CN105978270A - 一种定子分区式双凸极永磁无刷电机 - Google Patents

一种定子分区式双凸极永磁无刷电机 Download PDF

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杜怿
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Abstract

本发明公开一种电机制造技术领域中的定子分区式双凸极永磁无刷电机，由外到内依次是同轴的外部定子、中间转子和内部定子，外部定子由一个环形定子铁芯和多块永磁体组成，多块永磁体沿圆周方向上有间隔地嵌在定子铁芯中，每两块永磁体组成一对极；中间转子由转子铁芯和非导磁的连接结构组成，连接结构沿圆周方向上均匀嵌在转子铁芯中，连接结构将转子铁芯分割成多块转子铁芯块，内部定子为凸极结构，凸极齿上绕有电枢绕组；绕组和永磁体分开放置，永磁体放置在外部定子上，使永磁体产生的热量可以通过机壳进行散热，永磁体易于冷却，可以有效避免永磁体发生不可逆退磁现象；转子采用分割式结构，可以有效减小电机转子的铁芯损耗，提高电机效率。

Description

一种定子分区式双凸极永磁无刷电机
技术领域
本发明属于电机制造技术领域，具体涉及一种双凸极永磁无刷电机。
背景技术
双凸极永磁电机是开关磁阻电机和永磁电机的结合体，在电磁特性和控制策略上和开关磁阻电机有很多相同之处，比如转子结构简单、适合高速运行，控制电路简单等等。同时，双凸极永磁电机还拥有传统永磁电机高功率密度、高效率的特点。双凸极永磁电机是具有不同极槽配比、不同形式的电机，在定子上设永磁体并绕电枢绕组，但定子上的永磁体和电枢绕组基本处于定子的同一位置，绕组铜耗产生的热量和永磁体涡流损耗产生的热量相对集中，导致永磁体散热困难，容易发生不可逆退磁的风险。
发明内容
本发明的目的是解决现有双凸极永磁无刷电机中永磁体与绕组靠在一起而导致的永磁体散热困难、容易发生不可逆退磁的问题，提供了一种定子分区式的双凸极永磁无刷电机，将永磁体与绕组分开放置，构成定子分区式的结构，避免永磁体因散热困难而引起的不可逆退磁，同时绕组热量不会对永磁体产生影响，以提高电流线负荷，提高电机功率密度。
本发明一种定子分区式双凸极永磁无刷电机采用的技术方案是：由外到内依次是同轴的外部定子、中间转子和内部定子，外部定子内表面和中间转子外表面之间具有外气隙，中间转子内表面和内部定子外表面之间具有内气隙，外部定子由一个环形定子铁芯和多块永磁体组成，多块永磁体沿圆周方向上有间隔地嵌在定子铁芯中，每两块永磁体组成一对极，每块永磁体都是切向充磁，相邻的两块永磁体充磁方向相反；中间转子由转子铁芯和非导磁的连接结构组成，所述连接结构沿圆周方向上均匀嵌在转子铁芯中，连接结构将转子铁芯分割成多块转子铁芯块，转子铁芯块的内、外径对应地等于连接结构的内、外径；内部定子为凸极结构，凸极齿上绕有电枢绕组。
本发明采用上述技术方案后具有的有益效果：
1、本发明采用分区式的定子结构，将电机的绕组和永磁体分开放置，将永磁体放置在外部定子上，这样使永磁体产生的热量可以通过机壳进行散热，永磁体易于冷却，可以有效避免永磁体发生不可逆退磁现象。
2、本发明将电机的绕组放置在内部定子上，可以使绕组产生的热量通过电机轴向外传递，另外在电机轴上增设水冷通道，可以有效降低绕组以及内部定子铁芯的温度，减小内部定子的铁芯损耗，提高电机运行效率。
3、本发明电机的磁力线经过外部定子、中间转子、内部定子形成回路，充分利用了电机的内部空间，提高铁芯的利用率。
4、本发明中的转子采用分割式结构，转子有效部分由若干个转子铁芯块组成，相比传统的双凸极电机，本发明可以有效减小电机转子的铁芯损耗，提高电机效率。
5、本发明电机的绕组与永磁体分离，使得绕组产生的热量对永磁体性能不会产生影响，这样就可以提高电流线负荷，增大电机功率密度。
6、本发明采用三相集中式绕组，绕组端部长度短，这样可以减小绕组用铜量，降低电机制造成本。
7、本发明电机的永磁体位外部定子，永磁体用量方便选择，可以容纳更多的永磁体，使得电机具有很高的功率密度。
8、本发明电机的永磁体相对切向充磁，具有很高的聚磁效应，可以增大电机气隙磁密，提高电机功率密度。
9、本发明的电枢磁场和永磁磁场在磁路上来说是并联结构，具有很强的抗去磁能力，可以保证电机的可靠运行。
附图说明
图1为本发明一种定子分区式双凸极永磁无刷电机的平面结构示意图；
图2为图1中外部定子1的结构示意图；
图3是图2中外部定子1的局部结构几何尺寸标示放大图；
图4为图1中中间转子2的结构示意图；
图5是图4中中间转子2的局部结构几何尺寸标示放大图；
图6为图1中内部定子3放大的结构以及几何尺寸标示示意图；
图7为图1中内部定子3和电枢绕组4放大的结构示意图；
图8是图7中电枢绕组4的连接方式示意图；
图9为图1所示本发明的空载反电势波形图；
