CN102035322A - 一种双定子永磁无刷力矩电机 - Google Patents

Abstract

一种双定子永磁无刷力矩电机，主要包括转子轴、内定子铁心、内定子杯、外定子铁心、外定子杯、转子铁心、转子内层磁钢及转子外层磁钢，转子内层磁钢与转子外层磁钢采用沿轴向“中间薄两端厚”的结构形式，转子内层磁钢、转子外层磁钢与转子铁心共同组成转子组件，位于内定子杯和外定子杯之间，内、外定子杯分别与内、外定子铁心相固连，内、外定子铁心通过套筒连接于机壳上。本发明中转子内层磁钢和转子外层磁钢的非等厚设计补偿了端部漏磁对沿轴向气隙磁密分布的影响，使气隙磁密沿轴向分布均匀，内定子绕组和外定子绕组的线圈共同组成了电机绕组线圈，增大了每相绕组的串联匝数，使电机的力矩系数变大，从而增大了力矩密度，减小了电机体积。

Description

一种双定子永磁无刷力矩电机

技术领域

本发明涉及一种永磁无刷力矩电机，尤其是一种转矩脉动小、力矩密度高的双定子无齿槽力矩电机，属于电机领域，适用于低功耗、大力矩场合，特别适用于对输出力矩密度要求较高的场合。

背景技术

目前，高精度、高转矩密度直接驱动电机成为永磁电机开发的一个热点，提高电机转矩密度，同时减小永磁电机的转矩脉动变得重要起来。而传统的永磁无刷力矩电机中由于定子齿槽的存在，会使得转子旋转时产生齿槽转矩和齿谐波，从而会使转矩发生脉动并产生一定的损耗，进一步影响到电机输出力矩的精度和电机总功耗。将空心杯定子结构应用于永磁无刷力矩电机的设计中，使空心杯定子固连于定子铁心上，既可以使定子成为无齿槽结构，消除齿槽转矩和齿谐波，又有利于定子线圈中的热量通过定子铁心向外传导。但由于空心杯定子部分的磁导率很小，近似与空气磁导率相同，使得电机的等效气隙大，漏磁大，导致气隙磁密低，相当于在减小齿槽转矩的同时减弱了电机的力矩密度。同时，采用空心杯定子放置线圈时，线圈绕组放置空间受到空心杯定子径向厚度的制约，为满足线圈窗口槽满率的要求，线圈绕组匝数及线圈并绕根数均不能设计的过多，从而又限制了线圈中的电流不能过大。而根据力矩电机输出力矩的计算公式可知，在电机轴向长度一定的基础上，其输出力矩的大小正比于气隙磁密、线圈电流及绕组线圈匝数，而采用空心杯定子后，电机气隙磁密、绕组匝数均受到限制，从而使电机输出的力矩减小，电机力矩系数降低，输出相同力矩时电机的体积和质量较大。由于存在上述缺陷，现有的永磁无刷力矩电机难以同时满足高精度和高转矩密度的要求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种既能消除齿槽转矩脉动，又能提高转矩密度的双定子永磁无刷力矩电机。

本发明的技术解决方案是：一种双定子永磁无刷力矩电机由壳体、套筒、外定子铁心、外定子杯、转子外层磁钢、转子内层磁钢、转子铁心、转子挡环、内定子杯、内定子铁心、左端盖、左轴承、右端盖、右轴承、外定子挡环、内定子挡环、转子连接筒、转子轴组成；其中转子铁心的内侧紧连转子内层磁钢，外侧紧连转子外层磁钢，三者与转子挡环、转子连接筒共同组成转子组件，转子铁心的左侧由转子挡环固定，转子铁心的右侧通过转子连接筒连接到转子轴上；转子外层磁钢的径向外侧是外定子杯，外定子杯的外侧与外定子铁心固连，外定子铁心的右侧为外定子挡环；转子内层磁钢的径向内侧是内定子杯，内定子杯的内侧与内定子铁心固连，内定子铁心的右侧为内定子挡环；内定子铁心与外定子铁心均通过套筒连接到壳体上，左端盖与右端盖分别通过螺钉各自与壳体相连；左轴承与左端盖相连，右轴承与套筒相连，左轴承和右轴承用以支撑转子轴。外定子杯中绕有A、B、C三相绕组，内定子杯中绕有A’、B’、C’三相绕组，A与A’绕组、B与B’绕组、C与C’绕组分别串联。

