁靴等在内的磁极旁路，实现定子永磁型电机中永磁体磁场能量多路径、可控磁场强度的分配；设计了偏置磁路中偏置力调节结构，最大程度利用电机绕组端部空间，降低了磁悬浮轴承电机系统的轴向长度。公开号为cn113285558a的中国发明专利公开了一种偏置磁场可调的力平衡型定子永磁电机磁轴承，其中，电磁极由通入电磁极绕组线圈中的电流调节，永磁偏置磁通和电磁极磁通共同的路径仅为磁轴承转子，调节轴向磁轴承调磁件的磁导率以及嵌入导磁段的体积、改变推力盘与前侧永磁磁极、后侧永磁磁极的相对距离，利于磁轴承的控制，实现了结构紧凑、偏置磁场可调的目的。这两种技术方案都可以实现“磁悬浮轴承 永磁电机系统”高紧凑、高集成度的目标，是磁悬浮轴承和磁通切换电机一体化的重要尝试。
4.另一方面，电机定子可靠热管理与高效散热方案设计一直是本领域技术人员研究的热点问题，现有技术报道了包括：定子冷却回路、喷油冷却、冷媒或热管冷却等多种实用的散热技术。然而，定子冷却回路散热技术通常无法冷却定子绕组端部，会导致绕组端部为高温区；喷油冷却散热技术需要设计复杂的喷油嘴和循环回路；冷媒或热管冷却的散热技术在冷媒压缩机电机中较为常见，冷媒需要专门的回收循环装置，采用热管时冷端和热端需要科学设计和布置，冷却效果与电机的空间摆放位置、重力分布有关，另外冷端所占用的空间也较大。
5.为了提高定子绕组端部的散热性，现有技术主要包括两种方式：第一种方式是使
冷空气尽可能地与发电机所有发热部分相接触的强迫风冷的方式，此方式需要复杂的风扇结构及风路设计；第二种方式为在定子开设径向通风孔、洞、道，这意味着电机定子铁芯的结构必然受到破坏，影响电机的电磁性能，冷却方式为常规的强迫风冷或者管道内液体冷却，电机加工成本、复杂性的进一步提高，结构的不可靠性增加，不利于实际的产业化。
6.综上所述，设计一种高集成、高效散热型磁悬浮磁通切换电机定子结构，以提升磁悬浮轴承和磁通切换电机的集成水平，提高定子散热能力，为其它类型电机的高集成、高效散热设计提供有价值的参考，对于实现磁悬浮磁通切换电机的产业化应用具有重要的理论和现实意义。


技术实现要素：

7.本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供磁悬浮磁通切换电机的定子结构，实现提高磁悬浮轴承和磁通切换电机之间的集成度的同时提升定子绕组端部散热能力的发明目的，使电机具有更高的功率/转矩密度，解决增加散热结构的定子绕组端部散热设计不利于磁悬浮磁通切换电机定子的模块化设计以及改变定子自身结构的定子绕组端部散热设计影响磁悬浮磁通切换电机电磁性能的技术问题。
8.本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：一种高集成、高效散热型磁悬浮磁通切换电机定子结构，包括电机外壳和定子，电机外壳热套于定子外侧；电机外壳中，设置有冷却水道；定子为模块化结构，模块化定子由前侧绕组端部散热模块、后侧绕组端部散热模块、模块化定子左翼、模块化定子永磁体、模块化定子右翼、绝缘层、定子绕组；模块化定子左翼、模块化定子永磁体、模块化定子右翼组成模块化铁芯结构；前侧绕组端部散热模块轴向前侧与定子绕组端部的圆弧段紧密接触，前侧绕组端部散热模块轴向后侧与模块化定子铁芯的轴向前侧紧密接触，后侧绕组端部散热模块的轴向前侧与模块化定子铁芯紧密接触，后侧套组端部散热模块的轴向后侧与定子绕组端部的圆弧段紧密接触，前侧绕组端部散热模块和后侧绕组端部散热模块为中空结构，且设置有冷却介质入口和出口，中空腔体内部设置有冷却介质通道；前后侧绕组端部散热模块与模块化定子铁芯紧密接触后形成定子齿，定子绕组绕制在定子齿上，定子绕组端部与前侧绕组端部散热模块轴向前侧之间设置有绝缘层，定子绕组端部与后侧绕组端部散热模块轴向后侧之间设置有绝缘层。
