CN101908809A - 基于模块化方式构建定子磁路的外转子无刷直流电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于模块化方式构建定子磁路的外转子无刷直流电机，包括电机外壳(200)，各磁极上绕有集中绕组的定子(300)，以及内面粘贴有永磁体磁极制成的杯形结构外转子(400)。所述转子(400)杯形结构之底端(421)紧配合或者借助联结键固定在电机轴(410)上。尤其是，所述定子(300)之铁芯部分(320)包括N块互相联结拼合成圆环状柱体的非晶态合金定子模块(422)。本发明所述外转子直流无刷电机的定子的铁芯部分用非晶态合金制成，降低了外转子直流无刷电机的铁损，并且不再受到非晶态合金带材的最大宽度限制，拓展了所述外转子直流无刷电机的适用范围。
Description
技术领域
本发明涉及外转子无刷直流电机，特别是涉及用非晶态合金叠片构建定子磁路的外转子无刷直流电机。
背景技术
无刷直流电机因为取消了机械换向器和滑动导电的碳刷而大大缩短了轴向长度，也减轻了日常维护工作，延长了电机的使用寿命。无刷直流电机既具有普通直流电机调速方便、适合牵引用途的优良特性，又具有交流电机结构简单、运行可靠的优点。它将电子线路与电机融为一体，将先进的电子技术应用于电机领域。参见图5，无刷直流电机包括电机本体100、转子位置传感器610和电子换向电路600三大部分。图中直流电源通过电子换向电路600向电机本体100的定子绕组供电，电机本体100永磁转子的旋转位置由转子位置传感器610检测并提供信号，去控制电子换向电路600中电力电子开关电路640各开关器件导通或截止，从而控制电机本体100的转子旋转。为适应较大功率的牵引用途以及调节速度的需要，所述导通或截止还再要使用脉冲宽度调制，即PWM处理，使得输入电机本体100定子绕组的电压可以按照转速要求进行调节，并且可以一并实施正弦-脉宽调制S-PWM电流基本上是正弦波。以便更进一步降低损耗和减少噪音。
现有技术外转子无刷直流电机，是将嵌有集中绕组的定子置于近轴位置，而将内面贴有高磁能积钕铁硼合金永磁体的钢质杯形结构作为外转子，从而进一步降低了电机的轴向长度，同时也使转子能承受更高的转速。所以外转子无刷直流电机在薄型风扇、电力助动车等领域获得了广泛应用。
为进一步提高外转子无刷直流电机单位重量和单位体积的功率，就需要继续提高它的额定转速，这意味着所述电子换向电路输入电机定子绕组的电流会有更高频率，会远超过300～400Hz的频率范围，会令现有技术电机定子所用硅钢叠片材料因铁损太大而无法胜任。如所周知，非晶态合金是利用快速凝固技术制造的新型材料，具有优异的软磁性能，即高饱和磁感应强度、高导磁率、低矫顽力、高电阻率和极低的涡流效应，因此，所述非晶态合金的优点是铁损很小。利用非晶态合金的上述特点，现有技术采用非晶态合金替代传统的硅钢片、坡莫合金以及铁氧体来制造电机的磁路部分，有效克服了现有技术电机的上述缺点。中国发明专利申请200810007282.2就公开了一种非晶合金定子铁芯的制备方法，即将非晶合金带材切片，并经过叠片、退火、粘结和切割等处理而制成一个完整的电机定子。
但是，在工业应用中，所述非晶态合金材料是将钢水直接铸造成0.03毫米厚度的带状材料。由于制造非晶态合金带材存在技术局限性，使得所述带材的宽度目前最大只能达到84mm，如果采用上述专利申请公开的定子铁芯制备方法制造外转子无刷直流电机，其定子铁芯只能做得很小，其最大直径不会超过84mm，只能适用于需要微型或者部分小型电机的场合，不能满足电力助动车和电动汽车等的牵引电动机或者其它应用场合的要求，大大制约了以非晶态合金构建定子磁路的各种牵引电机的发展势头。
