CN104953737B - 一种永磁无刷电机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种永磁无刷电机，包括外定子和内转子。所述外定子包括环状的定子铁芯、位于定子铁芯端部的端盖。所述转子包括转子铁芯、安装到所述转子铁芯的外周表面的永磁体。所述定子铁芯包括环状的轭部、从所述轭部向内伸出的s个齿，每个齿绕制有定子绕组，s为大于4的整数。所述转子的永磁体形成p个磁极，p为大于2且小于s的偶数。与每个磁极对应的永磁体被n‑1根磁体凹槽沿转子的周向等分为n份，其中，n为大于1的整数且p*n为s的整数倍。本发明通过构造磁体凹槽将每个磁极对应的永磁体等分为若干份，使电机运行时磁场的波动次数等与定子槽数的整数倍，在不改变电机的极槽数、不明显改变电机性能的基础上显著地增加了电机的启动转矩。

Description

一种永磁无刷电机
【技术领域】
本发明涉及电机领域，具体地，涉及使用永磁体的无刷电机。
【背景技术】
现有的无刷直流电机包括外定子和可转动地安装到定子的内转子。内转子具有转子铁芯、固定到转子铁芯的永磁体，所述永磁体使转子形成偶数个磁极。外定子包括环状的定子铁芯、绕制到定子铁芯的向内伸出的齿的定子绕组、安装孔定子铁芯一端的电子换向电路等。
一些应用场合需要无刷电机具有较大的启动转矩（Detent Torque）。
因此，亟需一种增加无刷电机启动转矩的方案。
【发明内容】
本发明的一个目的是增加电机的启动转矩。
为此，本发明提供一种永磁无刷电机，包括定子和转子。所述定子包括环状的定子铁芯，所述转子包括转子铁芯、安装到所述转子铁芯的外周表面的永磁体；所述转子可转动地安装到所述定子。所述定子铁芯包括环状的轭部、从所述轭部向内伸出的s个齿，每个齿绕制有定子绕组，s为大于4的整数。所述转子的永磁体形成p个磁极，p为大于2且小于s的偶数。与每个磁极对应的永磁体被n-1条磁体凹槽沿转子的周向等分为n份，其中，n为大于1的整数且p*n为s的整数倍。
作为本发明的一种改进方案，所述转子使用的永磁体为一体式环状永磁体，所述环状永磁体的表面设有p*n条磁体凹槽用于将所述环状永磁体沿着转子的周向等分为p*n份。
作为本发明的一种改进方案，所述p*n根磁体凹槽设置于所述环状永磁体的外周外面。
作为本发明的一种改进方案，所述转子使用的永磁体由若干块弧形的永磁体组成，每块弧形的永磁体形成一个磁极，每块弧形的永磁体的表面设有n-1条磁体凹槽用于将所述弧形的永磁体沿着转子的周向等分为n份。
作为本发明的一种改进方案，所述n-1条磁体凹槽设置在所述弧状的永磁体的径向外表面。
作为本发明的一种改进方案，所述若干块弧形的永磁体间隔设置，所述每条磁体凹槽的沿转子周向的宽度基本等于相邻两块永磁体之间的间距。
作为本发明的一种改进方案，所述转子铁芯的外周表面具有p个沿轴向延伸的铁芯凹槽，每个铁芯凹槽位于所述p个磁极中相应两个磁极的分界处。
作为本发明的一种改进方案，每个齿具有朝向所述转子铁芯的极面，每个齿的极面的中心设有极面凹槽用于沿转子的周向将所述极面等分为两份。
作为本发明的一种改进方案，所述环状的轭部的外周表面设有s个轭部凹槽，每个凹槽与对应的齿的中心对齐。
作为本发明的一种改进方案，s为6，p为4，n为3。
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
本发明的电机的永磁体设有磁体凹槽将每个磁极对应的永磁体等分为若干份，使电机运行时磁场的波动次数是定子槽数的整数倍，在不改变电机的极槽数、不明显改变电机性能的基础上显著地增加了电机的启动转矩。
【附图说明】
图1是本发明一个实施例提供的永磁无刷电机的示意图；
图2是图1所示无刷电机使用的定子铁芯、定子绕组的示意图；
图3是图1所示无刷电机使用的转子铁芯、永磁体的的示意图；
图4是本发明提供的4个电机的测试结果汇总图；