9.优选地，模块化定子还包括：前侧导磁柱左翼、前侧导磁柱间永磁体、前侧导磁柱右翼构成的前侧磁极旁路的径向导磁桥，以及后侧导磁柱右翼、后侧导磁柱间永磁体、后侧导磁柱左翼构成的后侧磁极旁路的径向导磁桥，此时，前侧绕组端部散热模块的轴向后侧留有嵌入前侧磁极旁路径向导磁桥的槽体，后侧绕组端部散热模块的轴向前侧留有嵌入后侧磁极旁路导磁桥的槽体。
10.优选地，模块化定子用于具有转矩绕组和悬浮力绕组的无轴承磁通切换电机时，前后侧绕组端部散热模块的长度根据两套定子绕组的匝数电机尺寸、绕组硬度、弯曲半径、散热需求确定，两套绕组均紧密绕制在定子齿上，前侧绕组端部散热模块的轴向前侧与每套定子绕组之间设置有绝缘层，后侧绕组端部散热模块的轴向后侧与每套定子绕组之间设置有绝缘层。
11.优选地，模块化定子永磁体和前侧导磁柱间永磁体、后侧导磁柱间永磁体为一整
块永磁体，提升整体性和集成度，也可根据需要沿着轴向合理设置分段数，以利于加工且减小涡流损耗。
12.优选地，模块化定子左翼和模块化定子右翼呈现“l”形，位于模块化定子永磁体的两侧，形成稳固“三明治”结构，利于绕线操作。
13.优选地，模块化定子左翼的一侧有“凹槽”，模块化定子右翼的一侧有“凸起”，当所有的模块化定子沿着圆周形成一个完整的定子时，“凸起”嵌入“凹陷”，可提升定子的整体性和稳固性。
14.优选地，后侧磁极旁路中的径向导磁桥与前侧磁极旁路中的径向导磁桥结构一致。
15.优选地，前侧磁极旁路和后侧磁极旁路的一侧与模块化铁芯结构的一侧紧密接触，前侧磁极旁路和后侧磁极旁路的另一侧嵌入前侧绕组端部散热模块和后侧绕组端部散热模块预留的槽体后分别与前侧绕组端部散热模块和后侧绕组端部散热模块相接触。
16.优选地，定子绕组为集中式绕组，定子绕组与模块化定子之间设置有绝缘层。
17.优选地，前侧绕组端部散热模块的轴向后侧和后侧绕组端部散热模块的轴向前侧平整，前侧绕组端部散热模块的轴向前侧和后侧绕组端部散热模块的轴向后侧为光滑圆弧曲面，光滑圆弧曲面的直径、弧长可根据需要进行优化设计，优选光滑圆弧曲面线为椭圆，椭圆长轴与定子齿宽相等，短轴根据需要优化设计。
18.优选地，前侧绕组端部散热模块和后侧绕组端部散热模块也可以做成无冷却介质通道的实心结构，但仍保留与绕组端部接触的光滑圆弧曲面以及与模块化定子铁芯接触的平整面。
19.本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：（1）本技术提出了一种集成有绕组端部散热模块的定子结构，端部散热模块具有与绕组端部紧密接触的光滑圆弧曲面以及与定子铁芯紧密接触的平面，且绕组端部散热模块内部设置有冷却回路，集中式绕组可以紧密缠绕在模块化定子铁芯上，确保良好的热接触，采用此种定子结构的磁悬浮磁通切换电机，方便加工和装配，同时能保证较高的定子槽满率，在不设计复杂强迫风冷却回路以及不破坏原有定子结构的前提下，提高磁悬浮轴承和磁通切换电机之间的集成度以及定子绕组端部散热能力。
