CN103795216B - 磁粉铸型单侧转子电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁粉铸型单侧转子电机，包括定子、转子、转轴、轴承、霍尔元件；定子由上磁极、下磁极、绕组架、定子绕组组成，上磁极和下磁极上均设有若干个凸起不对称磁极；上磁极和下磁极固定在绕组架上；上磁极和下磁极均为由复合磁粉晶或者复合纳米晶压铸成型的一体件；线圈为一组，缠绕在绕组架上；转子设置在定子的上端；转子由基体和永磁磁极组成；2只轴承分别设置在转子的上方和定子的下磁极的下方；霍尔元件设置在定子的绕组架上；转轴分别与转子和2只轴承过盈配合连接。本发明的电机制造成本低，结构和驱动电路简单，磁场方向为轴向，磁极利用率高，易于制造和组装，能较多地节省人力成本，相同尺寸的电机其转矩大。

Description

磁粉铸型单侧转子电机

技术领域

本发明涉及交流电机技术领域，具体涉及磁粉铸型单侧转子结构的永磁交流电机。

背景技术

交流永磁电机包括定子和转子。目前，交流永磁电机的定子一般都采用硅钢片叠成结构，其结构不能用压铸方式成型；转子的磁极多为永磁磁钢；一般情况下一个磁极对应一个线圈绕组，通常一台电机会有3个或3个以上绕组线圈，需要用到大量的铜和铁，成本较高；同时，有几个绕组就需要几个全桥驱动电路，驱动电路相对复杂；电机制造过程中工序较多，安装较复杂，费时费力；电机转子的结构通常采用内转子或外转子结构，磁场方向为径向，因结构限制，难以做成如细长和超薄的特型电机；目前的永磁电机在工作时，线圈绕组按一定的时序加控制信号，其不足之处在于有时绕组没有电流流过，磁极利用率不高。

发明内容

本发明的目的是：克服现有技术的不足，提供一种用复合纳米晶压铸成型的定子磁极、在软铁材料基体上设置永磁磁钢或多磁极永磁磁环的转子、仅设一个绕组、一个转子的磁粉铸型单侧转子结构的电机，该电机较之传统永磁电机结构简单，易于制造和组装，节省材料和人力成本。

本发明的技术方案是：本发明的磁粉铸型单侧转子电机，包括定子、转子、转轴、轴承和霍尔元件，上述的轴承包括上侧轴承和下侧轴承，其结构特点是：上述的定子包括上磁极、下磁极、绕组架和定子绕组；上磁极和下磁极均为由复合纳米晶压铸成型的一体件；上磁极包括磁芯和凸起非对称磁极，上磁极的凸起非对称磁极的个数为2个以上；上磁极的磁芯的中轴线上设有上下向的轴孔；下磁极包括磁芯和凸起非对称磁极；下磁极的凸起非对称磁极的个数与上磁极的凸起非对称磁极的个数相同，且上磁极的凸起非对称磁极和下磁极的凸起非对称磁极相间设置；下磁极的凸起非对称磁极的高度为安装时其上端面与上磁极的凸起非对称磁极的上端面平齐；定子的上磁极和下磁极固定安装在绕组架上；定子绕组缠绕在绕组架上；霍尔元件固定安装在定子的绕组架的上端面上且位于上磁极的一个凸起非对称磁极和与该上磁极的凸起非对称磁极相邻的一个下磁极的凸起非对称磁极之间；

转子包括基体和固定安装在基体上的永磁磁极；转子的基体的中心处设有上下向的轴孔；转子以设有永磁磁极的端面与定子的上磁极的凸起非对称磁极以及下磁极的凸起非对称磁极相面对的方式设置；

转轴为钢制长条棒状圆柱体件；转轴从上到下依次穿过上侧轴承、转子的基体的轴孔、上磁极的轴孔、下磁极的轴孔和下侧轴承；转轴与转子、轴承的上侧轴承以及下侧轴承以过盈配合方式固定连接；