图5是现有的4个电机的测试结果汇总图；
图6是本发明另一个实施例提供的无刷电机使用的定子铁芯、定子绕组的示意图。
【具体实施方式】
参考图1至图3，本实施例提供的电机100包括外定子和内转子，其中，定子包括一端开口的杯状的外壳21、安装到外壳21内并被外壳21紧箍的环状定子铁芯、绕制于定子铁芯的齿35的定子绕组38、以及驱动电路（例如电子换向电路）。转子包括转轴41、固定到转轴41的转子铁芯43、安装到转子铁芯43的外周表面的永磁体47。转子的转轴41通过轴承25可转动地安装到定子的端盖23，定子铁芯围绕转子铁芯43和永磁体47设置。
定子铁芯包括环状的轭部31、从轭部31向内伸出的6个齿35，相邻的齿35之间形成绕线槽。每个齿35上绕制有定子绕组38。定子绕组38在驱动电路的驱动下，使定子形成6个定子极，即，相当于每个齿35形成一个定子极。
永磁体47为一体式环状永磁体，该环形永磁体被充磁以沿着转子铁芯的周向形成4个磁极。因此，该电机可称为4极（4个磁极）6槽（6个绕线槽）电机。
本实施例中，环状永磁体47的外周表面设有12条轴向磁体凹槽48，该12条磁体凹槽48沿转子周向均匀隔开，将环状永磁体沿着转子的周向等分为12份，刚好是定子齿数的整数倍。优选地，所述凹槽48的横截面为弧形。每条磁体凹槽48的周向尺寸相等，径向深度亦相等。优选地，每条磁体凹槽48的径向深度小于磁体径向厚度的20%。
永磁体47形成4个磁极，所以相当于每个磁极对应的永磁体部分为12等份中的3份。更具体地，每个磁极对应的永磁体部分被两条磁体凹槽48等分为3份，且相邻磁极的分界面与一相应磁铁凹槽48的中心一致。每极磁铁上有对称的两个完整凹槽48和两个半凹槽。
取4个根据上述实施例制造的无刷电机（编号分别为#1、#2、#3和#4），测试该4个电机在空载、负载下顺时针转动（CW）和逆时针转动（CCW）的电流（单位为A，安培）、转速（单位为RPM，转/分钟）、启动转矩（单位为mNm，毫牛米），测试结果如图4所示。该4个电机在CCW转向下启动转矩均值为24.1mNm，最大值为24.5mNm，最小值为23.6mNm，；在CW转向下启动转矩的均值为24.0mNm，最大值为24.7mNm，最小值为23.5mNm。
另取4个配置相同但是永磁体不设凹槽48的电机（编号分别为#5、#6、#7和#8）进行相同的测试，测试结果如图5所示，该4个电机在CCW转向下启动转矩的均值只有10.9mNm，最大值只有12.2mNm，最小值为9.8mNm；在CW转向下启动转矩的均值为10.9mNm，最大值为12.2mNm，最小值为8.8。
可见，实施本发明，能够在电机基本上保持性能的基础上，将启动转矩增加一倍左右，显著地增加了电机的启动转矩。
应当意识到，上述的4极（4个永磁体磁极）6槽（6个绕线槽）电机仅仅是举例说明，本发明还可以应用到其他极数、槽数的电机。
本发明可以应用到p极（转子具有p个磁极）s槽（定子具有s个齿）的永磁无刷电机，其中，s为大于4的整数，转子的永磁体形成p个磁极，p为大于2且小于s的偶数。与每个磁极对应的永磁体被n-1条凹槽沿转子的周向等分为n份，其中，n为大于1的整数且p*n为s的整数倍。充磁后磁场共p*n次高低波动，而定子齿数为s，因此磁场的波动数为齿数的整数倍，从而对齿槽转矩有明显增加的效果。
转子使用的永磁体可以是一体式的环状永磁体，该环形永磁体被充磁以沿转子周向形成p个磁极。
可以理解地，转子使用的永磁体也可以由p块沿转子周向排列的弧形永磁体组成，每块弧形永磁体形成一个磁极。
优选地，该磁体外表面的凹槽设置于永磁体的径向外表面。对于转子使用p块弧形永磁体的情况，所述p块弧形永磁体可间隔分布，每块弧形永磁体上设n-1条凹槽，每条凹槽的沿转子周向的宽度基本上等于相邻两块永磁体之间的间距。
