CN104578663A - 一种直流无刷电机磁路结构及其永磁体内嵌式转子 - Google Patents

Abstract

一种直流无刷电机磁路结构及其永磁体内嵌式转子，涉及具有非机械换向装置的电机及其磁路零部件，尤其涉及一种应用磁效应装置的直流无刷电机及其永磁体内嵌式转子的磁路零部件结构，包括包括定子铁芯，转子铁芯，永磁体和磁敏传感器；永磁体的长度大于转子铁芯的长度，磁敏传感器设置在靠近转子铁芯的伸出部、远离定子磁场干扰的位置；永磁体槽的两端设有隔磁槽和固定永磁体的定位凸台；磁敏传感器感应永磁体的端部磁场，而非转子铁芯与永磁体的组合磁场，从而有效减少了因转子表面两磁极间的分界线不整齐、明晰，造成的霍尔信号抖动；改进后的结构使磁敏传感器远离定子磁场、温度的影响，进而提高电机运转的平顺性和可靠性。

Description

一种直流无刷电机磁路结构及其永磁体内嵌式转子

技术领域

本发明涉及具有非机械换向装置的电机及其磁路零部件，尤其涉及一种应用磁效应装置的直流无刷电机及其永磁体内嵌式转子的磁路零部件结构。

背景技术

直流无刷电机的基本结构是由电子开关换相装置、永磁式同步电动机以及位置传感器三者组成的，位置传感器将转子磁铁位置变换成电信号去控制电子开关换相装置，使定子的相电流随转子位置的变化而按正确的次序换相。这样才能让电子磁场随转子的旋转不断地变化、产生与转子转速同步的旋转磁场，用最大转矩推动转子旋转。无刷电机最常用的位置传感器是磁敏位置传感器，磁敏元件的主要工作原理是电流的磁效应，主要是霍尔效应或磁阻效应。采用磁敏位置传感器的无刷直流电动机，其磁敏传感器件（如霍尔元件、磁敏二极管、磁敏三极管、磁敏电阻器或专用集成电路）装在定子组件上，用来检测永磁体、转子旋转时产生的磁场变化。中国发明专利申请“直流无刷电机霍尔装置装配结构”（中国发明专利申请号200810062945.0，公开号CN101388591A）公开了一种直流无刷电机霍尔装置装配结构，属于电机生产制造的技术领域。它包括线路板，通过霍尔引脚焊接固定在线路板上的霍尔及与定子冲片固定的线圈骨架，其特征在于所述线圈骨架外圈端部和线路板之间形成相互配合的安装孔，所述线路板对应于安装孔部位至少一个表面嵌设有金属片，所述安装孔穿过金属片；所述线圈骨架外圈端部还形成有预定位销，所述线路板上设有与预定位销相应的预定位孔，以保证线路板对应于安装孔的部位不开裂，防止线路板因开裂而报废，该安装结构虽然解决了霍尔元件的定位问题。但是，该结构的霍尔位置传感器一般安装在相应的定子槽隙间，且安装高度不高于定子，霍尔位置传感器与转子永磁体磁极的间距较大，这一安装方式存在如下问题：