上述的定子的上磁极的磁芯包括连接臂和圆柱体部；连接臂的内端与圆柱体部的上部一体连接；凸起非对称磁极设置在磁芯的连接臂的外端并向上凸起；连接臂的数量与凸起非对称磁极的个数相同；上述的定子的下磁极的磁芯包括连接臂和圆柱体部；下磁极的磁芯的连接臂的内端与圆柱体部的下部一体连接；下磁极的凸起非对称磁极设置在磁芯的连接臂的外端并向上凸起；连接臂的数量与凸起非对称磁极的个数相同。

进一步的方案是：上述的转子的基体的材质为电工软铁；基体的形状为扁圆柱体；上述的转子的永磁磁极为永磁磁钢柱；永磁磁钢柱的数量为定子的上磁极的凸起非对称磁极的数量与下磁极的凸起非对称磁极的数量之和；转子的基体的下端面的四周均匀设有与永磁磁钢柱的个数相同的磁极安装孔，各永磁磁钢柱按照N极、S极相间的方式固定安装在基体的磁极安装孔内；各永磁磁钢柱的下端面与转子的基体的下端面平齐。

进一步的方案是：上述的转子的永磁磁极为采用钕铁硼材料制成的多磁极永磁磁环；永磁磁环胶接在基体的下端面的外周，与基体成一体连接；永磁磁环上均匀相间设置有N极和S极永磁磁极，N极个数与S极个数之和与定子的上磁极的凸起非对称磁极的数量与下磁极的凸起非对称磁极的数量之和相等。

进一步的方案是：上述的定子的绕组架为塑料一体件；绕组架包括上圆环部、下圆环部和圆柱体部；上圆环部和下圆环部的形状结构相同；圆柱体部为中空的圆柱体，其内径与定子的上磁极的磁芯的圆柱体部的外径以及下磁极的磁芯的圆柱体部的外径相配合；其上下的高度约等于上磁极的磁芯的圆柱体部的上下向高度与下磁极的磁芯的圆柱体部的上下向高度之和；绕组架的上圆环部和下圆环部中间的通孔的内径与圆柱体部的内径相同；绕组架的圆柱体部将上圆环部和下圆环部连接成一体；

上述的定子的上磁极由其磁芯的圆柱体部从上向下插入绕组架的圆柱体部内；下磁极由其磁芯的圆柱体部的圆柱体部内；上磁极和下磁极在绕组架的圆柱体部内紧密接触；上述的上磁极和下磁极与绕组架经浸漆处理后固定成一体。

本发明具有积极的效果：（1）本发明的电机的定子磁极用复合纳米晶压铸成型，复合纳米晶在自然界中分布较广，成本低于硅钢片，复合纳米晶导磁性能高于硅钢片，磁阻大于硅钢片，性能优于硅钢片；用复合纳米晶取代硅钢片，相同功率的电机可大量节省铁和铜等资源，降低电机的材料成本。（2）本发明的电机仅设有一个绕组线圈，绕组架还起着安装定子磁极的作用，利于制造和安装；磁场方向为轴向，磁极利用率高，相同尺寸的电机容易获得较大的转矩。（3）通过霍尔元件检测转子的位置，采用电子开关换向，驱动和调速方便；因为转子的相位可以准确测量，通过控制导通角能够寻找电机的最佳驱动点，使电机能够获得最大的工作效率。（4）本发明的电机较之传统永磁电机结构相对简单，易于制造和组装，能较多地节省人力成本。

附图说明

图1为本发明的电机的结构示意图；

图2为图1中的定子的结构示意图；

图3为图1中的定子的上磁极、下磁极和绕组架的相互位置关系示意图，图中还显示了安装在绕组架上的霍尔元件；

图4为图2中定子的上磁极的结构示意图；

图5为图4的A-A向剖视图；

图6为图2中定子的下磁极的结构示意图；

图7为6的B-B向剖视图；

图8为图1中转子的结构示意图；

图9为图1所示电机的驱动控制器的电路原理框图；

图10a～10f为图1所示电机的工作原理示意图；

图11为采用PWM方式控制图1所示电机的工作电流的控制波形示意图。

上述附图中的附图标记如下：

定子1，上磁极11，磁芯11-1，连接臂11-1-1，圆柱体部11-1-2，轴孔11-1-3，凸起非对称磁极11-2，下磁极12，磁芯12-1，连接臂12-1-1，圆柱体部12-1-2，轴孔12-1-3，凸起非对称磁极12-2，绕组架13，定子绕组14，

