CN105871158A - 空心杯电枢内外转子无刷直流永磁电动机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空心杯电枢内外转子无刷直流永磁电动机，包括轴系组件和动组件，轴系组件包括转轴、轴承、第一端盖、空心杯定子和法兰盘，动组件包括机壳、外永磁体、内永磁体、导磁环和第二端盖，空心杯定子由杯形骨架和绕组组成，空心杯定子通过连接所述法兰盘进一步固定连接于第一端盖上，空心杯定子径向内侧为内永磁体，空心杯径向外侧为外永磁体；内永磁体内壁套在导磁环上；外永磁体外壁紧贴在机壳内壁上；导磁环和所述机壳通过卡口与第二端盖内侧嵌合固定；第一端盖和第二端盖为凸形，第一端盖通过轴承与转轴相连，第二端盖通过螺钉与转轴固定，内永磁体和外永磁体的磁极极性在径向方向上相同。

Description

空心杯电枢内外转子无刷直流永磁电动机
技术领域
本发明涉及永磁直流电机技术领域，特别涉及一种内外转子结构的空心杯电枢无刷直流永磁电动机。
背景技术
永磁式电动机因其结构紧凑、体积小、运行可靠、尺寸和形状灵活多样等特点，尤其是空心杯电动机因其重量轻、无齿槽效应、转动惯量小、快速响应且运行平稳等特点，在日常生活、工业生产及航空航天等领域都有广泛应用。
目前永磁式电动机仍存在如下不足：(1)永磁式电动机中，硅钢片以及其它软磁材料的使用量占单个电动机总重比重比较大，而处于交变磁场中硅钢片和软磁材料因磁场方向的不断变化和磁通密度幅值的高低起伏而产生磁滞损耗和涡流损耗即铁损增大。(2)目前的空心杯永磁电机以有刷结构和内转子无刷结构为主，由于结构形式的限制尚不能有效地消除电动机内的铁损和寿命问题。(3)以空心杯为载体的空心杯电机，线杯制作是一个关键因素，而现有的空心杯制作中，导线的空间利用不足等缺陷凸显。(4)为了保证电机性能，空心杯线圈节距通常采用整距绕组，而对于尺寸相对较大的空心杯，以整距线圈为目标的线杯绕制通常效果不佳，甚至无法绕制成型。因此，空心杯无刷电机需要采用多槽多极的配合形式，这就导致空心杯的线包数增加，给线杯的制作增加了难度，对以2极3槽为主的空心杯无刷电机结构带来了新的挑战。(5)相比有铁芯电机，空心杯电机中线杯所处的空气气隙要大得多，使得气隙磁密也较低，因此，在使用同种牌号磁钢的前提下空心杯电机的性能通常低于有铁芯电机。
发明内容
本发明提供的空心杯电枢内外转子无刷直流永磁电动机，空心杯定子的绕组与法兰盘粘接后固持在端盖上保持绝对静止，内永磁体、外永磁体、导磁环和机壳彼此之间相对静止，电机在运转过程中，机壳与导磁环因相对内永磁体、外永磁体静止而不存在交变磁场引起的铁损，且内永磁体和外永磁体的磁动势为串联形式，使电动机内气隙磁通密度大幅提升，同时，空心杯定子绕组采用层叠绕制的形式，能够方便地实现不同性能要求的线杯绕制，有效解决了电动机内铁损大、气隙磁密度低、空心杯制作中导线的空间利用不足、以及电枢绕组线杯绕制效果不佳，甚至无法绕制成型的缺陷。
所述具体来说，本发明提供了如下技术方案：
空心杯电枢内外转子无刷直流永磁电动机，包括轴系组件和动组件，轴系组件包括转轴、轴承、第一端盖、空心杯定子和法兰盘，动组件包括机壳、外永磁体、内永磁体、导磁环和第二端盖，空心杯定子由杯形骨架和绕组组成，空心杯定子通过连接法兰盘进一步固定连接于第一端盖上，空心杯定子径向内侧为内永磁体，空心杯径向外侧为外永磁体；内永磁体内壁套在导磁环上；外永磁体外壁紧贴在机壳内壁上；导磁环和机壳通过卡口与第二端盖内侧嵌合固定；第一端盖和第二端盖为凸形，第一端盖通过轴承与转轴相连，第二端盖通过螺钉与转轴连接。