1、霍尔位置传感器容易受定子的磁场干扰，特别是大功率的应用场合；

2、当采用内嵌永磁体转子时，因为转子两磁极间的分界线不整齐、明晰，容易造成霍尔信号抖动，进而影响电机运转平顺和工作效率；

3、霍尔位置传感器容易受定子的高温影响，特别是大功率的应用场合；

另一方面，为了减少漏磁系数，增加永磁材料的利用率，现有的永磁无刷电机一般会采用隔磁措施，即在内置永磁体的左右两端布置隔磁气隙。中国发明专利“永磁体转子及其生产方法”（中国发明专利号ZL01121704.9，授权公告号CN1201463C）公开了一种转子铁心内嵌有永磁体的永磁体转子，包括：里面嵌有所述永磁体的狭缝；和在所述狭缝的纵向末端内侧靠近其纵向中部的位置设置的跨接部分，该跨接部分跨接所述转子铁心的相对于各个狭缝的径向靠外部分和径向靠内部分；所述狭缝的纵向末端开在所述转子铁心的外圆周面。中国发明专利申请“一种内嵌式正弦型面永磁电机转子”（中国发明专利申请号201210316633.4，公开号CN102857000A）公开了一种内嵌式正弦型面永磁电机转子。该发明在转子表面绕轴设置有若干连续相接的弧形凸起，根据相邻凸起相交点与转子轴心的连线将转子划分成若干等分的区域，在每个区域内分别设置有两个呈倒八字形排布的槽体，在槽体内插置有永磁体。但是，现有永磁体内嵌式转子的隔磁气隙ω和冲片边距b存在磁路结构突变，如图9和图10所示，引起局部磁密流向、磁密突变现象，这又会导致另外两个问题：

1、每个磁极的表磁波形为马鞍形，如图11中的m0所示，而且峰谷点相差较大，从而导致电机的转矩波动，影响电机运转的平顺性。

2、两磁极交界处出现两个表磁凸波，如图11中的t所示，这种由磁路结构性缺陷引起的表磁凸波，会使磁敏位置传感器（例如霍尔元件）的信号抖动，这又进一步造成电子开关换相装置输出的驱动波形畸变，导致电机输出转矩波动增加，运转噪音和震动增大，电机运转效率下降，损耗增加。

发明内容

本发明的目的是要提供一种新型直流无刷电机结构，能改善因转子表面两磁极间的分界线不整齐、明晰，造成霍尔位置传感器信号抖动的问题，而且可以有效减少霍尔位置传感器受定子磁场、温度的影响，进而提高电机运转的平顺性和可靠性。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种直流无刷电机磁路结构，包括定子铁芯5，由转子冲片30叠压而成的转子铁芯3，嵌装在转子铁芯3内部的永磁体1，以及用于检测转子磁场变化实现换向控制的磁敏传感器4；所述转子铁芯3的长度与定子铁芯5的长度一致，其特征在于：

所述永磁体1的长度大于转子铁芯3的长度，所述的永磁体1至少有一端伸出转子铁芯3的端面，形成永磁体1的伸出部；

所述的磁敏传感器4设置在转子铁芯3一端，位于靠近永磁体1的伸出部、远离定子磁场干扰的位置；所述的磁敏传感器4通过感应永磁体1伸出部的磁场变化检测转子旋转的位置。

本发明的直流无刷电机磁路结构的一种较佳的技术方案，其特征在于所述的磁敏传感器4立装在线路板41上，其感应部位靠近永磁体1的伸出部的外侧，在转子旋转时感应永磁体1伸出部外侧的磁场变化。

本发明的直流无刷电机磁路结构的一种更好的技术方案，其特征在于所述的磁敏传感器4平贴在线路板41上，其感应部位靠近永磁体1端面的位置，在转子旋转时感应永磁体1端部的磁场变化。

本发明的直流无刷电机磁路结构的一种改进的技术方案，其特征在于所述永磁体1伸出转子铁芯3两端的伸出部的长度相同。

本发明的直流无刷电机磁路结构的一种进一步改进的技术方案，其特征在于所述转子铁芯3的两端设有永磁体前端盖12和永磁体后端盖11；所述的永磁体1穿过转子铁芯3，通过永磁体前端盖12和永磁体后端盖11，固定在转轴31上构成一体化的直流无刷电机的转子。

