CN107979202B - 一种高效精密直流无刷电动机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效精密直流无刷电动机。其包括从上至下依次安装在同一轴线上的外转子组件、圆环磁石、电枢绕组组件、叠压定子和机座组件，所述外转子组件包括前端盖以及与所述前端盖开模浇注一体成型的机壳和转轴；所述电枢绕组组件包括空心杯电枢绕组、绕组线头连接板和端子线；所述叠压定子安装在机座组件的中间圆柱上，叠压定子由若干无齿槽结构硅钢片叠压而成；所述机座组件包括法兰、设置在法兰内的轴承和垫片、以及设置在法兰上方的中间圆柱。本发明中，电机装配精度提高，组装工艺简单且成本降低；电机运行更加平稳，振动、噪声降低，而且空间利用率更高，有利于减小电机尺寸，提高电机功率密度；电机的输出效率明显提升。

Description

一种高效精密直流无刷电动机
技术领域
本发明涉及永磁电机技术领域，尤其涉及一种高效精密直流无刷电动机。
背景技术
高效精密直流无刷电动机典型的应用领域为无人机行业，以无人机动力电机为例，目前主要采用常规的永磁无刷直流电动机、空心杯有刷电动机和普通铁芯有刷电动机。
其中，常规的永磁无刷直流电动机的定子采用的是有齿槽结构的硅钢片叠装而成，漆包铜线可以方便地绕制在定子齿上，但存在一些缺陷：其一，存在一定的齿槽转矩，使得电机的振动、噪声比较明显；其二，开有齿槽的定子经规整地绕制漆包线后仍然存在一定的空间浪费；其三，有齿槽结构的定子不适应于小尺寸结构，因而应用于无人机领域存在不足之处；其四，有齿槽结构的定子通常齿部磁通密度设计值较高(1.8T左右)，在磁场交变频率(14极磁石)高达近一千赫兹下铁损值增加十分显著，影响电机的输出效率。此外，由于普通无刷电机一些零部件采用机加工的方式，因此成本比较高。
空心杯有刷电动机虽然在一定条件下效率/功率密度比较高，但是它拥有的电刷结构和高速转动的空心杯绕组，使得运行转速和承载电流有限，而且电刷容易磨损，使用寿命有限，主要应用于中、低档无人机产品中。而普通的铁芯有刷电机因其诸多缺点，基本上只能在低端的玩具型无人机领域使用。
因此，针对目前市面上的这些无人机动力电机产品存在的问题，相关技术领域的工程人员有必要开发出电气性能参数更优异且精密、小巧的动力电机，以提高目前主流无人机动力电机的续航时间，同时还能降低成本，为无人机行业注入更多的活力。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高效精密直流无刷电动机，解决了有刷空心杯电机寿命短和永磁无刷电机成本高、效率低的问题，同时具有运行平稳、振动小、噪声低、体积小的优点。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种高效精密直流无刷电动机，包括从上至下依次安装在同一轴线上的外转子组件、圆环磁石、电枢绕组组件、叠压定子和机座组件，所述外转子组件包括前端盖以及与所述前端盖开模浇注一体成型的机壳和转轴；所述电枢绕组组件包括空心杯电枢绕组、绕组线头连接板和端子线，其中所述绕组线头连接板由设置在空心杯电枢绕组上下两侧的上连接电路板及下连接电路板组成；所述叠压定子安装在机座组件的中间圆柱上，叠压定子由若干无齿槽结构硅钢片叠压而成，所述空心杯电枢绕组套装在所述叠压定子的外侧并胶接固定；所述机座组件包括法兰、设置在法兰内的轴承和垫片、以及设置在法兰上方的中间圆柱，所述法兰在靠近电枢绕组组件的端子线的出口处设有端子线卡扣；所述空心杯电枢绕组通过端子线与无刷驱动器对应端口连接。
进一步的，所述机壳为圆环型结构，机壳采用软磁性材料制成，机壳上与前端盖配合的端部设有若干缺口，所述机壳与前端盖通过缺口咬合安装在一起。
优选地，所述转轴与前端盖配合一端表面采用滚花工艺处理，转轴的末端采用紧固环固定。
