CN104158373A - 外转子电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种外转子电机，其转子壳体内固定设有若干永磁体，所述若干永磁体采用相同的瓦形六面体结构且沿周向和轴向两个方向规则排列，任一周向和任一轴向上排列的所述永磁体数量均为多个，所述永磁体的两个周向侧面呈内侧削角状的斜平面状，其削角角度为5-35度，所述永磁体横截面在径向上的外边缘呈圆心位于所述转子壳体的轴线上的圆弧线形，所述永磁体横截面在径向上的内边缘呈单一的圆弧形或者为由多个圆弧形相互连接成的曲线，所述永磁体采用高性能钕铁硼材料，长度在30-95mm之间，所述永磁体的厚度在8-18mm之间。本发明低速下运行的稳定性好，振动小，噪音低，出力大，特别适用于卷筒直驱的起重机起升机构等。

Description

外转子电机

技术领域

本发明涉及一种外转子电机，特别是低速大扭矩外转子永磁同步电机。

背景技术

现有外转子永磁同步电机通常包括外转子和位于所述外转子内的定子，所述定子固定安装在中心轴上，所述外转子的两端固定连接有固定盘，所述固定盘通过转子轴承与所述中心轴旋转连接，所述外转子包括筒状的转子壳体和固定设在转子壳体内的永磁体，定子包括由冲制铁心片叠置而成的定子铁心和嵌装在定子铁心上的绕组，绕组依据一定的方式连接交流电源，当绕组通电产生旋转磁场与外转子上的永磁体相互作用，驱动外转子绕中心轴旋转。但是，由于其永磁转子的励磁磁场或定子绕组都不是理想的正弦分布，当低速（包括超低速）运行时出现明显的脉动转矩，影响电机运行的稳定性，振动大，噪音高，严重妨碍着其在低速下的应用。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种外转子电机，这种电机可以在低速下运行，并且在低速下运行的稳定性好，振动小，噪音低。

本发明所采用的技术方案：一种外转子电机，包括外转子和位于所述外转子内的定子，所述定子固定安装在中心轴上，所述外转子的两端固定连接有固定盘，所述固定盘通过转子轴承与所述中心轴旋转连接，所述外转子包括筒状的转子壳体，所述转子壳体内固定设有若干永磁体，所述若干永磁体采用相同的瓦形六面体结构且沿周向和轴向两个方向规则排列，任一周向和任一轴向上排列的所述永磁体数量均为多个，所述永磁体的两个周向侧面呈内侧削角状的斜平面状，其削角角度为5-35度。

本发明的有益效果：由于采用了周向和轴向上规则排列的若干永磁体形成外转子磁场，有利于实现磁场结构的优化；特别是由于周向上采用了多个永磁体，且永磁体的两个周向侧面呈5-35度的内侧削角状的斜平面状，大幅度减小了磁场波形的畸变率；由于轴向上采用多个永磁体，有利于减小永磁体的长度，明显地消除或抑制了高次谐波。根据申请人的实验，相对于现有技术下的常规设计，本发明优选的实施例下，气隙磁场波形的畸变率可降低50%—80%，使气隙磁场波形畸变率控制在15%或10%以下，反电动势波形的畸变率控制在10%或8%以下，由此大幅度提高了电机的运行平稳性、降低了噪音、减小了转矩脉动且有助于增加转矩输出，特别适用于卷筒直驱（以外转子作为卷筒）的起重机、港机、塔机、电梯、卷扬机及其他类似场合。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图；