用非晶态合金构建定子磁路来制造外转子无刷直流牵引电机，有着巨大的技术优势。首先，外转子是一个钢质杯形结构，其内面粘贴钕铁硼合金永磁体，能承受很大的离心力，从而可以设计出几十千瓦功率、额定转速达10,000r.p.m.的电机。其次，定子在近轴部位，径向尺寸不大，有利于采用材料宽度受限制(不大于84mm)的市售非晶态合金层叠棒制做定子磁路结构，以适应高额定转速的400Hz～1kHz中频驱动电流，而本发明提出的“基于模块化方式构建定子磁路”的电机结构设计，可以拼接制造出直径远大于84mm的非晶态合金叠片定子结构，从而可批量生产更大功率的外转子无刷直流牵引电机。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于避免现有技术的不足之处而提出一种基于模块化方式构建定子磁路的外转子无刷直流电机，使产生磁场的定子的尺寸不再受到非晶态合金带材的宽度限制，从而可以按实际需求制造相应体积的外转子无刷直流电机。
本发明解决所述技术问题可以通过采用以下技术方案来实现：
设计、制造一种基于模块化方式构建定子磁路的外转子无刷直流电机，包括电机外壳，各磁极上绕有集中绕组的定子，以及内面粘贴有永磁体磁极的杯形结构外转子，在所述定子轴向一端的外方固定有电子换向电路板，该电路板上设置有转子位置传感器；所述转子杯形结构之底端紧配合或者借助联结键固定在电机轴上；尤其是，所述定子之铁芯部分包括N块互相联结拼合成圆环状柱体的非晶态合金定子模块，所述定子模块是由非晶态合金片层叠、压紧，然后切割成具有径向厚度t的瓦片状弧形柱面体，该柱面体内壁切割有轴向槽位，形成适合缠绕集中绕组的各凸极；此处N≥2。
具体地，所述非晶态合金定子模块轴向两端壁上分别设置沿层叠长度方向呈条状凸起的凸楞和呈沟状凹陷的凹槽，且所述凸楞的凸起方向和凹槽的凹陷方向在所述定子铁芯部分的横截面圆周线上相一致；借助所述凸楞和凹槽的啮合，并辅助以高强度、耐老化的合成树脂粘结剂，所述N个非晶态合金定子模块准确配合组成一个完整的环形定子铁芯部分。
所述定子铁芯部分轴向两端部还分别设置有定子模块连接端板；所述非晶态合金定子模块和定子模块连接端板设置有沿轴向贯穿该定子模块的通孔；借助各通孔和贯穿其内的铆钉或螺栓、螺帽，所述两定子模块连接端板与夹在其间的定子铁芯部分紧密压合在一起。
所述外转子直流无刷电机还包括钢质杯形结构的转子外壳，该转子外壳环形内壁柱面上用高强度、耐老化的合成树脂粘贴钕铁硼合金的永磁体磁极，构成外转子；所述绕有集中绕组的定子被该外转子罩盖，。
所述外转子直流无刷电机又包括电机座，该电机座包括圆盘形平面状的后座和凸起在该后座中央的圆管状支撑座；该支撑座穿越过定子中央，支撑座的外壁固定联结定子；所述支撑座内壁的轴向两端分别紧配合有用于固定电机轴的轴承。
所述电子换向电路板上用于侦测转子旋转位置转子位置传感器是霍尔器件传感器。
同现有技术相比较，本发明“基于模块化方式构建定子径向磁路的外转子直流无刷电机”的技术效果在于：
本发明取代了传统外转子直流无刷电机中构建磁路部分的普通导磁合金材料，而采用非晶态合金作为电机的定子铁芯材料，降低了外转子直流无刷电机的铁损；本发明采用模块化非晶态合金构建定子径向磁路，摆脱整体切割制备非晶态合金定子的技术思路束缚，使所述模块化非晶态合金构建定子径向磁路的外转子直流无刷电机不再受到非晶态合金带材的最大宽度限制，能够满足中小型电机的要求，拓展了所述外转子直流无刷电机的适用范围。
附图说明
图1是本发明“基于模块化方式构建定子磁路的外转子无刷直流电机”优选实施例的剖视示意图；
图2是所述优选实施例定子铁芯部分320的正投影右视示意图；
图3是所述优选实施例定子模块322的正投影右视示意图；
图4是所述优选实施例定子模块连接端板330的正投影右视示意图；
图5是包括本发明优选实施例的无刷直流电机电原理系统框图。
具体实施方式
以下结合附图所示实施例作进一步详述。