优选地，内永磁体和外永磁体的磁极极性在径向方向上相同极数相等，且在磁路中为串联结构。
优选地，内永磁体内壁与导磁环外壁接触面、外永磁体外壁与机壳外壁接触面以及导磁环、内永磁体、外永磁体和机壳与第二端盖内侧的接触面均加强力胶进行固定。
优选地，空心杯定子的绕组线头通过引线连接驱动控制器。
优选地，第一端盖轴向内侧上设置连接有霍尔元件的PCB板，PCB板通过引线连接驱动控制器。
优选地，轴承为机械轴承、永磁偏置混合磁悬浮轴承和/或纯电轴承。
优选地，空心杯定子的绕组通过采用线包层叠组合的形式缠绕在骨架上，每个绕制好的线包留有三相绕组的线头A、B、C和线尾X、Y、Z，将线包的线尾X、Y、Z连接，对应的将线包的线头A、B、C连接，构成了绕组并绕层叠接法。
优选地，空心杯定子的绕组通过采用线包层叠组合的形式缠绕在骨架上，每个绕制好的线包留有三相绕组的线头A、B、C和线尾X、Y、Z，通过将第一个线包的线尾X、Y、Z与第二个线包的线头A、B、C串联起来，增加每相绕组的匝数，构成了绕组串联层叠接法。
优选地，空心杯定子与外永磁体之间气隙和空心杯定子与内永磁体之间气隙的距离为0.1-0.3毫米。
优选地，空心杯定子与外永磁体之间气隙和空心杯定子与内永磁体之间气隙的距离为0.2毫米。
与现有技术相比，本发明提供的吸尘器高速无刷直流永磁电动机，具有以下有益效果：
1)电动机的内永磁体、外永磁体、导磁环和机壳在电动机运转过程中一同旋转，彼此之间保持相对静止，使得动组件内的铁磁材料磁场强度保持恒定，机壳与导磁环不存在因旋转产生周期性交变磁场引起的铁损，使导磁环和机壳内的铁损几乎为零，使得电动机内做有用功的能量比例增加，提高了电机运行效率。
2)采用双永磁体串联形式，使得空心杯定子所处的气隙磁通密度增大，保证了较厚的空心杯定子所需的气隙磁通，使本发明的空心杯电枢内外转子无刷直流永磁电动机拥有很好的性能。
3)内永磁体套在导磁环上，既可以增加电动机的有效磁通，还可以使内永磁体在旋转过程中更稳固，外永磁体紧贴在机壳内壁上，不仅可以减小外永磁体的磁压降，还可避免外永磁体因离心力而晃动。
4)采用多层线包层叠的形式既可以达到增加每个线包匝数的目的，还可以实现多股导线并绕，且空心杯定子5绕组的线圈节距为整距绕组，达到了很好的电枢绕组绕制效果，满足了电动机对扭矩的使用需求。
5)采用本实施例的电动机对软铁材料的使用量较少，使电动机结构紧凑、制作方便，具有重量轻、效率高、扭矩大及运行平稳的特点。
附图说明
图1是本发明的空心杯电枢内外转子无刷直流永磁电动机的剖视图。
图2是本发明的空心杯电枢内外转子无刷直流永磁电动机的内外永磁体磁极排列配置示意图。
图3是本发明的空心杯电枢内外转子无刷直流永磁电动机的内部空载磁场分布图。
图4是本发明的空心杯电枢内外转子无刷直流永磁电动机的空心杯外转子无刷电动机的等效磁路图。
图5是本发明的空心杯电枢内外转子无刷直流永磁电动机的空心杯绕组并绕层叠Y形接法示意图。
图6是本发明的空心杯电枢内外转子无刷直流永磁电动机的另一种实施例的剖视图。
图7是本发明的空心杯电枢内外转子无刷直流永磁电动机的空心杯绕组串联层叠Y形接法示意图。
