CN104283387B - 易于制造的磁粉铸型双侧转子电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种易于制造的磁粉铸型双侧转子电机，包括定子、转子、转轴、轴承、霍尔元件；定子由上磁极、下磁极、线圈架、定子绕组组成，定子的两端设有2个以上凸起不对称磁极；上磁极和下磁极固定在线圈架上；上磁极和下磁极结构相同，均为由复合纳米晶压铸成型的一体件；线圈为一组，缠绕在线圈架上；2个转子设置在定子的两端；转子由基体和永磁磁体组成；2只轴承分别固定安装在定子的上磁极和下磁极上；霍尔元件设置在定子的上磁极或下磁极上；转轴分别与2只转子和2只轴承过盈配合连接。本发明结构和驱动电路简单，易于制造，磁场方向为轴向，磁极利用率高，能较多地节省人力成本，且便于制成特型电机。

Description

易于制造的磁粉铸型双侧转子电机

本申请是申请号为201210420753.9，申请日为2012年10月29日，发明创造名称为“磁粉铸型双侧转子电机”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及交流电机技术领域，特别涉及磁粉铸型的双侧转子结构的永磁交流电机。

背景技术

交流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，不足之处在于有时磁极没有电流流过，磁极利用率不高。

发明内容

本发明的目的是：克服现有技术中的不足，提供一种用复合纳米晶压铸成型的定子磁极、在软铁材料基体上粘接钕铁硼材料的永磁磁环的转子、仅设一个绕组、两个转子设于定子两端的磁粉铸型双侧转子结构的电机，该电机较之传统永磁电机结构相对简单，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：本发明的易于制造的磁粉铸型双侧转子电机，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；上磁极的中心设有上下向的轴孔；上磁极和下磁极结构相同，均为由复合磁粉晶或者复合纳米晶压铸成型的一体件；转子包括结构相同的上侧转子和下侧转子；上侧转子包括基体和固定安装在基体上的永磁磁极；上侧转子的基体的中心处设有上下向的轴孔；转轴为钢制长条棒状圆柱体件；

上述的上侧轴承固定安装在定子的上磁极上，下侧轴承固定安装在定子的下磁极上；霍尔元件固定安装在定子的上磁极或下磁极上；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；

上述的上侧转子以其永磁磁极与定子的上磁极相对设置、下侧转子以其永磁磁极与定子的下磁极相对设置且上侧转子以其永磁磁极的N极分别与下侧转子的永磁磁极的S极一一相对应的方式设置在定子的上下两端；

上述的转轴从上到下依次穿过上侧转子的轴孔、上侧轴承、上磁极的轴孔、下磁极的轴孔、下侧轴承和下侧转子的轴孔；转轴与转子以及轴承以过盈配合方式固定连接；

上述的定子的上磁极包括成一体的磁芯和凸起非对称磁极；磁芯包括成一体的位于上部的扁圆柱体部和位于下部的圆柱体部；扁圆柱体部的中心位置设置有轴承安装部；上述的轴孔设置在磁芯的中轴线上且其内径比转轴的外径略大；凸起非对称磁极的至少设置2个以上，凸起非对称磁极均匀分布设置在磁芯的扁圆柱体部的上端外周边上；

上述的转子的上侧转子的永磁磁极为永磁磁钢柱；上侧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，各永磁磁钢柱分别相应设置在基体的磁极安装孔内，且各永磁磁钢柱按照N极、S极相间的方式设置；各永磁磁钢柱的的下端面与上侧转子的下端面平齐；永磁磁钢柱的个数为定子的上磁极的凸起非对称磁极个数的2倍。

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的2倍；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从下向上插入绕组架的圆柱体部内；上磁极和下磁极在绕组架的圆柱体部内紧密接触，且上磁极的凸起非对称磁极和下磁极的凸起非对称磁极上下一一对称；上磁极和下磁极与绕组架经浸漆处理后固为一体。

本发明具有积极的效果：（1）本发明的易于制造的磁粉铸型双侧转子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）本发明的易于制造的磁粉铸型双侧转子电机电机仅设有一个绕组线圈，线圈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，仅需一个全桥驱动电路简化，进一步降低电机的制造成本，而且电机的可靠性得到提高。（3）本发明通过结构上的改进，可以制造转动惯量较小的细长电机和超薄电机等特型电机，满足一些特殊需要。（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为本发明的电机的内部结构示意图；

图2为图1中的定子的上磁极的结构示意图，图中阴影部分为凸起非对称磁极；图中还显示了安装在定子上的霍尔元件；

图3为图2的A-A向剖视图；

图4为图1中的定子的下磁极的结构示意图；图中阴影部分为凸起非对称磁极；图4与图2一起，还显示了定子的上磁极和下磁极上的凸起非对称磁极在安装时的对应关系；

图5为4的B-B向剖视图；

图6为两个转子与转轴连接关系示意图；

图7为图6的C向视图；

图8为图6的D向视图；图8与图7一起，显示了安装时两个转子上永磁磁极的位置对应关系；

图9为图1所示电机的驱动控制器的电路原理框图；

图10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；

图11a～11f为图1所示电机的工作原理示意图。

上述附图中的附图标记如下：

定子1，上磁极11，磁芯11-1，扁圆柱体部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，扁圆柱体部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，上圆环部13-1，下圆环部13-2，圆柱体部13-3，定子绕组14，