优选地，转子铁芯43的外周表面还具有p个沿轴向延伸的铁芯凹槽45，每个铁芯凹槽45的中间线对应相应两个磁极的分界处。所述铁芯凹槽45的设置可以避免永磁铁的部分磁力线于此处短路，直接从S极走向N极。
优选地，转子铁芯43上设有若干定位孔，用来在永磁体充磁时定位用。
优选地，定子铁芯环状轭部31的外周表面设有s个轭部凹槽32、34，每个轭部凹槽与对应的齿的中心对齐。本实施例中，轭部凹槽32为圆弧状，用于装配时定位。轭部凹槽34中心位置具有向外突出的凸包用于焊接定位。进一步地，轭部31具有两个轭部凹槽34和4个轭部凹槽32，该两个轭部凹槽34沿径向相对以便于形成该轭部的铁芯片在该两个轭部凹槽34凸包处焊接在一起。
参考图6，本发明另一个实施例提供的电机定子与图2所示电机定子的主要区别在于，定子的每个齿35的极面的中心设有极面凹槽（也称辅助槽）36用于沿转子的周向将极面等分为两份。在极面设置极面凹槽36能进一步增加电机的启动转矩。
对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，如电机除了上面介绍的内转子式以外，亦可以为外转子式，即转子设置于定子外围，定子铁芯可以为上面介绍的整体式，亦可以为分体式结构，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种永磁无刷电机，包括定子和转子；所述定子包括环状的定子铁芯；所述转子包括转子铁芯、安装到所述转子铁芯的外周表面的永磁体；所述转子可转动地安装到所述定子；其特征在于：
所述定子铁芯包括轭部、从所述轭部伸出的s个齿，每个齿上绕制有定子绕组，s为大于4的整数，所述定子齿末端朝向转子的永磁体；
所述转子的永磁体形成p个磁极，p为大于2且小于s的偶数；
所述转子的永磁体为一体式环状永磁体或由若干块周向排列的弧形永磁体组成的环状永磁体，所述一体式环状永磁体的每1/p部分或每一块弧形永磁体形成一个磁极，每个磁极对应的一体式环状永磁体的1/p部分或弧形永磁体的两端分别设有半条沿转子的轴向延伸的磁体凹槽，或
所述转子的永磁体由若干块周向排列并间隔设置的弧形永磁体组成，每块弧形永磁体形成一个磁极；
与每个磁极对应的一体式环状永磁体的1/p部分或弧形永磁体被n-1条磁体凹槽沿转子的周向等分为n份，其中，n为大于1的整数且p*n为s的整数倍，所述磁体凹槽设于永磁体的朝向定子铁芯的表面。
2.如权利要求1所述的永磁无刷电机，其特征在于，所述永磁体为一体式环状永磁体或由若干块周向排列的弧形永磁体组成的环状永磁体，所述环状永磁体的朝向定子铁芯的表面的条磁体凹槽共有p*n条从而将所述环状永磁体沿着转子的周向等分为p*n份。
3.如权利要求2所述的永磁无刷电机，其特征在于，所述电机为内转子式，所述定子铁芯环绕于所述转子铁芯外围，所述p*n条磁体凹槽设置于所述环状永磁体的外周表面。
4.如权利要求1所述的永磁无刷电机，其特征在于，所述转子的永磁体由若干块周向排列并间隔设置的弧形永磁体组成，每条所述磁体凹槽的沿转子周向的宽度基本等于相邻两块永磁体之间的间距。
5.如权利要求1所述的永磁无刷电机，其特征在于，所述转子铁芯的外周表面具有p个沿轴向延伸的铁芯凹槽，每个铁芯凹槽位于对应所述p个磁极中相应两个相邻磁极的分界处。
6.如权利要求1所述的永磁无刷电机，其特征在于，每个齿具有朝向所述转子铁芯的极面，每个齿的极面的中心设有辅助槽。
7.如权利要求1所述的永磁无刷电机，其特征在于，所述定子铁芯的轭部为环形，环形轭部的外周表面设有s个轭部凹槽，每个凹槽与对应的齿的中心对齐。
8.如权利要求1所述的永磁无刷电机，其特征在于，s为6，p为4，n为3。
9.如权利要求1所述的永磁无刷电机，其特征在于，所述定子铁芯环状轭部的外周表面设有至少一个轭部凹槽，所述轭部凹槽内设向外突出的凸包。
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