附图符号说明如下：
1-卡簧；2-轴承；3-第一端盖；4-法兰盘；5-空心杯定子；6-外永磁体；7-机壳；8-内永磁体；9-导磁环；10-转轴；11-螺钉；12-第二端盖；13-垫片；14-引线；15-驱动控制器；16-PCB板；17-霍尔元件；18-引线。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
图1为本发明提供的空心杯电枢内外转子无刷直流永磁电动机的剖视图，包括轴系组件和动组件，轴系组件包括转轴10、轴承2、第一端盖3、空心杯定子5和法兰盘4，动组件包括机壳7、外永磁体6、内永磁体8、导磁环9和第二端盖12，空心杯定子5由杯形骨架和绕组组成，空心杯定子5左侧端通过连接法兰盘4上端侧进一步的与第一端盖3进行固定连接，在电动机工作状态下保持绝对静止。空心杯定子5径向内侧为内永磁体8，空心杯定子5径向外侧为外永磁体6；内永磁体8内壁套在导磁环9上，外永磁体6外壁紧贴在机壳7内壁上，内永磁体8和外永磁体6的磁极极性在径向方向上相同；导磁环9右端和机壳7右端通过卡口与第二端盖12内左侧嵌合固定；第一端盖3和第二端盖12为凸形，在第一端盖3和第二端盖12凸部中轴内设置转轴10，第二端盖12凸部通过螺钉11与转轴10固定连接；第一端盖3通过轴承2与转轴10相连，第一端盖3凸部设置有轴承2，轴承2包括设置在第一端盖3基部与转轴10相连的第一轴承和设置在第一端盖3凸部顶部与转轴10相连的第二轴承；空心杯定子5上绕组线头通过引线14连接外部驱动控制器15，驱动控制器15接通电源后，可实现对电动机的电子换向控制，使该电动机正常运转；
第二端盖12与转轴10通过过盈配合限制动组件与转轴10之间的相对周向转动，并通过螺钉11进一步固定这种周向转动，使运行更可靠；转轴10通过在第一轴承左侧设置卡簧1和第二轴承右侧设置垫圈13来限定电动机的轴向窜动；
其中，导磁环9、内永磁体8、外永磁体6和机壳7与第二端盖12内侧接触面通过加强力胶固定，内永磁体8内壁与导磁环9外壁接触面和外永磁体6外壁与机壳7外壁接触面均加强力胶进行固定。
轴承2为机械轴承、永磁偏置混合磁悬浮轴承和/或纯电轴承。
外永磁体6和内永磁体8为粘结钕铁硼、烧结钕铁硼、锶钡铁氧体、铝镍钴和/或钐钴磁性材料。
图2是空心杯电枢内外转子无刷直流永磁电动机的内外永磁体磁极排列配置示意图，内永磁体8和外永磁体6的磁极极性在径向方向上相同且极数相等，使内永磁体8和外永磁体6采用串联结构。
内永磁体8套在导磁环9上，既可以增加电动机的有效磁通，还可以使内永磁体9在旋转过程中更稳固，外永磁体6紧贴在机壳7内壁上，不仅可以减小外永磁体6的磁压降，还可避免外永磁体6因离心力而晃动；
内永磁体8、外永磁体6、导磁环9和机壳7在电动机运转过程中一同旋转，彼此之间保持相对静止，使得动组件的铁磁材料内磁场强度能够保持恒定，根据铁磁材料的磁滞损耗以及涡流损耗的特点可知，机壳7与导磁环9因相对外永磁体6和内永磁体8相对静止而不存在因旋转产生周期性交变磁场引起的铁损，使导磁环9和机壳7内的铁损几乎为零，使得电动机内做有用功的能量比例增加，提高了电机运行效率。