20.（2）将本发明用于包含前后导磁回路径向导磁桥的磁悬浮磁通切换电机时，绕组端部模块留有与径向导磁桥紧密接触的槽体，柱间永磁体和模块化定子永磁体为整体结构，进一步提高此类磁悬浮磁通切换电机的集成度。
21.（3）本发明提出的定子结构也可实施于无轴承磁通切换电机中，具有高集成、高效散热的优点，在提高定子绕组端部散热性能的同时提高转矩输出能力和悬浮力，为高速、高功率密度的磁悬浮磁通切换电机的工业应用提供有力的技术支撑。
附图说明
22.图1为本发明具体实施例1提供的一种高集成、高效散热型磁悬浮磁通切换电机的定子的（包含电机外壳）结构图。
23.图2为本发明具体实施例1提供的一种高集成、高效散热型磁悬浮磁通切换电机的定子的（隐去电机外壳）结构图。
24.图3为本发明具体实施例1提供的一种高集成、高效散热型磁悬浮磁通切换电机的定子结构（隐去电机外壳）的轴向正视图。
25.图4为本发明具体实施例1中模块化定子的结构图。
26.图5为本发明具体实施例1中模块化定子结构的爆炸视图。
27.图6为本发明具体实施例1中前侧磁极旁路中的径向导磁桥嵌入前侧绕组端部散热模块的结构图。
28.图7为本发明具体实施例1中前侧磁极旁路中的径向导磁桥与前侧绕组端部散热模块的展开结构图。
29.图8为本发明具体实施例1中前侧绕组端部散热模块的结构图。
30.图9为本发明中图8所示前侧绕组端部散热模块的a-a剖视图。
31.图10图8所示前侧绕组端部散热模块的b-b剖视图。
32.图11本发明具体实施例2提供的无轴承磁通切换电机的定子（包含电机外壳）的结构图。
33.图12为本发明具体实施例2提供的无轴承磁通切换电机的定子（隐去电机外壳）的结构图。
34.图13为本发明具体实施例2提供的无轴承磁通切换电机的定子结构（隐去电机外壳）轴向正视图。
35.图14为本发明具体实施例2提供的无轴承磁通切换电机的模块化定子的结构图。
36.图15为本发明具体实施例2提供的无轴承磁通切换电机的模块化定子结构的爆炸视图。
37.附图标号说明：1、电机外壳；2、定子；3、前侧绕组端部散热模块；4、后侧绕组端部散热模块；201、模块化定子左翼；202、模块化定子永磁体；203、模块化定子右翼；204、前侧导磁柱左翼；205、前侧导磁柱间永磁体；206、前侧导磁柱右翼；207、绝缘层；208、定子绕组；209、后侧导磁柱右翼；2010、后侧导磁柱间永磁体；2011、后侧导磁柱左翼；s1、凹槽；s2、凸起；301、前侧绕组端部散热模块冷却介质出口；302、前侧绕组端部散热模块冷却介质入口；5、冷却介质流动方向；6、转矩绕组；7、悬浮力绕组；8、转矩绕组绝缘层；9、悬浮力绕组绝缘层。
具体实施方式
38.下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
39.具体实施例1：集成有绕组端部散热模块及径向导磁桥的磁悬浮磁通切换电机定子结构如图1、图2和图3所示，为本实施例提供一种高集成、高效散热型磁悬浮磁通切换电机定子结构，包括电机外壳1和定子2。电机外壳1通常热套于定子2的外侧，其轴向长度一般长于定子2的轴向长度。在电机外壳1中，通常会根据冷却需要设置有轴向或径向螺旋型、折返型等水道，水道可以采用现有技术，本领域技术人员也可以根据外壳实际的结构、尺寸，根据流体动力学、流体固体耦合原理，设计冷却效果较优的水道型式。
