CN107733200B - 一种永磁无刷电机及应用该永磁无刷电机的电动单车 - Google Patents

一种永磁无刷电机及应用该永磁无刷电机的电动单车 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种永磁无刷电机及应用该永磁无刷电机的电动单车，该永磁无刷电机包括定子及可相对于所述定子转动的转子。所述电机还包括位置检测装置，所述位置检测装置包括安装到所述转子的永磁组件以及安装到所述定子的用于感应磁场变化的传感器。所述永磁组件包括永磁环、贴附到永磁环的一个轴向端面的导磁环，所述永磁环与所述导磁环的整体高度沿所述永磁环的周向发生周期性变化。本发明提供的永磁无刷电机具有定位精度高的优点。

Description

一种永磁无刷电机及应用该永磁无刷电机的电动单车
【技术领域】
本发明涉及一种电机，尤其是涉及一种永磁无刷电机及应用该永磁无刷电机的电动单车。
【背景技术】
没有机械换向器的电机(也叫无刷电机)通常使用电子换向器来检测电机转子的转动位置、并根据转动位置变换定子的电流方向。电子换向器包括位置检测装置，位置检测装置包括永磁环和传感器，其中，永磁环安装到转子并随着转子转动，传感器用于感应磁场的变化从而检测出转子的转动角度。
现有的位置检测装置的检测准确度和/或精度不够，亟需改进。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述技术的不足，提供一种永磁无刷电机及应用该永磁无刷电机的电动单车。
本发明提供的一种永磁无刷电机，包括定子及可相对于所述定子转动的转子；所述电机还包括位置检测装置，所述位置检测装置包括安装到所述转子的永磁组件以及安装到所述定子的用于感应磁场变化的传感器；所述永磁组件包括永磁环、贴附到永磁环的一个轴向端面的导磁环，所述永磁环与所述导磁环的整体高度沿所述永磁环的周向发生周期性变化。
进一步地，所述永磁环的轴向高度均匀，所述导磁环远离所述永磁环的一侧的轴向端面沿其周向形成有若干个凸起，相邻凸起之间为平滑过度。
进一步地，所述永磁环包括沿永磁环周向连续设置的若干个磁极，每个所述磁极与一个所述凸起相对应。
进一步地，每个所述磁极的中心与对应的所述凸起的中心对齐，相邻两个磁极的连接处与对应的相邻两个凸起的中心处相对齐。
进一步地，每个所述凸起的轴向高度随着电角度的正弦值变化而变化。
进一步地，所述电机为外转子电机，所述定子包括中心轴、轴套和至少一个定子单元，所述轴套固定套设到所述中心轴，所述定子单元固定套设到所述轴套。
进一步地，所述定子单元包括沿电机轴向叠置的两个定子芯片、夹设于两个定子芯片之间的定子轭以及绕组，所述两个定子芯片、定子轭分别固定套设到所述中心轴；所述绕组绕设于所述定子轭。
进一步地，所述定子芯片包括主体部以及沿主体部径向外侧面周向设置的多个定子齿，相邻的两个所述定子齿的中间具有凹槽，所述凹槽的底部靠近主体部的径向内侧面。
进一步地，所述凹槽内设有垫板作为磁桥用于部分地隔开相邻的两个所述定子齿。
进一步地，所述转子还包括筒状的外壳、分别连接到外壳轴向两端的两个端盖、沿外壳内壁周向交替设置的若干聚磁条以及若干永磁条，所述两个端盖分别安装到所述中心轴，所述永磁条夹设于相邻的两个所述聚磁条之间。
进一步地，所述两个端盖的底部分别设有轴承座，所述轴承座内安装有轴承，用于安装到所述中心轴；所述两个端盖的轴承座分别伸入所述轴套两端的轴套凹槽中，其中一个端盖的轴承座的端部安装所述永磁组件。
进一步地，其中一个所述端盖的轴承座的端部安装有安装支架，所述永磁组件安装到所述安装支架内；所述安装支架和永磁组件环绕所述中心轴设置。
进一步地，所述永磁组件的永磁环的径向外侧面周向间隔设置有多个凹部，所述安装支架内设有安装部，所述安装部具有多个凸部以卡合到所述凹部。
进一步地，所述轴套的其中一端的轴套凹槽的底部对应所述永磁组件的位置处安装所述传感器；所述传感器靠近所述永磁组件。
进一步地，每个所述聚磁条包括两个相互对称的间隔一定距离的子聚磁条，所述两个子聚磁条相对的两个侧面上分别具有一斜面，所述两斜面形成一开口朝向所述外壳内壁的V型槽，外壳内壁上具有与所述V型槽相卡合的凸楞。
进一步地，所述子聚磁条的两个轴向端面分别具有两个凸块，所述凸块靠近所述外壳的内壁，凸块容置在对应的所述端盖底部的环形槽中。