所述转子外层磁钢和转子内层磁钢均采用弧形结构，其中转子外层磁钢采用内表面外凸的弧形结构，转子内层磁钢采用外表面内凹的弧形结构，转子外层磁钢和转子内层磁钢的轴向长度大于20mm时，内、外层磁钢最薄处与最厚处的比值约为1/5～1/4；转子外层磁钢和转子内层磁钢的轴向长度小于等于20mm时，内、外层磁钢最薄处与最厚处的比值约为1/4～1/3。

所述的外定子杯和内定子杯均由杯形骨架和绕组组成，外定子杯中的A、B、C三相绕组和内定子杯中的A’、B’、C’三相绕组除了可对应进行串联外，还可以对应进行并联，当A与A’绕组、B与B’绕组、C与C’绕组分别串联时可提高电机的力矩系数，当A与A’绕组、B与B’绕组、C与C’绕组分别并联时可增大相绕组中允许流过的最大电流。

所述转子外层磁钢和转子内层磁钢均为沿径向充磁，安装时转子外层磁钢和转子内层磁钢的极性沿相同方向放置，转子外层磁钢和转子内层磁钢的材料为钐钴、铁氧体或钕铁硼永磁材料。

所述外定子铁心和内定子铁心的材料为1J50、1J22叠层、铁基非晶或硅钢片中的任意一种；外定子挡环、内定子挡环的材料为铜、超硬铝或钛合金不导磁材料中的任意一种。

所述外定子杯和内定子杯的杯形骨架采用不导磁材料，如聚砜或聚酰亚胺组成。

所述左轴承和右轴承为机械轴承，或永磁偏置混合磁悬浮轴承或纯电磁轴承。

本发明的原理是：本发明在永磁无刷力矩电机的设计中采用双定子结构，将内、外空心杯定子分置于转子组件两侧，转子组件为转子铁心、转子内层磁钢和转子外层磁钢的组合件。这样，转子内、外层磁钢通过中间相连的转子铁心形成串联结构，既增大了转子组件的结构强度又增加了永磁体提供的磁动势的大小。同时，由于转子组件内、外侧均有杯形定子，这就使得永磁磁路中的磁通由永磁体N极出发或由S极出发后都会穿过电机定子绕组，相当于在一个永磁回路中磁通两次穿过定子绕组，从而提高了永磁磁通的利用率。同时永磁体内外各有一个定子的结构设计，使得放置线圈的窗口面积得到大量增加，为增大线圈总匝数或导线直径提供了较充裕的空间。当线圈匝数增多时，即可增加线圈的总长度，当线圈的导线直径增大时，即增大了线圈截面积，从而可以使流过线圈的电流i增大，这都可以增大电机的力矩。而电机体积基本不变，使得电机的力矩密度变大，单位体积出力大大增加。

另外，电机转子内、外侧磁钢均采用沿轴向“中间薄两端厚”的弧形结构形式，与传统沿轴向厚度相同的磁钢结构形式比，采用弧形结构的磁钢沿轴向方向两端的位置处永磁体能够产生更大的磁密，从而弥补了电机等效气隙大、端部漏磁严重的缺陷，能够使电机沿轴向两端的气隙磁密近似与中间处的气隙磁密相同，从而增大了电机轴向气隙磁密的平均值，进一步增加了电机的力矩密度。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明一种双定子永磁无刷力矩电机，定子采用无齿槽结构的杯形定子形式，消除了电机的齿槽转矩脉动，同时采用内外双定子结构，使电机永磁磁通利用率变大，为放置电机定子提供了更大空间，从而使定子线圈窗口面积变大，可以增加线圈匝数或线圈导线直径，进一步可增大绕组导线总长度或通过线圈截面的电流，使电机能够输出更大的力矩；同时转子内、外层磁钢采用沿轴向“中间薄两端厚”的结构形式，弥补了以往漏磁使电机端部气隙磁密下降的缺陷，使得电机沿轴向气隙磁密的平均值增大，因此可使电机输出力矩变大，电机的力矩密度大大增加。