40.定子为模块化结构，益于定子的加工和装配，同时保证较高的定子槽满率，减小绕组端部长度。图4和图5为本发明中模块化定子的结构图，模块化定子由前侧绕组端部散热
模块3、后侧绕组端部散热模块4、模块化定子左翼201、模块化定子永磁体202、模块化定子右翼203、前侧导磁柱左翼204、前侧导磁柱间永磁体205、前侧导磁柱右翼206、绝缘层207、定子绕组208、后侧导磁柱右翼209、后侧导磁柱间永磁体2010、后侧导磁柱左翼2011组成。
41.如图4、图5所示，模块化定子永磁体202和前侧导磁柱间永磁体205、后侧导磁柱间永磁体2010可以为一整块永磁体，也可根据需要沿着轴向合理设置分段数，以利于加工且减小涡流损耗。
42.如图4、图5所示，模块化定子左翼201和模块化定子右翼203呈现“l”形，位于模块化定子永磁体202的两侧，形成稳固“三明治”结构，利于绕线操作。
43.如图4、图5所示，模块化定子左翼201的一侧有“凹槽”s1，模块化定子右翼203的一侧有“凸起”s2，当所有的模块化定子沿着圆周形成一个完整的定子2时，“凸起s2”嵌入“凹槽s1”，可提升定子2的整体性和稳固性。
44.如图4、图5所示，前侧导磁柱左翼204、前侧导磁柱间永磁体205和前侧导磁柱右翼206构成前侧磁极旁路中的径向导磁桥；同样，后侧导磁柱右翼209、后侧导磁柱间永磁体2010和后侧导磁柱左翼2011构成后侧磁极旁路中的径向导磁桥。
45.径向导磁桥、前侧磁极旁路、后侧磁极旁路的基本结构和所要实现的功能与公开号为cn113323963a以及公开号为cn113285558a的专利所提到的导磁桥、磁极旁路一致，即将前侧导磁柱间永磁体和后侧导磁柱间永磁体的永磁能量引入磁悬浮轴承，为永磁偏置式磁悬浮轴承提供偏置磁场。申请人在上述公开专利中已详细给出了基于磁极旁路的磁悬浮轴承结构、设计方法以及磁场调节方法，在具体实施例中也给出了具体实施过程。本发明的新颖性和创造性在于将绕组端部散热模块集成为磁悬浮磁通切换电机定子结构的一部分，已公开的导磁桥、磁极旁路仅仅是磁悬浮磁通切换电机定子结构的一个部件，因此本发明将不再赘述除磁极旁路之外的磁悬浮轴承聚磁靴、短路楔、转子等结构，而重点聚焦和描述本发明的典型特征与创造性结构。
46.参见图4、图5从轴向看，前侧磁极旁路中径向导磁桥的一侧与“三明治”结构轴向前端的t型截面紧密接触，前侧磁极旁路中径向导磁桥的另一侧嵌入前侧绕组端部散热模块3预留的槽体内，后侧磁极旁路中径向导磁桥的一侧与“三明治”结构轴向后端的t型截面紧密接触，后侧磁极旁路中径向导磁桥的另一侧嵌入后侧绕组端部散热模块4预留的槽体内。
47.如图4、图5所示，定子绕组208为集中式绕组，由于采用了模块化定子的结构，当前侧绕组端部散热模块3、后侧绕组端部散热模块4、模块化定子左翼201、模块化定子永磁体202、模块化定子右翼203、前侧导磁柱左翼204、前侧导磁柱间永磁体205、前侧导磁柱右翼206、后侧导磁柱右翼209、后侧导磁柱间永磁体2010、后侧导磁柱左翼2011构成一个整体时，定子绕组208可以一圈一圈的紧密缠绕在模块化定子上，为了保证可靠的绝缘，在定子绕组208与模块化定子的齿之间设置有绝缘层207。