转子2，基体21，轴孔21-1，永磁磁极22，

转轴3，

轴承4，上侧轴承41，下侧轴承42，

霍尔元件5。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

（实施例1）

见图1和图2，参见图3，本实施例的磁粉铸型单侧转子电机，由定子1、转子2、转轴3、轴承4、霍尔元件5以及图中省略未画出的基座和外壳组成。转轴3为钢制长条棒状圆柱体件。轴承4为滚珠轴承。

定子1由上磁极11、下磁极12、绕组架13和定子绕组14组成。转子2设有1个。轴承4设有2个，按上、下位置区别为上侧轴承41和下侧轴承42。

见图4和图5，定子1的上磁极11为由复合纳米晶材料压铸成型的一体件。定子1的上磁极11由成一体的磁芯11-1和凸起非对称磁极11-2组成。磁芯11-1由连接臂11-1-1和圆柱体部11-1-2组成；连接臂11-1-1的内端与圆柱体部11-1-2的上部一体连接；磁芯11-1的中轴线上设有内径与转轴3的外径相适应的轴孔11-1-3；上磁极11的凸起非对称磁极11-2设置在磁芯11-1的连接臂11-1-1的外端并向上凸起，凸起非对称磁极11-2由其下端与连接臂11-1-1的上端一体连接；凸起非对称磁极11-2的个数设置2个以上，具体数量可根据需要设置，连接臂11-1-1的数量与凸起非对称磁极11-2的个数相同。本实施例中，凸起非对称磁极11-2的个数为4个，相应地，连接臂11-1-1的数量也为4个。凸起非对称磁极11-2的非对称，是通过在凸起非对称磁极11-2的上端面向一个侧边方向设置一个斜面予以实现，且各凸起非对称磁极11-2的上端面上的斜面的方向一致，其作用是在驱动电流换向时保证电机转子始终朝同一方向旋转。

见图6和图7，定子1的下磁极12为由复合纳米晶材料压铸成型的一体件。定子1的下磁极12由成一体的磁芯12-1和凸起非对称磁极12-2组成。磁芯12-1由连接臂12-1-1和圆柱体部12-1-2组成；连接臂12-1-1的内端与圆柱体部12-1-2的下部一体连接；磁芯12-1的中轴线上设有内径与转轴3的外径相适应的轴孔12-1-3；下磁极12的凸起非对称磁极12-2设置在磁芯12-1的连接臂12-1-1的外端并向上凸起，凸起非对称磁极12-2由其下端面与连接臂12-1-1的上端面一体连接。下磁极12的凸起非对称磁极12-2的个数与上磁极11的凸起非对称磁极11-2的个数相同，连接臂12-1-1数量与凸起非对称磁极12-2的个数相同。本实施例中，下磁极12的凸起非对称磁极12-2的个数为4个，相应地，连接臂12-1-1的数量也为4个。下磁极12的凸起非对称磁极12-2的高度为安装时其上端面与上磁极11的凸起非对称磁极11-2的上端面平齐。

仍见图1和图3，定子1的绕组架13为塑料一体件。绕组架13由上圆环部、下圆环部和圆柱体部组成。上圆环部和下圆环部的形状结构相同，圆柱体部为中空的圆柱体，其内径与定子1的上磁极11的磁芯11-1的圆柱体部11-1-2的外径以及下磁极12的磁芯12-1的圆柱体部12-1-2的外径相配合；其上下的高度约等于上磁极11的磁芯11-1的圆柱体部11-1-2的上下向高度与下磁极12的磁芯12-1的圆柱体部12-1-2的上下向高度之和。绕组架13的上圆环部和下圆环部中间的通孔的内径与圆柱体部的内径相同。绕组架13的圆柱体部由其上端面与上圆环部的下端面一体连接；绕组架13的圆柱体部由其下端面与下圆环部的上端面一体连接；从而将上圆环部和下圆环部连接成一体，且绕组架13的上圆环部的中间通孔、下圆环部中间的通孔以及圆柱体部的中空的通孔的上下向的轴线为同一条轴线。