本发明的另一个目的是要提供一种使用上述直流无刷电机磁路结构的新的内嵌永磁体转子，能改善每个磁极的马鞍形现象，使波形趋于平缓，并且能有效抑制两磁极交界处出现的两个表磁凸波，从而显著地改善电机的整体性能，使电机输出力矩更平顺、运转效率更高、震动更少。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种使用上述直流无刷电机磁路结构的永磁体内嵌式转子，包括由转子冲片30叠压而成的转子铁芯，均布设置在转子冲片30的圆周上的p对永磁体槽2，分别嵌装在各永磁体槽2中的p对永磁体1，其中p为大于或等于1的整数；所述的转子冲片30的外弧为标准圆弧；其特征在于：

所述的永磁体1的两端均向内倾斜一倾角Q，其中，Q=5°～20°；

在每个永磁体槽2的两端各设有一个隔磁槽20；

在永磁体槽2两端与隔磁槽20的分界处，设有固定永磁体1的定位凸台21。

本发明的永磁体内嵌式转子的一种较佳的技术方案，其特征在于所述的隔磁槽20的形状为沿永磁体1的端面延伸的圆角条状空间；所述的圆角条状空间由与永磁体1的端面基本平行的直线，以及连接在所述直线两端到永磁体槽2之间的平滑曲线构成；两相邻的隔磁槽20之间留有扇形的冲片连接区22。

本发明的永磁体内嵌式转子的一种更好的技术方案，其特征在于所述的隔磁槽20的形状为沿永磁体1的端面延伸的圆角扇形空间；所述的圆角扇形空间由与转子冲片径向基本平行的直线，以及连接在所述直线两端到永磁体槽2之间的平滑曲线构成；两相邻的隔磁槽20之间留有条状的冲片连接区22。

本发明的永磁体内嵌式转子的一种改进的技术方案，其特征在于所述的相邻两隔磁槽20之间的边界距离F为0.5-3mm。

本发明的永磁体内嵌式转子的一种进一步改进的技术方案，其特征在于所述的隔磁槽20的边界与转子冲片30外圆弧边界之间的距离G为0.5-3mm。

本发明的有益效果是：

1、本发明的直流无刷电机磁路结构，磁敏传感器感应永磁体的端部磁场，而非转子铁芯与永磁体的组合磁场，从而有效减少了因转子表面两磁极间的分界线不整齐、明晰，造成的霍尔信号抖动；改进后的结构使磁敏传感器远离定子磁场、温度的影响，进而提高电机运转的平顺性和可靠性。

2、本发明的永磁体内嵌式转子采用合理的转子布局和两端倾斜的永磁体，明显改善转子内部的局部磁密流向，消除磁密突变现象，使得转子表磁曲线大为改善，表磁曲线上的凸波得到有效的抑制，从而极大地改善了电机换相时出现的霍尔信号抖动现象，避免了驱动电路输出波形的畸变，减少了电机输出转矩波动，使电机运转平顺，提高电机运转的效率。

3、直流无刷电机磁路结构及其永磁体内嵌式转子，可使转子每磁极对应的表磁平均值较现有技术增加50%以上。同时，本发明使得每磁极对应的表磁波形得到明显改善，从而提高了电机的整体性能、功率密度也得到明显增加。

4、本发明的直流无刷电机用永磁体内嵌式转子具有散热效果好、节省材料的优点，而且较其他凸极转子或V槽转子，在电机高速运转条件下电机有更好的动平衡效果、更少的风噪，进一步达到降低成本和提高性能的目的。

附图说明

图1是本发明的直流无刷电机磁路结构的轴向剖视结构示意图；

图2是本发明的直流无刷电机磁路结构的另一个实施例的示意图；

图3是本发明的直流无刷电机磁路结构的径向剖视结构示意图；

图4是本发明的使用直流无刷电机磁路结构的永磁体内嵌式转子的结构示意图；

图5是本发明的永磁体内嵌式转子的转子冲片结构示意图；

图6是图5所示转子冲片结构示意图的B部局部放大图；

图7是本发明中转子内嵌的永磁体倾角示意图；

图8是本发明的永磁体内嵌式转子的另一个实施例的结构示意图；

图9是现有直流无刷电机用永磁体内嵌式转子的结构示意图；

图10是图9所示现有转子结构示意图的A部局部放大图；

图11是现有永磁体内嵌式转子的表磁分布图；

图12是本发明的永磁体内嵌式转子的表磁分布图。

以上图中的各部件的标号：1-永磁体，11-永磁体后端盖，12-永磁体前端盖，2-永磁体槽，20-隔磁槽，21-定位凸台，22-冲片连接区，3-转子铁芯，30-转子冲片，31-转轴，4-线路板，41-磁敏传感器，5-定子铁芯。