本发明涉及一种基于模块化方式构建定子磁路的外转子无刷直流电机100，如图1所示，包括电机外壳200，各磁极上绕有集中绕组340的定子300，以及内面粘贴有永磁体磁极的杯形结构外转子400，在所述定子300轴向一端的外方固定有电子换向电路板600，该电路板600上设置有转子位置传感器610，所述转子400杯形结构之底端421紧配合或者借助联结键固定在电机轴410上。尤其是，如图2和图3所示，所述定子之铁芯部分320包括N块互相联结拼合成圆环状柱体的非晶态合金定子模块322，所述定子模块322是由非晶态合金片层叠、压紧，然后切割成具有径向厚度t的瓦片状弧形柱面体，该柱面体内壁切割有轴向槽位3221，形成适合缠绕集中绕组的各凸极3222；此处N≥2。
上述基于模块化方式构建定子磁路的外转子无刷直流电机，将定子铁芯部分320分成若干个模块构建，虽然所述定子模块320的横截面尺寸还是受到非晶态合金带材的限制，但是，由该定子模块320构建的定子铁芯部分的直径必定大于非晶态合金带材的最大宽度，从而摆脱了非晶态合金带材的限制，所述定子模块320越多，由它们构建的定子铁芯部分的直径就越大。因此，本发明涉及的外转子直流无刷电机的体积可以满足所有中小型电机的要求，拓展了所述用非晶态合金构建磁路部分的外转子直流无刷电机的适用范围。
如图2至图4所示，本发明优选实施例，所述定子铁芯部分320是由2个非晶态合金定子模块322构建而成，即N＝2。所述非晶态合金定子模块322轴向两端壁上分别设置沿层叠长度方向呈条状凸起的凸楞3223和呈沟状凹陷的凹槽3224，且所述凸楞3223的凸起方向和凹槽3224的凹陷方向在所述定子铁芯部分320的横截面圆周线上相一致；借助所述凸楞3223和凹槽3224的啮合，并辅助以高强度、耐老化的合成树脂粘结剂，所述N个非晶态合金定子模块322准确配合组成一个完整的环形定子铁芯部分320。为了进一步固装所述定子300，所述定子铁芯部分320轴向两端部还分别设置有定子模块连接端板330；所述非晶态合金定子模块322和定子模块连接端板330设置有沿轴向贯穿该定子模块322的通孔323；借助各通孔323和贯穿其内的铆钉或螺栓、螺帽，所述两定子模块连接端板330与夹在其间的定子铁芯部分320紧密压合在一起。本发明优选实施例，所述定子模块连接端板330的形状同定子铁芯部分320的横截面形状相同。
本发明优选是实施例，如图1所示，所述外转子直流无刷电机还包括钢质杯形结构的转子外壳420、、电机座500和控制电路板600。所述绕有集中绕组的定子300被转子外壳420罩盖；所述转子外壳420环形内壁柱面上用高强度、耐老化的合成树脂粘贴钕铁硼合金的永磁体磁极，构成外转子400。所述电机座500包括圆盘形后座510和凸起在该后座510中央的圆管状支撑座520；该支撑座520穿越定子300中央，支撑座520的外壁固定联结定子300；所述支撑座520内壁的轴向两端部分别紧配合有可旋转地固定电机轴410的轴承521。所述控制电路板600设置有用于侦测转子400旋转位置的位置传感器610，如图5所示，本发明优选实施例，所述位置传感器610采用霍尔器件传感器。所述控制电路板上还包括主要用于PWM和ADC信号处理和运算的微控制器模块620、PWM逻辑处理模块630和电力电子开关电路640。作为所述转子位置传感器610的霍尔位置传感器收集转子400转动位置信号并随电压、采样电流、调速和制动信号一起输入到微控制器模块620，该微控制器模块620将控制信号发送给所述PWM逻辑处理模块630，该PWM逻辑处理模块620通过功率驱动单元640控制驱动所述外转子直流无刷电机100