附图说明

图1为本发明的电机定转子截面图；

图2为本发明的转子铁心和转子内、外层磁钢形状图；

图3为转子内、外层磁钢的截面图；

图4为双定子永磁无刷力矩电机结构图；

图5为本发明的磁钢安装位置图。

具体实施方式

如图1所示本发明的双定子永磁无刷力矩电机由壳体1、套筒2、外定子铁心3、外定子杯4、转子外层磁钢5、转子内层磁钢6、转子铁心7、转子挡环8、内定子杯9、内定子铁心10、左端盖11、左轴承12、右端盖13、右轴承14、外定子挡环15、内定子挡环16、转子连接筒17、转子轴18组成；转子铁心7的内侧紧连转子内层磁钢6，外侧紧连转子外层磁钢5，三者与转子挡环8、转子连接筒17共同组成转子组件，转子铁心7的左侧由转子挡环8固定，转子铁心7的右侧通过转子连接筒17连接到转子轴18上；转子外层磁钢5的径向外侧是外定子杯4，外定子杯4的外侧与外定子铁心3固连，外定子铁心3的右侧为外定子挡环15；转子内层磁钢6的径向内侧是内定子杯9，内定子杯9的内侧与内定子铁心10固连，内定子铁心10的右侧为内定子挡环16；内定子铁心10与外定子铁心3均通过套筒2连接到壳体1上，左端盖11与右端盖13分别通过螺钉各自与壳体1相连；左轴承12与左端盖11相连，右轴承14与套筒2相连，左轴承12和右轴承14用以支撑转子轴18。外定子杯4中绕有A、B、C三相绕组，内定子杯9中绕有A’、B’、C’三相绕组，A与A’绕组、B与B’绕组、C与C’绕组分别串联。

如图2、图3中所示，转子外层磁钢5和转子内层磁钢6均采用“中间薄两端厚”的弧形结构，其中转子外层磁钢5采用内表面外凸的弧形结构，转子内层磁钢6采用外表面内凹的弧形结构，内、外层磁钢的弧度以能够提高电机端部的气隙磁密，又不影响转子组件的机械强度为宜，设计时磁钢弧度与永磁体轴向长度有关，如图3中所示，当转子外层磁钢5和转子内层磁钢6的轴向长度L大于20mm时，磁钢内、外层磁钢最薄处与最厚处的比值为1/5～1/4；当转子外层磁钢5和转子内层磁钢6的轴向长度L小于等于20mm时，内、外层磁钢最薄处与最厚处的比值为1/4～1/3。这样结构限定了永磁体外凸和内凹的弧度大小，使气隙磁密沿轴向均匀分布。

如图4中所示的外定子杯4和内定子杯9均由杯形骨架和绕组组成，其中骨架采用不导磁材料，如聚砜或聚酰亚胺组成；且外定子杯4中的A、B、C三相绕组和内定子杯9中的A’、B’、C’三相绕组可对应进行串联或并联，当A与A’绕组、B与B’绕组、C与C’绕组分别串联时可提高电机的力矩系数，当A与A’绕组、B与B’绕组、C与C’绕组分别并联时可增大相绕组中允许流过的最大电流。

如图5所示，本发明以6对极磁钢为例予以说明，转子外层磁钢5和转子内层磁钢6均为沿径向充磁，安装时转子外层磁钢5和转子内层磁钢6的极性沿相同方向放置，即转子外层磁钢5的N极面正对转子内层磁钢6的S极面，转子外层磁钢5的S极面正对转子内层磁钢6的N极面；转子外层磁钢5和转子内层磁钢6的材料为钐钴、铁氧体或钕铁硼永磁材料。