进一步地，所述端盖底部的环形槽内设有一固定圈，所述固定圈的径向外侧面抵靠到所述凸块的径向内侧面。
本发明还提供了一种电动单车，包括车架、安装到车架的从动轮和驱动轮，还包括上述技术方案中任一项技术方案所述的永磁无刷电机，所述电机的定子的中心轴安装到所述车架；所述驱动轮安装到所述转子，所述驱动轮的转动中心轴与所述中心轴重合。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的永磁无刷电机的永磁组件的整体高度沿周向发生周期性变化，提高了电机对转子的位置检测的精度和准确度。
【附图说明】
图1为本发明实施例提供的一种永磁无刷电机的立体示意图；
图2是图1的电机的剖视图；
图3是图1的电机的定子的立体示意图；
图4是图3的定子单元的分解示意图；
图5是图1的电机的转子的分解示意图；
图6是图5的部分聚磁条和永磁条的平面示意图；
图7是图5的部分聚磁条和永磁条的立体示意图；
图8是图5的端盖与永磁组件的剖视图；
图9是图8的安装部与永磁组件的立体示意图；
图10是图9的永磁环与导磁环展开的平面示意图；
图11是应用该永磁无刷电机的电动单车的驱动轮骨架与电机的结构示意图；
图12是图11的电动单车的结构示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
参照图1和图2，本发明提供的一种永磁无刷电机100，其是外转子电机，可应用在电动单车300上。该电机100包括定子20和环绕该定子20的转子50，转子50可转动地安装到定子20，可相对于定子20的中心轴21转动。
参照图2和图3，定子20包括中心轴21、轴套22和至少一个定子单元23。轴套22由导磁材料制成，轴套22固定套设到中心轴21定子单元23固定套设到轴套22。本实施例中，定子单元23为三个，以提高转矩平衡度，三个定子单元23沿轴向依次叠置。
参照图4，定子单元23包括两个定子芯片24、夹设于两个定子芯片24之间的定子轭25以及绝缘线架31、绕组26。两个定子芯片24、定子轭25分别固定套设到轴套22。定子轭25为环状。绝缘线架31固定套设到定子轭25，并夹设于两个定子芯片24之间，绕组26绕设于绝缘线架31，从而绝缘线架31将绕组26与两个定子芯片24隔离开来。本实施例中，绕组26由扁平状的导线绕制而成。相对于现有的圆形截面的导线，扁平状的导线可提高两个定子芯片24之间的空间利用率，提高电机100的工作效率。
定子芯片24大致呈齿轮状，定子芯片24由导磁材料制成。定子芯片24包括主体部27以及沿主体部27径向外侧面周向设置的多个定子齿28，相邻的两个定子齿28的中间具有凹槽29，凹槽29的底部靠近主体部27的径向内侧面。凹槽29内设有垫板30作为磁桥用于部分地开个相邻的两个定子齿28，垫板30由高磁阻且较轻的材料制成，如塑料或塑胶等材料，用于增加磁阻。
参照图2、图5、图6和图7，转子50包括外壳51、两个端盖52、聚磁条53和永磁条54。外壳51呈圆筒状，两个端盖52分别通过紧固件安装到外壳51的轴向两端，该紧固件可为螺栓。两个端盖52可转动第安装到轴套22，具体地，两个端盖52的底部分别设有轴承座55，转子通过轴承座55内的轴承56可转动地安装到轴套22，使转子能够相对于轴套22及中心轴21转动。优选地，轴套22的两端分别沿轴向内凹从而形成轴套凹槽22a、22b，两轴承座55分别伸入到轴套凹槽22a、22b中，使结构更紧凑。
聚磁条53和永磁条54沿外壳51内壁周向交替设置，永磁条54夹设于相邻的两个聚磁条53之间，永磁条54呈长方体。永磁条54的两个轴向端面与聚磁条53的两个轴向端面平齐，永磁条54靠近外壳51内壁的径向外侧面与聚磁条53靠近外壳51内壁的径向外侧面大致平齐。永磁条54沿转子50的周向极化，且相邻两个永磁条54的极性相反，聚磁条53可聚集相邻两个永磁条54的磁力线，相邻两个聚磁条53的极性相反。聚磁条53包括两个相互对称的间隔一定距离的子聚磁条531，子聚磁条531大致呈长方体。两个子聚磁条531相对的两个侧面上分别具有一斜面532，斜面532靠近外壳51内壁。两斜面532形成一开口朝向外壳51内壁的V型槽533，外壳51内壁上具有与V型槽533相卡合的凸楞511，从而能够防止聚磁条53和永磁条54相对于外壳51转动。相邻两个聚磁条53的两个相邻的子聚磁条531相对的两个侧面分别形成有沿周向伸出的卡块535用于卡住永磁条54的径向内端，将永磁条54牢牢地夹设在相邻两个聚磁条53之间。