定子绕组14由铜制导线缠绕在绕组架13的圆柱体部的外壁上而成。

定子1的上磁极11由其磁芯11-1的圆柱体部11-1-2从上向下插入绕组架13的圆柱体部内；下磁极12由其磁芯12-1的圆柱体部12-1-2从下向上插入绕组架13的圆柱体部内；将上磁极11和下磁极12在绕组架13的圆柱体部内紧密接触且使上磁极11的凸起非对称磁极11-2和下磁极12的凸起非对称磁极12-2相间设置，再将上磁极11和下磁极12与绕组架13进行浸漆处理后，使上磁极11和下磁极12与绕组架13固定成一体，从而构成完整的定子1。

见图1和图8，转子2由基体21和固定安装在基体21上的永磁磁极22组成。基体21的材质为电工软铁；基体21的形状为扁圆柱体。基体21的中心位置设置有内径与转轴3的外径相适应的上下向的圆形通孔，作为转子2与转轴3套接的轴孔21-1。永磁磁极22本实施例中优选采用永磁磁钢柱。永磁磁钢柱的数量为定子1的上磁极11的凸起非对称磁极11-2的数量与下磁极11的凸起非对称磁极12-2的数量之和，换言之，也即上磁极11的凸起非对称磁极11-2的数量的2倍。本实施例中，永磁磁极22由8个永磁磁钢柱组成，其中包括N0、N1、N2、N3共4个N极永磁磁钢柱，S0、S1、S2、S3共4个S极永磁磁钢柱。转子2的基体21的下端面的四周均匀设有与永磁磁钢柱的个数相同也即8个磁极安装孔，各永磁磁钢柱分别相应设置在基体21的磁极安装孔内，且相邻的永磁磁钢柱的磁极性相反；换言之，也即各永磁磁钢柱按照N极、S极相间的方式设置。各永磁磁钢柱的的下端面与转子2的基体21的下端面平齐。各永磁磁钢柱固定安装在基体21的磁极安装孔内的固定方式为强力胶胶接或过盈配合固定。

安装时，转子2以设有永磁磁极22的端面与定子1的上磁极11的凸起非对称磁极11-2和下磁极12的凸起非对称磁极12-2相面对的方式安装。

轴承4的上侧轴承41设置在转子2的上方；轴承4的下侧轴承42设置在定子1的下磁极12的下方。

见图3，霍尔元件5设有1个，本实施例中，霍尔元件5优选型号为BD3144的开关型霍尔元件。霍尔元件5固定安装在定子1的绕组架13的上圆环部的上端面上，且位于上磁极11的一个凸起非对称磁极11-2和与该上磁极11的凸起非对称磁极11-2相邻的一个下磁极12的凸起非对称磁极12-2之间；霍尔元件5的固定方式本实施例中优选采用强力胶胶接固定。

仍见图1，本实施例的磁粉铸型单侧转子电机组装时，转轴3从上到下依次穿过上侧轴承41、转子2的基体21的轴孔21-1、、定子1的上磁极11的磁芯11-1的轴孔11-1-3、下磁极12的磁芯12-1的轴孔12-1-3和下侧轴承42，转轴3与转子2、轴承4的上侧轴承41和下侧轴承42的固定方式均为过盈配合，从而将各部件连成一体；再将其与电机的基座和外壳安装连接从而完成电机的组装。

见图9和图11，本实施例的磁粉铸型单侧转子电机的驱动控制器主要由电源、微处理器、驱动电路和功率电路组成。其驱动电机工作的方式为：通过霍尔元件5检测转子2的位置，采用电子开关进行换向，因为转子的相位可以准确测量，通过控制导通角能够寻找到电机的最佳驱动点，使电机能够获得最大的工作效率；其调速方法通过控制驱动脉冲带宽或者加PWM信号达到调速之目的，还可以通过改变死区时间调速。