由于非晶态合金材料极薄，延展性很差，易脆，用传统的机械加工方法不能成型所需要的形状，所以一般采用线切割的方法对非晶态合金层叠而成的层叠棒进行加工。所述非晶态合金层叠棒是由制造厂提供，将非晶态合金带材裁成需要尺寸的矩形片材，将片材层叠在一起，并经过退火、浸渍和烘干处理而制成。加工成型后的非晶态合金定子模块322，通过各自的凸楞3223和凹槽3224扣装构建成定子铁芯部分320的径向磁路。扣装前在槽口位置涂敷高强度环氧树脂，以增强定子铁芯部分320的强度和紧密性。粘结的高强度环氧树脂要在不低于130℃的恒温箱中烘烤3小时。为了加强定子400的整体强度和绝缘强度及散热，完成下线后的定子400和转子500可用环氧树脂固封。
本发明优选实施例是本发明的优选实施方式，本领域的普通技术人员在本发明基础上进行的通常变化和替代包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于模块化方式构建定子磁路的外转子无刷直流电机，包括电机外壳(200)，各磁极上绕有集中绕组的定子(300)，以及内面粘贴有永磁体磁极的杯形结构外转子(400)，在所述定子(300)轴向一端的外方固定有电子换向电路板(600)，该电路板(600)上设置有转子位置传感器(610)；所述转子(400)杯形结构之底端(421)紧配合或者借助联结键固定在电机轴(410)上；其特征在于：
所述定子(300)之铁芯部分(320)包括N块互相联结拼合成圆环状柱体的非晶态合金定子模块(322)，所述定子模块(322)是由非晶态合金片层叠、压紧，然后切割成具有径向厚度t的瓦片状弧形柱面体，该柱面体内壁切割有轴向槽位(3221)，形成适合缠绕集中绕组的各凸极(3222)；此处N≥2。
2.根据权利要求1所述的基于模块化方式构建定子磁路的外转子无刷直流电机，其特征在于：
所述非晶态合金定子模块(322)轴向两端壁上分别设置沿层叠长度方向呈条状凸起的凸楞(3223)和呈沟状凹陷的凹槽(3224)，且所述凸楞(3223)的凸起方向和凹槽(3224)的凹陷方向在所述定子铁芯部分(320)的横截面圆周线上相一致；
借助所述凸楞(3223)和凹槽(3224)的啮合，并辅助以高强度、耐老化的合成树脂粘结剂，所述N个非晶态合金定子模块(322)准确配合组成一个完整的环形定子铁芯部分(320)。
3.根据权利要求1所述的基于模块化方式构建定子磁路的外转子无刷直流电机，其特征在于：
所述定子铁芯部分(320)轴向两端部还分别设置有定子模块连接端板(330)；所述非晶态合金定子模块(322)和定子模块连接端板(330)设置有沿轴向贯穿该定子模块(322)的通孔(323)；借助各通孔(323)和贯穿其内的铆钉或螺栓、螺帽，所述两定子模块连接端板(330)与夹在其间的定子铁芯部分(320)紧密压合在一起。
4.根据权利要求所述1的基于模块化方式构建定子磁路的外转子无刷直流电机，其特征在于：
还包括钢质杯形结构的转子外壳(420)，该转子外壳(420)环形内壁柱面上用高强度、耐老化的合成树脂粘贴钕铁硼合金的永磁体磁极，构成外转子(400)；所述绕有集中绕组的定子(300)被该外转子(400)罩盖。
5.根据权利要求1或者4所述的基于模块化方式构建定子磁路的外转子无刷直流电机，其特征在于：
还包括电机座(500)，该电机座(500)又包括圆盘形后座(510)和凸起在该后座(510)中央的圆管状支撑座(520)；该支撑座(520)穿越定子(300)中央，支撑座(520)的外壁固定联结定子(300)；所述支撑座(520)内壁的轴向两端部分别紧配合有可旋转地固定电机轴(410)的轴承(521)。
6.根据权利要求1所述的基于模块化方式构建定子磁路的外转子无刷直流电机，其特征在于：
所述电子换向电路板(600)上用于侦测转子(400)旋转位置的转子位置传感器(610)是霍尔器件传感器。
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