子聚磁条531的径向外端具有凸块534凸出于其轴向端面，凸块534靠近外壳51内壁，凸块534容置在对应的端盖52底部的环形槽521中，凸块534的轴向端面抵靠到环形槽521的底面。端盖52底部的环形槽521内设有一固定圈59，固定圈59的径向外侧面抵靠到凸块534的径向内侧面，其径向内侧面位于子聚磁条531的径向内侧面的外侧。固定圈59的轴向两端面分别与聚磁条53的轴向端面、环形槽521的底面紧密贴合，以防止聚磁条53相对于外壳51转动。
参照图2、图8、图9和图10，电机100还包括位置检测装置，位置检测装置包括永磁组件60以及传感器63。转子50转动时，永磁组件60随着转子50转动从而导致磁场发生变化，传感器63通过检测磁场变化来检测转子50的转动位置或转动角度。本实施例中，其中一个端盖52的轴承座55的端部安装有安装支架57，安装支架57内设有安装部58，永磁组件60安装到安装部58，永磁组件60、安装部58和安装支架57环绕中心轴21设置。传感器63安装到轴套22的的轴套凹槽22a的底部，与永磁组件60相对应，并靠近永磁组件60，以便检测永磁组件60的磁场变化。优选地，传感器63为霍尔传感器，检测精度高，效率高。
永磁组件60包括永磁环61、贴附到永磁环61的一个轴向端面的导磁环62，永磁环61为永磁体，导磁环62均由导磁材料制成。优选地，永磁环61和导磁环62通过粘胶的方式组合在一起。永磁环61的径向外侧面周向间隔设置有多个凹部612，安装部58的径向外侧面沿永磁环61的方向伸出多个凸部631，凸部631卡合到凹部612，以将永磁环61固定到安装部58，便于安装。
永磁环61与导磁环62的整体高度沿永磁环61的周向发生平滑地、周期性的变化。具体的，导磁环62远离永磁环61的一侧的轴向端面沿其周向形成有若干个连续的凸起621，凸起621的轴向端面为光滑的曲面，使永磁环61与导磁环62的整体高度沿永磁环61的周向呈波形变化。采用这种结构设计，使得转子50实时运转的位置定位更精确，从而通过传感器63检测出来的转子50实时运转的位置更加准确。
永磁环61包括沿永磁环61周向连续设置的若干个磁极，若干个磁极包括由沿永磁环61周向连续交替设置的N磁极611b和S磁极611a形成，每个N磁极611b、S磁极611a分别与一个凸起621相对应。N磁极611b、S磁极611a的轴向中心线L2与对应的凸起621的轴向中心线L1对齐，且相邻N磁极611b、S磁极611a的中心与对应的相邻两个凸起621的中心相对应，使得永磁组件60的磁力线呈半正弦波变化，提高传感器63的检测精度。凸起621的轴向高度随着电角度的正弦值变化，本实施例中，凸起621的轴向高度用Y来表示，电角度用X来表示，Y与X满足的关系为：Y＝sin(X)。
组装时，先将组装好的聚磁条53和永磁条54固定至外壳51的内壁，并使凸楞511卡合到V型槽533，然后将定子20置于聚磁条53、永磁条54围合的空间内，再分别将两个端盖52安装至外壳51的轴向两端，并通过两个端盖52的轴承座55内的轴承56安装到中心轴21，从而转子50能够相对于定子20转动。
参照图11和图12，本发明还提供了一种电动单车300，包括车架301、安装到车架301的从动轮302和驱动轮303、及上述技术方案中的永磁无刷电机100。驱动轮303包括驱动轮骨架304，电机100的定子20的中心轴21安装到车架301，电机100的转子50的两个端盖52分别安装到驱动轮骨架304，这样，转子50转动时，电动单车300的驱动轮303便旋转从而驱动电动单车300行走，转子50的实时运转，电动单车300的驱动轮304实时运转，从而电动单车300便能够持续运行。使用该永磁无刷电机100的电动单车300，具有工作效率高、成本较低的优点，适于推广。