48.定子绕组在模块化定子槽内的一段通常为直线，前后两端部通常为圆弧，受到最小弯曲半径的影响，常规的定子绕组的前后两个端部与模块化定子的端面存在较大的缝隙，这也就导致定子绕组端部的热量很难通过模块化定子的金属部分传递，即绕组端部通常为电机的热点区域。
49.由电机学和传热学基本原理可知，当定子绕组紧密缠绕在模块化定子上时，定子
绕组的等效长度最小，即电阻最小，有利于减少电机绕组铜耗、减少发热；同时，紧密缠绕会使定子绕组与模块化定子之间的间隙减小，更有益于热量的传递。因此，图4、图5所示定子结构具有降低绕组铜耗、提升传热效率的优点。
50.如图6、图7和图8所示，前侧绕组端部散热模块3的轴向后侧具有嵌入径向导磁桥的槽体，前侧导磁柱左翼204、前侧导磁柱间永磁体205、前侧导磁柱右翼206组成的前侧磁极旁路的径向导磁桥嵌入该槽体后与前侧绕组端部散热模块紧密接触，前侧绕组端部散热模块3的轴向前侧为光滑圆弧曲面，光滑圆弧曲面的直径、弧长可根据需要进行优化设计，优选光滑圆弧曲面线为椭圆，椭圆长轴与定子齿宽相等，短轴根据需要优化设计，定子绕组208与前侧绕组端部散热模块3的光滑圆弧曲面之间设置有绝缘层207。显然在绕制定子绕组208时，更容易满足导线最小弯曲半径的要求，同时使定子绕组208的圆弧段与前侧绕组端部散热模块3的光滑圆弧曲面更容易实现良好的热接触。
51.后侧绕组端部散热模块与前侧绕组端部散热模块的结构一致。虽然后侧绕组端部散热模块与前侧绕组端部散热模块结构的引入，使得定子绕组的长度可能会增加，但能够消除电机定子绕组端部的热点区域，因此仍然具有重要的应用价值。
52.以前侧绕组端部散热模块为例，图8、图9和图10为前侧绕组端部散热模块3及a-a剖视图、b-b剖视图，结合剖面a-a和b-b，可以看出前侧绕组端部散热模块3为中空结构，对称设置有前侧绕组端部散热模块冷却介质出口301和前侧绕组端部散热模块冷却介质入口302，冷却介质由前侧绕组端部散热模块冷却介质入口302以一定的速度或流量流入，通过中空的腔体经前侧绕组端部散热模块冷却介质出口301流出，图9冷却介质流动方向5显示了冷却介质的流动轨迹。冷却介质可以采用水、乙二醇、冷却油等。
53.对于所有的前侧绕组端部散热模块，可以将将所有的前侧绕组端部散热模块冷却介质出口并联起来，将所有的前侧绕组端部散热模块冷却介质入口并联起来，形成整体的冷却回路，使冷却介质在前侧绕组端部散热模块中的腔体内流通。后侧绕组端部散热模块的冷却回路与前侧绕组端部散热模块的冷却回路相同，事实上是形成了冷却介质的流通回路，因此定子绕组的两个端部所产生的热量可以被冷却介质及时带走，提高电机定子的散热能力。
54.前侧绕组端部散热模块和后侧绕组端部散热模块的冷却回路可以是单独的冷却回路，也可以将两组冷却回路并联或串联，或与电机外壳中的冷却回路组合成为一个冷却系统，本领域技术人员可以根据实际结构、尺寸和冷却需要设计合适的流速和流量，以实现最佳的冷却效果。
55.具体实施例2：集成有绕组端部散热模块及两套绕组的磁悬浮磁通切换电机定子结构如图11、图12和图13所示，为本实施例提供的无轴承磁通切换电机的定子结构，无轴承磁通切换电机中将不再设置具体实施例1中的前侧磁极旁路和后侧磁极旁路，因此模块化定子的两端将只设置前侧绕组端部散热模块3和后侧绕组端部散热模块4，同时将具体实施例1中的定子绕组208替换为两套绕组，即转矩绕组6和悬浮力绕组7。