图中：1.外部定子；1.1.定子铁芯；1.2.永磁体；1.2.1.第一永磁体；1.2.2.第二永磁体；
2.中间转子；2.1.转子铁芯；2.2.非导磁的连接结构；2.1.1.转子铁芯块；3.内部定子；4.电枢绕组。
具体实施方式
参见图1，本发明在结构上从外到内依次是外部定子1、中间转子2、内部定子3，外部定子1、中间转子2和内部定子3为同轴安装，内部定子3为凸极结构，凸极齿上绕有电枢绕组4。外部定子1和电机外壳相连，中间转子2与电机转矩输出轴相连，内部定子3的中心有圆形槽，用于安放电机固定轴，内部定子3与电机固定轴相连。外部定子1、中间转子2和内部定子3都是由0.35mm厚度的硅钢片叠压而成，叠压系数为0.95，电机转矩输出轴和电机外壳均为非导磁材料组成。
外部定子1内表面和中间转子2外表面之间具有外气隙，中间转子2内表面和内部定子3外表面之间具有内气隙，内、外气隙的长度都是0.4-0.8mm，其具体数值与电机的功率等级、所选取的永磁材料以及定转子加工和装配工艺有关。
参见图2，外部定子1由一个定子铁芯1.1和多块永磁体1.2组成，定子铁芯1.1为环形结构，多块永磁体1.2沿定子铁芯1.1的圆周方向上有间隔地嵌在定子铁芯1.1中。永磁体1.2的内、外径分别等于定子铁芯1.1的内、外径，永磁体1.2的侧边与定子铁芯1.1紧密贴合在一起。定子铁芯1.1与永磁体1.2之间采用磁钢胶粘结为一个整体，外层用不导磁材料进行加固。
参见图3，多块永磁体1.2中的每两块永磁体1.2组成一对极，一对极中的两块永磁体1.2分别是第一永磁体1.2.1和第二永磁体1.2.2，一对极中的两块永磁体1.2关于每对极中心面m对称。每块永磁体1.2都是切向充磁，相邻的两块永磁体1.2充磁方向相反，一对极中的两块永磁体1.2充磁方向相反。
外部定子1的外径为R1，R1的取值与电机功率密切相关；而外部定子1的内径为R2，其值一般满足R2＝(0.65～0.75)*R1。
永磁体1.2的极对数Npm与内部定子3的凸极齿数Ns相等，相邻的两个对极中心面m之间的夹角为α1，其值满足α1＝360/Ns。
为了使电机获得良好的电磁性能，本发明对永磁体1.2的厚度和位置都有严格的要求。每对极中，位于两块永磁体1.2.1和永磁体1.2.2之间的定子铁芯1.1的内弧角为β1，其值满足β1＝15～16deg。每块永磁体1.2沿充磁方向的厚度d1是永磁体1.2.1和永磁体1.2.2之间的定子铁芯1.1同方向厚度的一半，即d1满足d1＝R2*sinβ1/2。
参见图4，中间转子2由转子铁芯2.1和非导磁的连接结构2.2组成，转子铁芯2.1是环形结构，在转子铁芯2.1上沿圆周方向上均匀嵌入非导磁的连接结构2.2，连接结构2.2将转子铁芯2.1分割成多块转子铁芯块2.1.1的结构，转子铁芯块2.1.1的数量即为电机的极数Np。相邻的两个转子铁芯块2.1.1之间用非导磁材料的连接结构2.2填充，使中间转子2成为一个整体。转子铁芯块2.1.1的内径等于连接结构2.2的内径，转子铁芯块2.1.1的外径等于连接结构2.2的外径。
参见图5，转子铁芯块2.1.1与非导磁的连接结构2.2交替排列，相邻的两块转子铁芯块2.1.1的极距所占角度为α2，其值满足α2＝360/Np。转子铁芯块2.1.1的外弧半径为R3，其值满足R3＝R2-g，g为中间转子2与外部定子1之间的外气隙的长度。转子铁芯块2.1.1的内弧半径为R4，其值满足R4＝(0.75～0.8)*R3。转子铁芯块2.1.1外弧角为β3，其值满足β3＝(2/3～4/7)*α2。转子铁芯块2.1.1内弧角为β2，其值满足β2＝(0.8～0.9)*α2。
参见图6，内部定子3为凸极结构，凸极数量即极数Ns与外部定子1中的永磁体1.2的极对数Npm相等。相邻两个凸极的极距所占角度为α3，其值满足α3＝360/Ns。内部定子3的凸极极弧角度为β5，其值满足β5＝(0.34～0.46)*α3；内部定子3凸极底部的角度为β4，其值满足β4＝(0.6～0.7)*α3；内部定子3的凸极外径为R5，其值满足R5＝R4-g，g为中间转子2和内部定子3之间的内气隙长度；内部定子3轭部半径为R6；内部定子3凸极外径R5及其极弧角度β5、内部定子3凸极底部角度β4和内部定子3的轭部半径R6须满足：R5*sin(β5/2)＝R6*sin(β4/2)。内部定子3的内径为R7，其值与电机固定轴半径相等。
内部定子3的极数Ns与中间转子2的极数Nr的关系满足其中，m为电机相数，Nc为每相绕组线圈个数。
参见图7和图8，“×”为电枢绕组4的进线方向，“·”为电枢绕组4的出线方向。电枢绕组4为三相集中式绕组，每相绕组包含两个绕组线圈，如A相绕组包含A1线圈和A2线圈，且A1线圈和A2线圈串联连接。每个线圈绕组4绕在内部定子3凸极上，每相绕组线圈的数量Nc与内部定子3的凸极数量Ns相等。
参见图9，为本发明的空载反电势波形图，从图9中可以看出三相反电势波形基本对称，相位相差120deg，与三相正弦波比较接近，适合于无刷交流运行。