图2（a）、2（b）和2（c）分别为涉及永磁体横截面形状的三种实施例的示意图；

图3是本发明涉及永磁体安装结构的一个实施例的轴向示意图；

图4是本发明涉及永磁体安装结构的另一个实施例的轴向示意图；

图5是本发明涉及电机主体部分横截面的轴向示意图。

具体实施方式

参见图1-5，本发明提供的外转子电机包括外转子和位于所述外转子内的定子1，所述定子固定安装在中心轴2上，中心轴的两端分别固定支撑于两支座9内。所述外转子的两端固定连接有固定盘3，所述固定盘通过转子轴承4与所述中心轴旋转连接，所述外转子包括筒状的转子壳体5，所述转子壳体内固定设有若干永磁体6，所述若干永磁体采用相同的瓦形六面体结构且沿周向（沿圆周的方向）和轴向(平行于中心轴轴线的方向)两个方向规则排列，任一周向和任一轴向上排列的所述永磁体数量均为多个，所述永磁体的两个周向侧面呈内侧削角状的斜平面状，其削角角度θ为5-35度。当定子绕组通电后产生旋转磁场，驱动外转子转动并输出转矩。

优选地，所述若干永磁体在周向上和轴向上的规则分布方式为在周向上沿圆周对齐且均匀分布，在轴向上沿直线对齐且均匀分布，由此不仅有利于合理安排各永磁体的周向分布和轴向分布，实现磁场优化，而且结构简单，便于加工、安装和维护。

优选地，周向相邻的所述永磁体之间留有间距，由此有利于优化磁场和便于安装。

优选地，所述永磁体在所述转子壳体内的安装固定方式可以采用下列任意一种方式：

（1）     参见图3，所述转子壳体的内表面设有若干轴向延伸、周向间隔排列的且与所述永磁体的形状和尺寸相适应的燕尾槽，所述永磁体嵌装在相应的燕尾槽内；

（2）     参见图4，周向相邻的所述永磁体之间设有轴向延伸的固定压条7，所述轴向延伸的固定压条通过螺钉紧固在所述转子壳体上并与所述永磁体的两侧侧面紧压。

对于上述第（1）种安装方式，所述嵌装在相应的燕尾槽内的永磁体与所述燕尾槽之间可以相互粘结，对于上述第（2）种安装方式，所述轴向延伸的固定压条的横截面可以呈矩形或梯形，所述轴向延伸的固定压条的径向外侧面与所述转子壳体的内壁之间也可以设有不导磁粘结剂8，由此提高安装的牢固性且不会对磁场产生负面影响。

矩形截面易于加工，而梯形截面可以使两侧与相应永磁体的相应侧面密切贴合，有利于提高牢固性和可靠性。所称梯形包括几何学所称的梯形和轮廓近似于几何学所称梯形的形状，由四条边组成，其上底和下底边缘线可以呈弧形，各线连接处可以呈角状，也可以呈平滑的过渡曲线状，同样，所述矩形包括几何学所称的梯形和轮廓近似于几何学所称矩形的形状。

优选地，对于上述第（2）种安装方式（即当周向相邻的所述永磁体之间设有轴向延伸的固定压条时），所述永磁体的两个轴向侧面也可以呈内侧削角状的斜平面状，轴向上相邻的所述永磁体之间留有间距且设有周向延伸的固定压条，所述轴向延伸的固定压条通过螺钉紧固在所述转子壳体上并与所述永磁体的两侧侧面紧压，所述轴向延伸的固定压条的横截面呈矩形或梯形，由此可以进一步提高安装的牢固性并进一步优化磁场。

优选地，所述永磁体横截面（垂直于中心轴的方向上的截面）在径向上的外边缘61（径向上远离中心轴的边缘）呈圆心位于所述转子壳体的轴线上（在永磁体横截面所在平面上，所述转子壳体的轴线表现为一个点，下同）的圆弧线形，所述永磁体横截面在径向上的内边缘62（径向上靠近中心轴的边缘）呈单一的圆弧形或者为由多段圆弧相互连接成的曲线，通过这些曲线表面的优化设计，可以明显地改善气隙磁场波形，减小畸变率。

图2（a）-（c）给出涉及永磁体横截面在径向上的内边缘形状的几个实施例：

图2（a）给出的实施例中：所述永磁体横截面在径向上的内边缘呈单一的圆弧形，其圆心位于所述转子壳体的轴线上，外边缘和内边缘的半径分别为R1和R2，形成在径向上等厚的永磁体，使各永磁体径向内、外表面分别位于与所述转子壳体同轴的相应圆柱面上，并使永磁体在径向上的内表面与定子的外表面之间间距相等；