见图10a～10f，本实施例的磁粉铸型单侧转子电机的工作原理和过程如下述：

见图10a，假定当定子绕组通入正向电流时定子的上磁极为N极，那么下磁极就是S极，此时电机处于稳定状态，电机的定子与转子之间没有相对运动；

第一步，见图10b，当通入反向电流时定子的上磁极变为S极，下磁极变为N极，此时，定子磁极极性与转子上的永磁磁极的极性相同，将产生斥力；离转子近的地方斥力大，这时转子受到一个如箭头所指方向的作用力，转子将沿着箭头方向旋转；在旋转的过程中，转子上的相邻异性磁极N1与定子的S磁极相吸引，一个推，一个拉，加速转子到达图10c所示位置；

第二步，电机驱动控制器根据霍尔元件发来的位置信号判定转子所到的位置，在转子将要到达图10c所示位置之前，切断反向电流，经过一段死区时间，转子在惯性作用下稳定到达图10c位置；再加正向电流，这时定子的上磁极变为N极，下磁极变为S极，如图10d所示；均与转子的永磁磁极的极性相同，产生斥力推动转子向减小斥力的箭头方向旋转，在旋转的过程中，转子上的相邻异性磁极与定子磁极相吸引，一个推，一个拉，加速转子到达图10e所示位置；

第三步，再次改变电流方向，转子将继续沿着箭头方向旋转；通过对定子绕组交替加正、反向电流，定子的上磁极与下磁极交替变换磁极的极性，转子始终受到向同一方向的力而连续转动。

（实施例2）

本实施例的磁粉铸型双侧转子电机其他方面与实施例1相同，不同之处在于：转子2的永磁磁极22采用钕铁硼材料制成的多磁极永磁磁环。永磁磁环上均匀相间设置有N极和S极的永磁磁极。永磁磁极的总数量为定子1的上磁极11的凸起非对称磁极11-2的数量与下磁极11的凸起非对称磁极12-2的数量之和。换言之，也即上磁极11的凸起非对称磁极11-2的数量的2倍。本实施例中，永磁磁环上均匀相间设置有4个N极以及4个S极永磁磁极。永磁磁环胶接在基体21的下端面的外周，与基体21成一体连接。

以上实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换和变化而得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应该归入本发明的专利保护范围。

Claims (4)

1.一种磁粉铸型单侧转子电机，包括定子（1）、转子（2）、转轴（3）、轴承（4）和霍尔元件（5），所述的轴承（4）包括上侧轴承（41）和下侧轴承（42），其特征在于：所述的定子（1）包括上磁极（11）、下磁极（12）、绕组架（13）和定子绕组（14）；上磁极（11）和下磁极（12）均为由复合纳米晶压铸成型的一体件；上磁极（11）包括磁芯（11-1）和凸起非对称磁极（11-2），上磁极（11）的凸起非对称磁极（11-2）的个数为2个以上；上磁极（11）的磁芯（11-1）的中轴线上设有上下向的轴孔（11-1-3）；下磁极（12）包括磁芯（12-1）和凸起非对称磁极（12-2）；下磁极（12）的凸起非对称磁极（12-2）的个数与上磁极（11）的凸起非对称磁极（11-2）的个数相同，且上磁极（11）的凸起非对称磁极（11-2）和下磁极（12）的凸起非对称磁极（12-2）相间设置；下磁极（12）的凸起非对称磁极（12-2）的高度为安装时其上端面与上磁极（11）的凸起非对称磁极（11-2）的上端面平齐；定子（1）的上磁极（11）和下磁极（12）固定安装在绕组架（13）上；定子绕组（14）缠绕在绕组架（13）上；霍尔元件（5）固定安装在定子（1）的绕组架（13）的上端面上且位于上磁极（11）的一个凸起非对称磁极（11-2）和与该上磁极（11）的一个凸起非对称磁极（11-2）相邻的一个下磁极（12）的凸起非对称磁极（12-2）之间；

转子（2）包括基体（21）和固定安装在基体（21）上的永磁磁极（22）；转子（2）的基体（21）的中心处设有上下向的轴孔（21-1）；转子（2）以设有永磁磁极（22）的端面与定子（1）的上磁极（11）的凸起非对称磁极（11-2）以及下磁极（12）的凸起非对称磁极（12-2）相面对的方式设置；

转轴（3）为钢制长条棒状圆柱体件；转轴（3）从上到下依次穿过上侧轴承（41）、转子（2）的基体（21）的轴孔（21-1）、上磁极（11）的轴孔（11-1-3）、下磁极（12）的轴孔（12-1-3）和下侧轴承（42）；转轴（3）与转子（2）、轴承（4）的上侧轴承（41）以及下侧轴承（42）以过盈配合方式固定连接；