56.具体实施例2与具体实施例1中的前侧绕组端部散热模块3和后侧绕组端部散热模块4结构、冷却介质通道均保持一致，唯一的区别在于体积和尺寸不同，本领域技术人员可以根据电机尺寸合理优化所述体积和尺寸。
57.图14和图15中，存在两套绕组-转矩绕组6和悬浮力绕组7，转矩绕组6产生无轴承磁通切换电机运行时的电磁转矩，悬浮力绕组则产生无轴承磁通切换电机运行时所需的悬浮力，在转矩绕组6和悬浮力绕组7的内侧，分别设置有转矩绕组绝缘层8和悬浮力绕组绝缘层9，转矩绕组绝缘层8和悬浮力绕组绝缘层9可以为单独的结构，也可以为如具体实例1中绝缘层207的整体结构。
58.可以看出，与具体实施例1相比，由于具体实施例2中取消了前侧磁极旁路和后侧磁极旁路，无轴承磁通切换电机模块化定子的端部将会有更大的空间去安装前侧绕组端部散热模块和后侧绕组端部散热模块，因此两个绕组端部散热模块和冷却介质流通回路可以设计的更大，这将显著提升转矩绕组和悬浮力绕组端部的散热能力，对于提高转矩绕组和悬浮力绕组中的电流密度也将有很大帮助。因此，与常规无轴承磁通切换电机（如背景技术中的《design and analysis of a novel bearingless flux-switching permanent magnet motor》）相比，实施本发明后将会有更大的转矩输出能力和悬浮力。
59.以上所述仅为本发明的两种实施例，再具体来说是实施于一种12个模块化定子的定子永磁型磁通切换电机。但是并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，比如将定子永磁型电机替换为分数槽集中绕组转子永磁型电机；将本实施例中的模块化定子永磁体、模块化定子的个数修改为其它合理的数值；或者将前侧绕组端部散热模块冷却介质出口和前侧绕组端部散热模块冷却介质入口的出口入口顺序调换；或者是将前侧绕组端部散热模块和后侧绕组端部散热模块内置冷却通道修改为其他结构，只要是采用内置冷却通道的前侧绕组端部散热模块和后侧绕组端部散热模块，且与导磁柱共同位于定子绕组端部，以实现定子绕组端部的高效散热，实现更高的集成度；或者是具体实施例二中的部分模块化定子采用两套绕组（转矩绕组和悬浮力绕组）结构，部分模块化定子采用单独一套定子绕组；或者是具体实施二中仍然保留（或部分保留）前侧磁极旁路和后侧磁极旁路；或者将散热模块的冷却介质入口（或出口）由左右设置更改为上下设置；或者因为加工需要，不采用模块化定子的结构，或部分采模块化定子的结构，但仍然使用前侧绕组端部散热模块和后侧绕组端部散热模块；或者是由于定子齿宽、加工受限，将前侧绕组端部散热模块和后侧绕组端部散热模块做成实心结构，即取消其内置的冷却通道，但依然保留一侧为光滑圆弧曲面，可将绕组端部热量通过散热模块传递到定子和外壳，以此提高散热能力，也均应包含在本发明的保护范围内。
60.在描述本发明时，术语“前侧”、“后侧”、“左侧”、“右侧”、“一端”、“另一端”、“一侧”、“另一侧”等指示方位或位置关系，为基于附图所示的方位或位置关系，仅仅是为了更清晰地描述本发明，而不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须是具有特定的方位，不能理解是对本发明的限制。
61.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。