图2（b）给出的实施例中：所述永磁体横截面在径向上的内边缘呈单一的圆弧形，其半径与所述永磁体横截面在径向上的外边缘的半径相等，均为R1，其圆心位于所述永磁体横截面外边缘中点与所述转子壳体的轴线所确定的直线上，由此形成永磁体中央厚两侧薄的结构，有利于消除边缘谐波；

图2（c）的实施例中，所述永磁体横截面在径向上的内边缘可以采用图2（a）实施例的形状，也可以采用图2（b）实施例的形状，其特殊之处在于将图2（a）实施例和图2（b）实施例中永磁体横截面在径向上的内边缘与永磁体横截面的周向侧边通过一个小的凹圆弧线（半径为R3）连接，而不是通常情况下的直接连接或者通过凸形圆角连接，由此可以更有效地减小边缘谐波。两边圆弧的设置起到了类似“削角”的效果，有利于进一步减小转矩脉动，优化磁场，明显地消除或减小高次谐波的作用力，为电机在低速/超低速、大扭矩下稳定工作提供基础保证。

优选地，所述永磁体的长度（轴向长度）在30-95mm之间，所述永磁体的厚度（当永磁体为不等厚结构时，指最大厚度）在8-18mm之间，由此在保证机械强度和磁场强度的前提下，可以明显地减小高次谐波的影响。

优选地，所述永磁体采用钕铁硼材料，以提高磁性能。

优选地，所述永磁体的材料满足下列条件，以保证电机正常运行，提高适应性：

    （1）剩磁在1.25T以上，内禀矫顽力在20-30kOe之间；

（2）150-180℃时的去磁曲线为一条直线，不出现去磁拐点或者出现去磁拐点但其最大去磁工作点b_mh高于其去磁拐点。

由此，所述永磁体应选取牌号为SH、UH或EH钕铁硼材料，或者性能相当或更优的其他可能牌号的钕铁硼材料。

通常，所述定子由定子铁心和嵌装在所述定子铁心的定子槽内的绕组组成，优选地，所述定子槽采用梨形槽，槽口尺寸k在2.5-4.5mm之间，绕组节距为1，每匝线圈缠绕在一个定子齿上，极弧系数为0.8-0.9，由此可以明显地优化定子磁场，消除或减小高次谐波，改善频率特性，提高出力，节省材料，降低铜耗。

优选地，极槽配合采用8极9槽、10极12槽、20极24槽、30极36槽、22极24槽、16极18槽或32极36槽，以消除齿槽转矩。

本发明所称瓦形六面体是指其主体部分呈类似于瓦的柱体，包括两个径向的表面、两个周向的表面和两个轴向的表面，其中径向的两个表面和周向的两个表面相互间隔两两连接形成柱体的侧面，轴向的两个表面构成该柱体的顶和底，呈近似扇形。柱体的任一棱边既可以是平面相交、曲面相交、平面和曲面相交形成的棱边，也可以是平滑过渡的曲面或其他任意适宜的结构。

本发明所称永磁体上某个表面呈内侧削角状的斜平面状是指其径向的内侧向永磁体径向内表面中间倾斜的状态。

本发明所称的永磁体的两个周向侧面的削角角度是指以永磁体横截面的外边缘两端点与转子壳体的轴线的连线为度量基准，永磁体横截面的周向侧边与相应侧的上述连线的夹角。

本发明所称的凹圆弧线是指相对于其所在的实体来说，其弯曲方向使所述实体的体积或面积变小的圆弧线。

Claims (10)

1.一种外转子电机，包括外转子和位于所述外转子内的定子，所述定子固定安装在中心轴上，其特征在于所述外转子的两端固定连接有固定盘，所述固定盘通过转子轴承与所述中心轴旋转连接，所述外转子包括筒状的转子壳体，所述转子壳体内固定设有若干永磁体，所述若干永磁体采用相同的瓦形六面体结构且沿周向和轴向两个方向规则排列，任一周向和任一轴向上排列的所述永磁体数量均为多个，所述永磁体的两个周向侧面呈内侧削角状的斜平面状，其削角角度为5-35度。