具体实施方式

为了能更好地理解本发明的上述技术方案，下面结合附图和实施例进行进一步地详细描述。

本发明的直流无刷电机磁路结构的一个实施例如图1所示，包括定子铁芯5，由转子冲片30叠压而成的转子铁芯3，嵌装在转子铁芯3内部的永磁体1，以及用于检测转子磁场变化实现换向控制的磁敏传感器4；所述转子铁芯3的长度与定子铁芯5的长度一致,在图1中用W标示；

所述永磁体1的长度大于转子铁芯3的长度，所述的永磁体1至少有一端伸出转子铁芯3的端面，形成永磁体1的伸出部，在图1中用伸出长度Y和V标示；

所述的磁敏传感器4设置在转子铁芯3一端，位于靠近永磁体1的伸出部、远离定子磁场干扰的位置；所述的磁敏传感器4通过感应永磁体1伸出部的磁场变化检测转子旋转的位置。

在图2所示的本发明的直流无刷电机磁路结构的实施例中，所述的磁敏传感器4立装在线路板41上，其感应部位靠近永磁体1的伸出部的外侧，在转子旋转时感应永磁体1伸出部外侧的磁场变化。

在图1所示的本发明的直流无刷电机磁路结构的实施例中，所述的磁敏传感器4平贴在线路板41上，其感应部位靠近永磁体1端面的位置，在转子旋转时感应永磁体1端部的磁场变化。

根据图1所示的本发明的直流无刷电机磁路结构的实施例，所述永磁体1伸出转子铁芯3两端的伸出部的长度相同,即，伸出长度Y=V。

在图1和图2所示的本发明的直流无刷电机磁路结构的实施例中，所述转子铁芯3的两端设有永磁体前端盖12和永磁体后端盖11；所述的永磁体1穿过转子铁芯3，通过永磁体前端盖12和永磁体后端盖11，固定在转轴31上构成一体化的直流无刷电机的转子。

在图1和图2所示的实施例中，磁敏传感器4置于靠近永磁体后端盖11的一侧，根据本发明的直流无刷电机磁路结构另外的实施例，磁敏传感器4也可以置于靠近永磁体前端盖12的一侧。所述的线路板41固定在无刷电机的定子或外壳上（图中未表示）。

图3是本发明的直流无刷电机磁路结构的径向剖视结构示意图，在该实施例中，电机的磁极对数p=2，定子铁芯5设有2对磁极，转子铁芯3内包括4块永磁体1。

图4是本发明的使用上述直流无刷电机磁路结构的永磁体内嵌式转子的一个实施例，包括由转子冲片30叠压而成的转子铁芯，均布设置在转子冲片30的圆周上的p对永磁体槽2，分别嵌装在各永磁体槽2中的p对永磁体1，其中p为大于或等于1的整数；所述的转子冲片30的外弧为标准圆弧；

所述的永磁体1的两端均向内倾斜一倾角Q（参见图7），以改善两磁极交界处出现的两个表磁凸波；根据本发明优选的实施例，倾角Q=5°～20°，在图4所示的实施例中，倾角Q=8°，永磁体1的两端面的夹角为16°。