以上实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，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，如对各个实施例中的不同特征进行组合等，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (16)

1.一种永磁无刷电机，包括定子及可相对于所述定子转动的转子；其特征在于：所述电机还包括位置检测装置，所述位置检测装置包括安装到所述转子的永磁组件以及安装到所述定子的用于感应磁场变化的传感器；所述永磁组件包括永磁环、贴附到永磁环的一个轴向端面的导磁环，所述永磁环与所述导磁环的整体轴向高度沿所述永磁环的周向发生周期性变化,所述永磁环的轴向高度均匀，所述导磁环远离所述永磁环的一侧的轴向端面沿其周向形成有若干个凸起,相邻凸起之间为平滑过渡，所述电机为外转子电机，所述转子包括筒状的外壳、分别连接到外壳轴向两端的两个端盖，所述定子包括中心轴、固定套设到所述中心轴的轴套和固定套设到所述轴套的至少一个定子单元，所述定子置于所述转子的筒状外壳内，两个端盖的底部分别设有轴承座，所述轴套在其轴向端内凹形成轴套凹槽；所述端盖的中心设有轴承座，所述轴承座收容在对应的轴套凹槽内；所述轴承座内安装有轴承，转子通过轴承座内的轴承可转动地安装到轴套。
2.根据权利要求1所述的永磁无刷电机，其特征在于：其中一个端盖的轴承座的端部安装有安装支架，安装支架内设有安装部，永磁组件安装到安装部，所述永磁环的径向外侧面周向间隔设置有多个凹部，安装部的径向外侧面沿永磁环的方向伸出多个凸部，凸部卡合到凹部以将永磁环固定到安装部。
3.根据权利要求1所述的永磁无刷电机，其特征在于：所述永磁环包括沿永磁环周向连续设置的若干个磁极，每个所述磁极与一个所述凸起相对应。
4.根据权利要求3所述的永磁无刷电机，其特征在于：每个所述磁极的中心与对应的所述凸起的中心对齐，相邻两个磁极的连接处与对应的相邻两个凸起的中心处相对齐。
5.根据权利要求3所述的永磁无刷电机，其特征在于：每个所述凸起的轴向高度随着电角度的正弦值变化而变化。
6.根据权利要求1所述的永磁无刷电机，其特征在于：所述定子单元包括沿电机轴向叠置的两个定子芯片、夹设于两个定子芯片之间的定子轭以及绕组，所述两个定子芯片、定子轭分别固定套设到所述中心轴；所述绕组绕设于所述定子轭。
7.根据权利要求6所述的永磁无刷电机，其特征在于：所述定子芯片包括主体部以及沿主体部径向外侧面周向设置的多个定子齿，相邻的两个所述定子齿的中间具有凹槽，所述凹槽的底部靠近主体部的径向内侧面。
8.根据权利要求7所述的永磁无刷电机，其特征在于：所述凹槽内设有垫板作为磁桥用于部分地隔开相邻的两个所述定子齿。
9.根据权利要求1所述的永磁无刷电机，其特征在于：所述转子还包括沿外壳内壁周向交替设置的若干聚磁条以及若干永磁条，所述永磁条夹设于相邻的两个所述聚磁条之间。
10.根据权利要求1所述的永磁无刷电机，其特征在于：所述永磁组件安装到所述轴承座并环绕所述中心轴。
11.根据权利要求10所述的永磁无刷电机，其特征在于：所述永磁组件的永磁环的径向外侧设置有多个凹部，所述轴承座具有多个凸部以卡合到所述凹部。
12.根据权利要求1所述的永磁无刷电机，其特征在于：所述轴套凹槽的底部对应所述永磁组件的位置处安装所述传感器；所述传感器靠近所述永磁组件。
13.根据权利要求9所述的永磁无刷电机，其特征在于：每个所述聚磁条包括两个相互对称的间隔一定距离的子聚磁条，所述两个子聚磁条相对的两个侧面上分别具有一斜面，所述两斜面形成一开口朝向所述外壳内壁的V型槽，外壳内壁上具有与所述V型槽相卡合的凸楞。
14.根据权利要求13所述的永磁无刷电机，其特征在于：所述子聚磁条的两个轴向端面分别具有两个凸块，所述凸块靠近所述外壳的内壁，凸块容置在对应的所述端盖底部的环形槽中。
15.根据权利要求14所述的永磁无刷电机，其特征在于：所述端盖底部的环形槽内设有一固定圈，所述固定圈的径向外侧面抵靠到所述凸块的径向内侧面。
16.一种电动单车，包括车架、安装到车架的从动轮和驱动轮，其特征在于：还包括如权利要求1至15中任一项权利要求所述的永磁无刷电机，所述电机的定子的中心轴安装到所述车架；所述驱动轮安装到所述转子，所述驱动轮的转动中心轴与所述中心轴重合。
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