2.如权利要求1所述的外转子电机，其特征在于所述若干永磁体在周向上和轴向上的规则分布方式为在周向上沿圆周对齐且均匀分布，在轴向上沿直线对齐且均匀分布，周向相邻的所述永磁体之间留有间距，所述永磁体在所述转子壳体内的安装固定方式采用下列任意一种方式：

（1）所述转子壳体的内表面设有若干轴向延伸且与所述永磁体的形状和尺寸相适应的燕尾槽，所述永磁体嵌装在相应的燕尾槽内；

（2）周向相邻的所述永磁体之间设有轴向延伸的固定压条，所述轴向延伸的固定压条通过螺钉紧固在所述转子壳体上并与所述永磁体的两侧侧面紧压。

3.如权利要求2所述的外转子电机，其特征在于所述嵌装在相应的燕尾槽内的永磁体与所述燕尾槽之间相互粘结，所述轴向延伸的固定压条的横截面呈矩形或梯形，所述轴向延伸的固定压条的径向外侧面与所述转子壳体的内壁之间设有或者不设有不导磁粘结剂。

4.如权利要求3所述的外转子电机，其特征在于当周向相邻的所述永磁体之间设有轴向延伸的固定压条时，所述永磁体的两个轴向侧面也呈内侧削角状的斜平面状，所述轴向上相邻的永磁体之间留有间距且设有周向延伸的固定压条，所述轴向延伸的固定压条通过螺钉紧固在所述转子壳体上并与所述永磁体的两侧侧面紧压，所述轴向延伸的固定压条的横截面呈矩形或梯形。

5.如权利要求1、2、3或4所述的外转子电机，其特征在于所述永磁体横截面在径向上的外边缘呈圆心位于所述转子壳体的轴线上的圆弧线形，所述永磁体横截面在径向上的内边缘呈单一的圆弧形或者为由多段圆弧相互连接成的曲线。

6.如权利要求5所述的外转子电机，其特征在于所述内边缘采用以下任意一种结构形式：

（1）所述单一的圆弧形的内边缘的圆心位于所述转子壳体的轴线上；

（2）所述单一的圆弧形的内边缘的圆心位于所述永磁体横截面外边缘中点与所述转子壳体的轴线所确定的直线上，且其半径等于所述外边缘的半径；

（3）所述单一的圆弧形的内边缘的圆心位于所述转子壳体的轴线上，永磁体横截面在径向上的内边缘与永磁体横截面的周向侧边通过一个小的凹圆弧线连接；

（4）所述单一的圆弧形的内边缘的圆心位于所述永磁体横截面外边缘中点与所述转子壳体的轴线所确定的直线上，且其半径等于所述外边缘的半径，永磁体横截面在径向上的内边缘与永磁体横截面的周向侧边通过一个小的凹圆弧线连接。

7.如权利要求6所述的外转子电机，其特征在于所述永磁体采用钕铁硼材料，所述永磁体的长度在30-95mm之间，所述永磁体的厚度在8-18mm之间。

8.如权利要求7所述的外转子电机，其特征在于所述永磁体的材料满足下列条件：

（1）剩磁在1.25T以上，内禀矫顽力在20-30kOe之间；

（2）150-180℃时的去磁曲线为一条直线，不出现去磁拐点或者出现去磁拐点但其最大去磁工作点b_mh高于其去磁拐点。

9.如权利要求8所述的外转子电机，其特征在于所述定子由定子铁心和嵌装在所述定子铁心的定子槽内的绕组组成，所述定子槽采用梨形槽，槽口尺寸k在2.5-4.5mm之间，绕组节距为1，每匝线圈缠绕在一个定子齿上，极弧系数为0.8-0.9。

10.如权利要求9所述的外转子电机，其特征在于其极槽配合采用8极9槽、10极12槽、20极24槽、30极36槽、22极24槽、16极18槽或32极36槽。