在每个永磁体槽2的两端各设有一个隔磁槽20；

在永磁体槽2两端与隔磁槽20的分界处（图6中用双点划线表示），设有固定永磁体1的定位凸台21。

根据图4和图5所示的本发明的实施例，隔磁槽20的形状为沿永磁体1的端面延伸的圆角条状空间；所述的圆角条状空间由与永磁体1的端面基本平行的直线，以及连接在所述直线两端到永磁体槽2之间的平滑曲线构成，参见图6；两相邻的隔磁槽20之间留有扇形的冲片连接区22，参见图4和图5。

图8展示了本发明的永磁体内嵌式转子的另一个实施例，在该实施例中，隔磁槽20的形状为沿永磁体1的端面延伸的圆角扇形空间；所述的圆角扇形空间由与转子冲片径向基本平行的直线，以及连接在所述直线两端到永磁体槽2之间的平滑曲线构成；两相邻的隔磁槽20之间留有条状的冲片连接区22，参见图8。该实施例的结构便于工艺制造，而相邻两隔磁槽20之间的边界距离F增加，即增加了隔磁桥的长度，从而使漏磁系数更少。

在图4、图5和图8所示的本发明的永磁体内嵌式转子的实施例中，转子冲片30为一体冲裁成型，磁极对数p=2，设置有4个永磁体槽2，和8个分布在永磁体槽2两端的隔磁槽20。相邻两隔磁槽20之间的边界距离F为0.5-3mm，隔磁槽20的边界与转子冲片30外圆弧边界之间的距离G为0.5-3mm。本发明通过控制局部的磁密饱和，实现控制每个磁极的漏磁系数，使得转子每极的表磁增加，永磁体的利用率得以提高。在上述实施例中，永磁体1采用截面为梯形的条状永磁体，永磁体槽2为与永磁体1梯形截面对应的多段直线围成的梯形空间。然而，在本发明另外的实施例中，永磁体1采用弧形永磁体，对应的永磁体槽2设计为与永磁体1弧形截面一致的弧形空间。

虽然在图4、图5和图8所示的实施例中，磁极对数p=2，对应的永磁体1的对数为2对，本发明的永磁体内嵌式转子的技术方案同样也可以用于其他不同磁极对数p的直流无刷电机，例如，对应1或3、4、5对磁极的电机，采用1或3、4、5对永磁体1。

本发明通过采用合理的转子布局和两端倾斜的永磁体，使转子内部永磁体的磁密流向较现有技术有所改变，明显改善局部磁密流向，消除磁密突变现象，使得转子表磁曲线大为改善。本发明的永磁体内嵌式转子的表磁分布图如图12所示，与图11所示的现有技术方案的表磁曲线相比较，可以看出，表磁曲线上的两个凸波（图11中的t所示）得到有效的抑制，从而极大地改善了电机换相时出现的霍尔信号抖动现象，避免了驱动电路输出波形的畸变，减少了电机输出转矩波动，使电机运转平顺，提高电机运转的效率。

比较图12和图11还可以看出，在同样采用表磁为200mT永磁体的条件下，采用了本发明的直流无刷电机用永磁体内嵌式转子的改进结构后，转子每磁极对应的表磁平均值为140mT（见图12右侧的标尺），而现有技术方案每磁极对应的表磁平均值为90mT（见图11右侧的标尺），因此，本发明可使转子每磁极对应的表磁平均值较现有技术增加50%以上。同时，比较图11中的表磁波形m0和图12中的表磁波形m，可以看出，本发明使得每磁极对应的表磁波形的马鞍形得到明显改善，从而提高了电机的整体性能、功率密度也得到明显增加。

此外，本发明中的转子冲片30叠压后，各隔磁槽20在转子中形成通风散热通道，使转子具有散热效果好、节省材料的优点，而且较其他凸极转子或V槽转子，在电机高速运转条件下电机有更好的动平衡效果、更少的风噪，进一步达到降低成本和提高性能的目的。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明的技术方案，而并非用作为对本发明的限定，任何基于本发明的实质精神对以上所述实施例所作的变化、变型，都将落在本发明的权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种直流无刷电机磁路结构，包括定子铁芯（5），由转子冲片（30）叠压而成的转子铁芯（3），嵌装在转子铁芯（3）内部的永磁体（1），以及用于检测转子磁场变化实现换向控制的磁敏传感器（4）；所述转子铁芯（3）的长度与定子铁芯（5）的长度一致；其特征在于：