转子2，上侧转子21，基体21-1，磁环21-2，轴孔21-3，下侧转子22，基体22-1，磁环22-2，轴孔21-3，

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1，参见图2，本实施例的易于制造的磁粉铸型双侧转子电机，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2个，按上、下位置区别为上侧转子21和下侧转子22。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2和图3，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由成一体的位于上部的扁圆柱体部11-1-1和位于下部的圆柱体部11-1-2组成，扁圆柱体部11-1-1的中心位置设置有轴承安装部；扁圆柱体部11-1-1和圆柱体部11-1-2同轴线，其二者共同的轴线即为磁芯11-1的中轴线；磁芯11-1的中轴线上设有内径比转轴3的外径略大的轴孔11-1-3；上磁极11的凸起非对称磁极11-2设置在磁芯11-1的扁圆柱体部11-1-1的上端外周边上，与扁圆柱体部11-1-1一体连接；凸起非对称磁极11-2的个数至少设置2个以上，具体数量可根据需要设置，各凸起非对称磁极11-2均匀分布设置在扁圆柱体部11-1-1的上端外周边上。本实施例中，凸起非对称磁极11-2的个数为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4和图5，定子1的下磁极12的结构和上磁极11的结构相同。

定子1的上磁极11和下磁极12均为由复合纳米晶材料压铸成型的一体件。

仍见图1，定子1的绕组架13为塑料一体件。绕组架13由上圆环部13-1、下圆环部13-2和圆柱体部13-3组成。上圆环部13-1和下圆环部13-2的形状结构相同，圆柱体部13-3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的上下向高度的2倍。上圆环部13-1和下圆环部13-2中间的通孔的内径与圆柱体部13-3的内径相同。绕组架13的圆柱体部13-3将上圆环部13-1和下圆环部13-2连接成一体。

定子绕组14由铜制导线缠绕在绕组架13的圆柱体部13-3的外壁上而成。

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13-3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13-3内；将上磁极11和下磁极12在绕组架13的圆柱体部13-3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上下一一对称后，再将上磁极11和下磁极12与绕组架13进行浸漆处理，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6至图8，转子2的上侧转子21由基体21-1和固定安装在基体21-1上的永磁磁极组成。本实施例中，永磁磁极优选用钕铁硼材料制成的多磁极永磁磁环21-2。基体21-1的材质为电工软铁；基体21-1的形状为扁圆柱体；其直径与定子1的上磁极11的磁芯11-1的扁圆柱体部11-1-1的直径相当；基体21-1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，作为上侧转子21与转轴3套接的轴孔21-1-1。磁环21-2上设置有均匀相间的N极和S极的永磁磁极。磁环21-2上的N极永磁磁极和S极永磁磁极的个数之和为定子1的上磁极11的凸起非对称磁极11-2个数的2倍。本实施例中，磁环21-2上均匀相间设置有N0、N1、N2、N3共4个N极以及S0、S1、S2、S3共4个S极。磁环21-2用强力胶胶接固定在基体21-1的下端面的外周，与基体21-1成一体连接。

转子2的下侧转子21的材质和结构与上侧转子21相同。

安装时，使上侧转子21的磁环21-2上的N极或S极分别与下侧转子22的磁环22-2上的S极和N极一一相对应，也即在上下向的同一条与转轴3的轴线平行的直线上，且上侧转子21以其磁环21-2朝下与定子1的上磁极11的凸起非对称磁极11-2相对、下侧转子22的磁环22-2朝上与定子1的下磁极12的凸起非对称磁极12-2相对的方式安装。

仍见图1，轴承4的上侧轴承41固定安装在定子1的上磁极11的磁芯11-1的扁圆柱体部11-1-1的轴承安装部上；轴承4的下侧轴承42固定安装在定子1的下磁极12的磁芯12-1的扁圆柱体部12-1-1的轴承安装部上。

见图2，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可固定安装在定子1的上磁极11的磁芯11的扁圆柱体部11-1-1的上端面上；霍尔元件5也可固定安装在定子1的下磁极12的磁芯12-1的扁圆柱体部12-1-1的端面上；本实施例中，霍尔元件5优选固定安装在定子1的上磁极11的磁芯11的扁圆柱体部11-1-1的上端面上。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，本实施例的易于制造的磁粉铸型双侧转子电机组装时，转轴3从上到下依次穿过转子2的上侧转子21的基体21-1的轴孔21-1-1、上侧轴承41、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、下侧轴承42和下侧转子22的基体22-1的轴孔22-1-1，转轴3与转子2以及轴承4的固定方式为过盈配合，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10，本实施例的易于制造的磁粉铸型双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11a～11f，本实施例的易于制造的磁粉铸型双侧转子电机的工作原理和过程如下述：