外定子铁心3和内定子铁心10的材料为1J50、1J22叠层、铁基非晶或硅钢片中的任意一种。

转子铁心7的材料为电工纯铁、1J22棒材中的任意一种。

外定子挡环15、内定子挡环16的材料为铜、超硬铝或钛合金不导磁材料中的任意一种。

左轴承12和右轴承14为机械轴承，或永磁偏置混合磁悬浮轴承或纯电磁轴承。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种双定子永磁无刷力矩电机，其特征在于：由壳体(1)、套筒(2)、外定子铁心(3)、外定子杯(4)、转子外层磁钢(5)、转子内层磁钢(6)、转子铁心(7)、转子挡环(8)、内定子杯(9)、内定子铁心(10)、左端盖(11)、左轴承(12)、右端盖(13)、右轴承(14)、外定子挡环(15)、内定子挡环(16)、转子连接筒(17)、转子轴(18)组成；其中转子铁心(7)的内侧紧连转子内层磁钢(6)，转子铁心(7)的外侧紧连转子外层磁钢(5)，转子外层磁钢(5)、内层磁钢(6)和转子铁心(7)三者与转子挡环(8)、转子连接筒(17)共同组成转子组件；转子铁心(7)的左侧由转子挡环(8)固定，转子铁心(7)的右侧通过转子连接筒(17)连接到转子轴(18)上；转子外层磁钢(5)的径向外侧是外定子杯(4)，外定子杯(4)的外侧与外定子铁心(3)固连，外定子铁心(3)的右侧为外定子挡环(15)；转子内层磁钢(6)的径向内侧是内定子杯(9)，内定子杯(9)的内侧与内定子铁心(10)固连，内定子铁心(10)的右侧为内定子挡环(16)；内定子铁心(10)与外定子铁心(3)均通过套筒(2)连接到壳体(1)上，左端盖(11)与右端盖(13)分别通过螺钉各自与壳体(1)相连；左轴承(12)与左端盖(11)相连，右轴承(14)与套筒(2)相连，左轴承(12)和右轴承(14)用以支撑转子轴(18)；外定子杯(4)中绕有A、B、C三相绕组，内定子杯(9)中绕有A’、B’、C’三相绕组，A与A’绕组、B与B’绕组、C与C’绕组分别串联；转子外层磁钢(5)和转子内层磁钢(6)均采用弧形结构，其中转子外层磁钢(5)采用内表面外凸的弧形结构，转子内层磁钢(6)采用外表面内凹的弧形结构，当转子外层磁钢(5)和转子内层磁钢(6)的轴向长度大于20mm时，内、外层磁钢最薄处与最厚处的比值为1/5～1/4；当转子外层磁钢(5)和转子内层磁钢(6)的轴向长度小于等于20mm时，内、外层磁钢最薄处与最厚处的比值为1/4～1/3。

2.根据权利要求1所述的双定子永磁无刷力矩电机，其特征在于：所述的外定子杯(4)和内定子杯(9)均由杯形骨架和绕组组成，外定子杯(4)中的A、B、C三相绕组和内定子杯(9)中的A’、B’、C’三相绕组除了可对应进行串联外，还可以对应进行并联，当A与A’绕组、B与B’绕组、C与C’绕组分别串联时可提高电机的力矩系数，当A与A’绕组、B与B’绕组、C与C’绕组分别并联时可增大相绕组中允许流过的最大电流。

3.根据权利要求1所述的双定子永磁无刷力矩电机，其特征在于：所述转子外层磁钢(5)和转子内层磁钢(6)均为沿径向充磁，安装时转子外层磁钢(5)和转子内层磁钢(6)的极性沿相同方向放置。

4.根据权利要求1所述的双定子永磁无刷力矩电机，其特征在于：所述转子外层磁钢(5)和转子内层磁钢(6)的材料为钐钴、铁氧体或钕铁硼永磁材料。

5.根据权利要求1所述的双定子永磁无刷力矩电机，其特征在于：所述外定子铁心(3)和内定子铁心(10)的材料为1J50、1J22叠层、铁基非晶或硅钢片中的任意一种。

6.根据权利要求1所述的双定子永磁无刷力矩电机，其特征在于：所述外定子杯(4)和内定子杯(9)的骨架采用由聚砜或聚酰亚胺组成的不导磁材料。

7.根据权利要求1所述的双定子永磁无刷力矩电机，其特征在于：所述外定子挡环(15)和内定子挡环(16)的材料为铜、超硬铝或钛合金不导磁材料中的任意一种。

8.根据权利要求1所述的双定子永磁无刷力矩电机，其特征在于：所述左轴承(12)和右轴承(14)为机械轴承，或永磁偏置混合磁悬浮轴承或纯电磁轴承。

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