所述永磁体（1）的长度大于转子铁芯（3）的长度，所述的永磁体（1）至少有一端伸出转子铁芯（3）的端面，形成永磁体（1）的伸出部；

所述的磁敏传感器（4）设置在转子铁芯（3）一端，位于靠近永磁体（1）的伸出部、远离定子磁场干扰的位置；所述的磁敏传感器（4）通过感应永磁体（1）伸出部的磁场变化检测转子旋转的位置。

2.根据权利要求1所述的直流无刷电机磁路结构，其特征在于所述的磁敏传感器（4）立装在线路板（41）上，其感应部位靠近永磁体（1）的伸出部的外侧，在转子旋转时感应永磁体（1）伸出部外侧的磁场变化。

3.根据权利要求1所述的直流无刷电机磁路结构，其特征在于所述的磁敏传感器（4）平贴在线路板（41）上，其感应部位靠近永磁体（1）端面的位置，在转子旋转时感应永磁体（1）端部的磁场变化。

4.根据权利要求1、2或3所述的直流无刷电机磁路结构，其特征在于所述永磁体（1）伸出转子铁芯（3）两端的伸出部的长度相同。

5.根据权利要求1、2或3所述的直流无刷电机磁路结构，其特征在于所述转子铁芯（3）的两端设有永磁体前端盖（12）和永磁体后端盖（11）；所述的永磁体（1）穿过转子铁芯（3），通过永磁体前端盖（12）和永磁体后端盖（11），固定在转轴（31）上构成一体化的直流无刷电机的转子。

6.一种使用权利要求1至5之任一权利要求的直流无刷电机磁路结构的永磁体内嵌式转子，包括由转子冲片（30）叠压而成的转子铁芯，均布设置在转子冲片（30）的圆周上的p对永磁体槽（2），分别嵌装在各永磁体槽（2）中的p对永磁体（1），其中p为大于或等于1的整数；所述的转子冲片（30）的外弧为标准圆弧；其特征在于：

所述的永磁体（1）的两端均向内倾斜一倾角Q，其中，Q=5°～20°；

在每个永磁体槽（2）的两端各设有一个隔磁槽（20）；

在永磁体槽（2）两端与隔磁槽（20）的分界处，设有固定永磁体（1）的定位凸台（21）。

7.根据权利要求6所述的直流无刷电机用永磁体内嵌式转子，其特征在于所述的隔磁槽（20）的形状为沿永磁体（1）的端面延伸的圆角条状空间；所述的圆角条状空间由与永磁体（1）的端面基本平行的直线，以及连接在所述直线两端到永磁体槽（2）之间的平滑曲线构成；两相邻的隔磁槽（20）之间留有扇形的冲片连接区（22）。

8.根据权利要求6所述的直流无刷电机用永磁体内嵌式转子，其特征在于所述的隔磁槽（20）的形状为沿永磁体（1）的端面延伸的圆角扇形空间；所述的圆角扇形空间由与转子冲片径向基本平行的直线，以及连接在所述直线两端到永磁体槽（2）之间的平滑曲线构成；两相邻的隔磁槽（20）之间留有条状的冲片连接区（22）。

9.根据权利要求6、7或8所述的直流无刷电机用永磁体内嵌式转子，其特征在于所述的相邻两隔磁槽（20）之间的边界距离F为0.5-3mm。

10.根据权利要求6、7或8所述的直流无刷电机用永磁体内嵌式转子，其特征在于所述的隔磁槽（20）的边界与转子冲片（30）外圆弧边界之间的距离G为0.5-3mm。