见图11a，假定当定子绕组通入正向电流时定子的A侧为N极，那么B侧就是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11b，当通入反向电流时定子的 A侧变为S极，B侧变为N极，此时，定子磁极极性与转子永磁磁环极性相同，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（A侧N1，B侧S1）与定子磁极相吸引，一个推，一个拉，加速转子到达图11c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11c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11c位置；再加正向电流，这时定子的A侧磁极变为N极，B侧磁极变为S极，如图11d所示；均与转子磁环极性相同，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（A侧N2，B侧S2）与定子磁极相吸引，一个推，一个拉，加速转子到达图11e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，定子相应变换两侧磁极的极性，转子始终受到向同一方向的力而连续转动；经过8个正反向电流，电机旋转一周。

（实施例2）

本实施例的易于制造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的上侧转子21的永磁磁极为永磁磁钢柱，永磁磁钢柱的个数为定子1的上磁极11的凸起非对称磁极11-2个数的2倍。永磁磁钢柱包括N极永磁磁钢柱和S极永磁磁钢柱；上侧转子21的基体21-1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，各永磁磁钢柱分别相应设置在基体21-1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上侧转子21的下端面平齐。各永磁磁钢柱与基体21-1的磁极安装孔的固定配合方式可以采用胶接固定，也可以采用过盈配合固定。转子2的下侧转子22的结构与上侧转子21的结构相同。

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 (1)

1. 一种易于制造的磁粉铸型双侧转子电机，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）的中心设有上下向的轴孔（11-1-3）；上磁极（11）和下磁极（12）结构相同，均为由复合纳米晶压铸成型的一体件；转子（2）包括结构相同的上侧转子（21）和下侧转子（22）；上侧转子（21）包括基体（21-1）和固定安装在基体（21-1）上的永磁磁极；上侧转子（21）的基体（21-1）的中心处设有上下向的轴孔（21-1-1）；转轴（3）为钢制长条棒状圆柱体件；

所述的上侧轴承（41）固定安装在定子（1）的上磁极（11）上，下侧轴承（42）固定安装在定子（1）的下磁极（12）上；霍尔元件（5）固定安装在定子（1）的上磁极（11）或下磁极（12）上；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；

所述的上侧转子（21）以其永磁磁极与定子（1）的上磁极（11）相对设置、下侧转子（22）以其永磁磁极与定子（1）的下磁极（12）相对设置且上侧转子（21）以其永磁磁极的N极分别与下侧转子（22）的永磁磁极的S极一一相对应的方式设置在定子（1）的上下两端；

所述的转轴（3）从上到下依次穿过上侧转子（21）的轴孔（21-1-1）、上侧轴承（41）、上磁极（11）的轴孔（11-1-3）、下磁极（12）的轴孔、下侧轴承（42）和下侧转子（22）的轴孔；转轴（3）与转子（2）以及轴承（4）以过盈配合方式固定连接；

所述的定子（1）的上磁极（11）包括成一体的磁芯（11-1）和凸起非对称磁极（11-2）；磁芯（11-1）包括成一体的位于上部的扁圆柱体部（11-1-1）和位于下部的圆柱体部（11-1-2）；扁圆柱体部（11-1-1）的中心位置设置有轴承安装部；所述的上磁极（11）的轴孔（11-1-3）设置在磁芯（11-1）的中轴线上且其内径比转轴（3）的外径略大；凸起非对称磁极（11-2）设置2个以上，凸起非对称磁极（11-2）均匀分布设置在磁芯（11-1）的扁圆柱体部（11-1-1）的上端外周边上；

所述的转子（2）的上侧转子（21）的永磁磁极为永磁磁钢柱；上侧转子（21）的基体（21-1）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，各永磁磁钢柱分别相应设置在基体（21-1）的磁极安装孔内，且各永磁磁钢柱按照N极、S极相间的方式设置；各永磁磁钢柱的下端面与上侧转子（21）的下端面平齐；永磁磁钢柱的个数为定子（1）的上磁极（11）的凸起非对称磁极（11-2）个数的2倍；

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（13-1）、下圆环部（13-2）和圆柱体部（13-3）；上圆环部（13-1）和下圆环部（13-2）的形状结构相同；圆柱体部（13-3）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）的上下向高度的2倍；上圆环部（13-1）和下圆环部（13-2）中间的通孔的内径与圆柱体部（13-3）的内径相同；绕组架（13）的圆柱体部（13-3）将上圆环部（13-1）和下圆环部（13-2）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（13-3）内；下磁极（12）由其磁芯的圆柱体部从下向上插入绕组架（13）的圆柱体部（13-3）内；上磁极（11）和下磁极（12）在绕组架（13）的圆柱体部（13-3）内紧密接触，且上磁极（11）的凸起非对称磁极（11-2）和下磁极（12）的凸起非对称磁极上下一一对称；上磁极（11）和下磁极（12）与绕组架（13）经浸漆处理后固为一体。