图3是本发明的永磁电动机的动组件内部空载磁场的分布图，因内永磁体8和外永磁体6的磁极极性在径向方向上相同且极数相等，使内永磁体8和外永磁体6采用串联结构，即内永磁体8和外永磁体6沿着磁场方向必须保持相同的N→S排列或S→N排列，电动机内气隙磁通密度大幅提升，使永磁体对外提供比较大的磁动势。
图4是本发明的空心杯电枢内外转子无刷直流永磁电动机的等效磁路图，F′m1为内永磁体磁动势，Rm1为内永磁体内磁阻，R1为空心杯定子5与外永磁体6和内永磁体8之间气隙的气隙磁阻，F′m2为外永磁体磁动势，Rm2为外永磁体内磁阻，Φm为磁路的总磁通，Φδ为主磁通，Φσ为漏磁通，Rσ为漏磁阻，R2为机壳7的磁阻，R3为导磁环9的磁阻，R4为机壳7与外永磁体6和内永磁体8与导磁环9接触之间的间隙总磁阻；
动组件作为一个整体，在正常运行过程中一同旋转，导磁环8和机壳6内的磁场恒定，且没有铁损，使电动机内部磁场分布比较均匀，电动机运行平稳；导磁环9和机壳7采用铁或硅钢材料的软磁材料制成，其磁阻相对较小，在整个主磁路回路中产生的磁压降比重不大；因空气的相对磁导率接近于1，使得气隙磁阻R1相对比较大，相应的磁压降也大，通过使空心杯定子5与外永磁体6、内永磁体8之间气隙保持在0.1-0.3毫米的间隙，同时采用内永磁体8和外永磁体6串联形式，永磁体能够对外磁路提供比较大的磁动势，从而能够确保足够的气隙磁通，因此，使本发明的空心杯电枢内外转子无刷直流永磁电动机拥有很好的性能。
图5是本发明的空心杯电枢内外转子无刷直流永磁电动机的空心杯绕组并绕层叠Y形接法示意图，空心杯定子5的绕组通过采用线包层叠组合的形式进行缠绕，每个绕制好的线包留有三相绕组的线头A、B、C和线尾X、Y、Z，将线尾X、Y、Z连接起来，形成“Y”形接法的公共端，将线头A、B、C对应接在一起，构成了绕组并绕层叠的形式。
空心杯定子5在骨架上进行绕组的机器绕制，包括卷绕、斜绕和拼装式绕制等绕制方法，线杯导体能够依次连续排列成长条形，每个线圈的线头和线尾均可自由连接，构成Y形接法或△形接法，同时，采用多层线包层叠的形式既可以达到增加每个线包匝数的目的，还可以实现多股导线并绕，且空心杯定子5绕组的线圈节距为整距绕组；
绕组经压平、卷圆、校圆和浸胶等一些工序，拥有较好的导线排布，严格控制空心杯定子5的内外径尺寸、圆度和外形，使空心杯5与外永磁体6、内永磁体8之间气隙保持0.1-0.3毫米的间隙；采用双永磁体串联，使得空心杯定子5所处的气隙磁通密度增大，保证了较厚的空心杯定子所需的气隙磁通。
采用本实施例的无霍尔元件的永磁电动机，电动机对软铁材料的使用量较少，使电动机结构紧凑、制作方便，具有重量轻、效率高、扭矩大及运行平稳的特点。
实施例2
本实施例提供的空心杯电枢内外转子无刷直流永磁电动机为有霍尔元件的永磁电动机，其轴系组件与动组件与实施例1的无霍尔元件的永磁电动机的结构完全一样，在实施例1永磁电动机结构基础上增加了一个PCB板16、霍尔元件17和引线18。
图6是本实施例提供的有霍尔元件的空心杯电枢内外转子无刷直流永磁电动机的剖视图，包括轴系组件和动组件，轴系组件包括转轴10、轴承2、第一端盖3、空心杯定子5和法兰盘4，动组件包括机壳7、外永磁体6、内永磁体8、导磁环9和第二端盖12，空心杯定子5由杯形骨架和绕组组成，空心杯定子5左侧端通过连接法兰盘4上端侧进一步的与第一端盖3进行固定连接，在电动机工作状态下保持绝对静止。