所述的定子（1）的上磁极（11）的磁芯（11-1）包括连接臂（11-1-1）和圆柱体部（11-1-2）；上磁极（11）的磁芯（11-1）的连接臂（11-1-1）的内端与上磁极（11）的磁芯（11-1）的圆柱体部（11-1-2）的上部一体连接；上磁极（11）的凸起非对称磁极（11-2）设置在上磁极（11）的磁芯（11-1）的连接臂（11-1-1）的外端并向上凸起；上磁极（11）的磁芯（11-1）的连接臂（11-1-1）的数量与上磁极（11）的凸起非对称磁极（11-2）的个数相同；所述的定子（1）的下磁极（12）的磁芯（12-1）包括连接臂（12-1-1）和圆柱体部（12-1-2）；下磁极（12）的磁芯（12-1）的连接臂（12-1-1）的内端与下磁极（12）的磁芯（12-1）的圆柱体部（12-1-2）的下部一体连接；下磁极（12）的凸起非对称磁极（12-2）设置在下磁极（12）的磁芯（12-1）的连接臂（12-1-1）的外端并向上凸起；下磁极（12）的磁芯（12-1）的连接臂（12-1-1）的数量与下磁极（12）的凸起非对称磁极（12-2）的个数相同。

2.根据权利要求1所述的磁粉铸型单侧转子电机，其特征在于：所述的转子（2）的基体（21）的材质为电工软铁；基体（21）的形状为扁圆柱体；所述的转子（2）的永磁磁极（22）为永磁磁钢柱；永磁磁钢柱的数量为定子（1）的上磁极（11）的凸起非对称磁极（11-2）的数量与下磁极（11）的凸起非对称磁极（12-2）的数量之和；转子（2）的基体（21）的下端面的四周均匀设有与永磁磁钢柱的个数相同的磁极安装孔，各永磁磁钢柱按照N极、S极相间的方式固定安装在基体（21）的磁极安装孔内；各永磁磁钢柱的下端面与转子（2）的基体（21）的下端面平齐。

3.根据权利要求1所述的磁粉铸型单侧转子电机，其特征在于：所述的转子（2）的永磁磁极（22）为采用钕铁硼材料制成的多磁极永磁磁环；永磁磁环胶接在基体（21）的下端面的外周，与基体（21）成一体连接；永磁磁环上均匀相间设置有N极和S极永磁磁极，N极个数与S极个数之和与定子（1）的上磁极（11）的凸起非对称磁极（11-2）的数量与下磁极（11）的凸起非对称磁极（12-2）的数量之和相等。

4.根据权利要求1所述的磁粉铸型单侧转子电机，其特征在于：所述的定子（1）的绕组架（13）为塑料一体件；绕组架（13）包括上圆环部、下圆环部和圆柱体部；上圆环部和下圆环部的形状结构相同；圆柱体部为中空的圆柱体，其内径与定子（1）的上磁极（11）的磁芯（11-1）的圆柱体部（11-1-2）的外径以及下磁极（12）的磁芯（12-1）的圆柱体部（12-1-2）的外径相配合；其上下向的高度约等于上磁极（11）的磁芯（11-1）的圆柱体部（11-1-2）的上下向的高度与下磁极（12）的磁芯（12-1）的圆柱体部（12-1-2）的上下向的高度之和；绕组架（13）的上圆环部和下圆环部中间的通孔的内径与圆柱体部的内径相同；绕组架（13）的圆柱体部将上圆环部和下圆环部连接成一体；

所述的定子（1）的上磁极（11）由其磁芯（11-1）的圆柱体部（11-1-2）从上向下插入绕组架（13）的圆柱体部内；下磁极（12）由其磁芯（12-1）的圆柱体部（12-1-2）从下向上插入绕组架（13）的圆柱体部内；上磁极（11）和下磁极（12）在绕组架（13）的圆柱体部内紧密接触；所述的上磁极（11）和下磁极（12）与绕组架（13）经浸漆处理后固定成一体。