Claims (5)

1.一种定子分区式双凸极永磁无刷电机，由外到内依次是同轴的外部定子(1)、中间转子(2)和内部定子(3)，外部定子(1)内表面和中间转子(2)外表面之间具有外气隙，中间转子(2)内表面和内部定子(3)外表面之间具有内气隙，其特征是：外部定子(1)由一个环形定子铁芯(1.1)和多块永磁体(1.2)组成，多块永磁体(1.2)沿圆周方向上有间隔地嵌在定子铁芯(1.1)中，每两块永磁体(1.2)组成一对极，每块永磁体(1.2)都是切向充磁，相邻的两块永磁体(1.2)充磁方向相反；中间转子(2)由转子铁芯(2.1)和非导磁的连接结构(2.2)组成，所述连接结构(2.2)沿圆周方向上均匀嵌在转子铁芯(2.1)中，连接结构(2.2)将转子铁芯(2.1)分割成多块转子铁芯块(2.1.1)，转子铁芯块(2.1.1)的内、外径对应地等于连接结构(2.2)的内、外径；内部定子(3)为凸极结构，凸极齿上绕有电枢绕组(4)。
2.根据权利要求1所述一种定子分区式双凸极永磁无刷电机，其特征是：相邻的两块转子铁芯块(2.1.1)的极距所占角度为α2＝360/Np，Np是转子铁芯块(2.1.1)的数量；转子铁芯块(2.1.1)的外弧半径为R3、内弧半径为R4，R4＝(0.75～0.8)*R3；转子铁芯块(2.1.1)外弧角β3＝(2/3～4/7)*α2；转子铁芯块(2.1.1)内弧角β2＝(0.8～0.9)*α2。
3.根据权利要求1所述一种定子分区式双凸极永磁无刷电机，其特征是：永磁体(1.2)的内、外径对应地等于定子铁芯(1.1)的内、外径，外部定子(1)的外径为R1、内径为R2，R2＝(0.65～0.75)*R1。
4.根据权利要求1所述一种定子分区式双凸极永磁无刷电机，其特征是：内部定子(3)的凸极数Ns等于永磁体(1.2)的极对数，相邻的两个对极中心面之间的夹角α1＝360/Ns；每对极中，位于两块永磁体(1.2)之间的定子铁芯(1.1)的内弧角β1＝15～16°；每块永磁体(1.2)沿充磁方向的厚度是位于两块永磁体(1.2)之间的定子铁芯(1.1)同方向厚度的一半。
5.根据权利要求1所述一种定子分区式双凸极永磁无刷电机，其特征是：内部定子(3)的相邻两个凸极的极距所占角度为α3＝360/Ns；Ns是内部定子(3)的凸极数，内部定子(3)的凸极弧角度为β5＝(0.34～0.46)*α3；内部定子(3)凸极底部的角度β4＝(0.6～0.7)*α3；内部定子(3)凸极外径R5和极弧角度β5、凸极底部弧角度β4和轭部半径R6须满足：R5*sin(β5/2)＝R6*sin(β4/2)。
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