空心杯定子5径向内侧为内永磁体8，空心杯定子5径向外侧为外永磁体6；内永磁体8内壁套在导磁环9上，外永磁体6外壁紧贴在机壳7内壁上，内永磁体8和外永磁体6的磁极极性在径向方向上相同；导磁环9右端和机壳7右端通过卡口与第二端盖12内左侧嵌合固定；第一端盖3和第二端盖12为凸形，在第一端盖3和第二端盖12凸部中轴内设置转轴10，第二端盖12凸部通过螺钉11与转轴10固定连接；第一端盖3通过轴承2与转轴10相连，第一端盖3凸部设置有轴承2，轴承2包括设置在第一端盖3基部与转轴10相连的第一轴承和设置在第一端盖3凸部顶部与转轴10相连的第二轴承；空心杯定子5上绕组线头通过引线14连接外部驱动控制器15；PCB板16固定在第一端盖3轴向内侧上，霍尔元件17固定在PCB板16上面并连接起来，引线18从PCB板16上接出来与驱动控制器15连接，驱动控制器15接通电源后，可实现对电机的电子换向控制，使该电机正常运转；
霍尔元件17可以检测旋转的动组件包括机壳7、外永磁体6、内永磁体8、导磁环9和第二端盖12的旋转位置。
该实施例提供的有霍尔元件的空心杯电枢内外转子无刷直流永磁电动机能够通过增加编码器等控制或检测元件，即可以做成伺服电动机，可应用于性能要求严格的控制领域。
实施例3
本实施例提供的空心杯电枢内外转子无刷直流永磁电动机结构与实施例1中永磁电动机结构的区别在于空心杯定子5绕组的绕制为串联层叠Y形接法。
图7是本发明的空心杯电枢内外转子无刷直流永磁电动机的空心杯绕组串联层叠Y形接法示意图，空心杯定子5的绕组通过采用线包层叠组合的形式缠绕在骨架上，每个绕制好的线包留有三相绕组的线头A、B、C和线尾X、Y、Z，通过将第一个线包的线尾X、Y、Z与第二个线包的线头A、B、C串联起来，增加每相绕组的匝数，构成了绕组串联层叠的形式。
空心杯定子5在骨架上进行绕组的机器绕制，包括卷绕、斜绕和拼装式绕制等绕制方法，线杯导体能够依次连续排列成长条形，每个线圈的线头和线尾均可自由连接，构成Y形接法或△形接法，同时，采用多层线包层叠的形式既可以达到增加每个线包匝数的目的，还可以实现多股导线并绕；
绕组经压平、卷圆、校圆和浸胶等一些工序，拥有较好的导线排布，严格控制空心杯定子5的内外径尺寸、圆度和外形，使空心杯定子5与外永磁体6、内永磁体8之间气隙保持0.1-0.3毫米的间隙；采用双永磁体串联，使得空心杯定子5所处的气隙磁通密度增大，保证了较厚的空心杯定子所需的气隙磁通，通过绕线层叠组合，能够满足扭矩相对较大的使用需求。
实施例4
本实施例提供的空心杯电枢内外转子无刷直流永磁电动机结构与实施例1中永磁电动机结构的区别在于空心杯定子5绕组的绕制后使空心杯定子5与外永磁体6、内永磁体8之间气隙保持0.2毫米的间隙。
绕组经压平、卷圆、校圆和浸胶等一些特定工序后，使绕组拥有较好的导线排布，严格控制空心杯定子5的内外径尺寸、圆度和外形，使空心杯定子5与外永磁体6、内永磁体8之间气隙保持0.2毫米的间隙；采用双永磁体串联，使得空心杯定子5所处的气隙磁通密度增大，保证了较厚的空心杯定子所需的气隙磁通，通过绕线层叠组合，能够满足扭矩相对较大的使用需求。
以上所述仅为本发明较佳实施例，并不用于局限本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的修改、等同替换和改进等，均需要包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.空心杯电枢内外转子无刷直流永磁电动机，其特征在于：包括轴系组件和动组件，所述轴系组件包括转轴(10)、轴承(2)、第一端盖(3)、空心杯定子(5)和法兰盘(4)，所述动组件包括机壳(7)、外永磁体(6)、内永磁体(8)、导磁环(9)和第二端盖(12)，所述空心杯定子(5)由骨架和绕组组成，空心杯定子(5)通过连接所述法兰盘(4)进一步固定连接于第一端盖(3)上，所述空心杯定子(5)径向内侧为内永磁体(8)，所述空心杯径向外侧为外永磁体(6)；所述内永磁体(8)内壁套在导磁环(9)上；所述外永磁体(6)外壁紧贴在机壳(7)内壁上；所述导磁环(9)和所述机壳(7)通过卡口与第二端盖(12)内侧嵌合固定；所述第一端盖(3)和所述第二端盖(12)为凸形，所述第一端盖(3)通过轴承(2)与转轴(10)相连，所述第二端盖(12)通过螺钉(11)与转轴(10)连接。
2.根据权利要求1所述的空心杯电枢内外转子无刷直流永磁电动机，其特征在于，所述的内永磁体(8)和外永磁体(6)的磁极极性在径向方向上相同极数相等，且在磁路中为串联结构。
3.根据权利要求1所述的空心杯电枢内外转子无刷直流永磁电动机，其特征在于，所述的内永磁体(8)内壁与导磁环(9)外壁接触面、外永磁体(6)外壁与机壳(7)外壁接触面以及导磁环(9)、内永磁体(8)、外永磁体(6)和机壳(7)与第二端盖(12)内侧的接触面均加强力胶进行固定。
4.根据权利要求1所述的空心杯电枢内外转子无刷直流永磁电动机，其特征在于，所述的空心杯定子(5)的绕组线头通过引线(14)连接驱动控制器(15)。
5.根据权利要求1所述的空心杯电枢内外转子无刷直流永磁电动机，其特征在于，所述的第一端盖(3)轴向内侧上设置连接有霍尔元件(17)的PCB板(16)，所述PCB板(16)通过引线(18)连接驱动控制器(15)。
6.根据权利要求1所述的空心杯电枢内外转子无刷直流永磁电动机，其特征在于，所述的轴承(2)为机械轴承、永磁偏置混合磁悬浮轴承和/或纯电轴承。
7.根据权利要求1所述的空心杯电枢内外转子无刷直流永磁电动机，其特征在于，所述的空心杯定子(5)的绕组通过采用线包层叠组合的形式缠绕在骨架上，每个绕制好的线包留有三相绕组的线头A、B、C和线尾X、Y、Z，将线包的线尾X、Y、Z连接，对应的将线包的线头A、B、C连接，构成了绕组并绕层叠接法。
8.根据权利要求1所述的空心杯电枢内外转子无刷直流永磁电动机，其特征在于，所述的空心杯定子(5)的绕组通过采用线包层叠组合的形式缠绕在骨架上，每个绕制好的线包留有三相绕组的线头A、B、C和线尾X、Y、Z，通过将第一个线包的线尾X、Y、Z与第二个线包的线头A、B、C串联起来，增加每相绕组的匝数，构成了绕组串联层叠接法。
9.根据权利要求1所述的空心杯电枢内外转子无刷直流永磁电动机，其特征在于，所述的空心杯定子(5)与外永磁体(6)之间气隙和空心杯定子(5)与内永磁体(8)之间气隙的距离为0.1-0.3毫米。
10.根据权利要求1所述的空心杯电枢内外转子无刷直流永磁电动机，其特征在于，所述的空心杯定子(5)与外永磁体(6)之间气隙和空心杯定子(5)与内永磁体(8)之间气隙的距离为0.2毫米。
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