进一步的，所述圆环磁石的中部开设一圆孔，转轴穿过圆孔将圆环磁石套装在外转子组件的机壳内，所述圆环磁石与机壳之间采用间隙配合，且通过强力胶粘接固定。
进一步的，所述空心杯电枢绕组由多个单元线圈拼贴而成，所述上连接电路板和下连接电路板的四周边缘设置一圈开口，空心杯电枢绕组的线头穿入绕组线头连接板对应的开口并焊锡连接。
优选地，所述叠压定子的外圆侧包覆绝缘层，所述无齿槽结构硅钢片为圆环型结构。
优选地，所述法兰前、后两端设有轴承室，所述轴承安装在轴承室内。
优选地，所述外转子组件内的转轴从轴承内孔穿过，轴承端面垫有所述垫片。
与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：
通过上述本发明的技术方案，采用少磁极数、定子无齿槽的结构，机座组件、外转子组件为精密开模件，将多个零件浇注一体，使得电机装配精度提高，拥有较高的结构强度、组装工艺简单且成本降低；叠压定子采用无齿槽结构，空心杯绕组直接套装在叠压定子上，绕组采用先进的绕线工艺，其排线规整且绕组系数较大，使得电机气隙磁场波形的谐波含量大大降低，使得电机运行更加平稳、噪声小，而且空间利用率更高，有利于减小电机尺寸，提高电机功率密度；同时，本发明应用于无人机直驱式动力电机，减少了齿轮减速机构，使得无人机结构简化，前盖端部设有无人机风叶自锁结构，可方便地安装与拆卸风叶，从而简化了无人机的风叶组装工艺，避免了风叶安装中繁琐地拧螺丝过程以及螺丝松懈的风险。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的一种高效精密直流无刷电动机的结构爆炸图；
图2是本发明中的外转子组件的结构分解示意图；
图3是本发明实施例一中的电枢绕组组件的立体结构示意图；
图4是本发明中的无齿槽结构硅钢片的平面结构示意图；
图5是本发明中的法兰上端端子线卡扣的结构放大示意图；
图6是本发明实施例二中的电枢绕组组件的立体结构示意图；
图7是本发明中的无人机风叶及其自锁结构的示意图；
图8为某一牌号硅钢片在不同磁场交变频率下的定子铁损值与磁密的关系曲线；
图9为本发明样板电机工作特性曲线与原设计的对比结果。
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。
实施例一
如图1所示，为本发明实施例提出的一种高效精密直流无刷电动机，包括从上至下依次安装在同一轴线上的外转子组件1、圆环磁石2、电枢绕组组件3、叠压定子4和机座组件5；其中，叠压定子4安装在机座组件5的中间圆柱上，机座组件5包括法兰501、设置在法兰501内的轴承7和垫片6、以及设置在法兰501上方的中间圆柱，法兰501前、后两端设有轴承室，轴承7安装在轴承室内。
进一步的，圆环磁石2的中部开设一圆孔，转轴102穿过圆孔将圆环磁石2套装在外转子组件1的机壳101内，圆环磁石2与机壳101之间采用间隙配合，且通过强力胶粘接固定。
优选地，外转子组件1内的转轴102从轴承7内孔穿过，轴承7端面垫有垫片6。
进一步的，空心杯电枢绕组306套装在叠压定子4的外侧并胶接固定，空心杯电枢绕组306通过端子线303与无刷驱动器(图中未示)对应端口连接。
如图2所示，外转子组件1包括前端盖103以及与前端盖103开模浇注一体成型的机壳101和转轴102；机壳101为圆环型结构，机壳101采用导磁性优异的软磁性材料制成，机壳101上与前端盖103配合的端部设有若干缺口，机壳101与前端盖103通过缺口咬合安装在一起。
优选地，转轴102与前端盖103配合一端表面采用滚花工艺处理，转轴102的末端采用紧固环8固定，并经过连续激光焊接增加强度。
如图3所示，电枢绕组组件3包括空心杯电枢绕组306、绕组线头连接板和端子线303，其中绕组线头连接板由设置在空心杯电枢绕组306上下两侧的上连接电路板304及下连接电路板305组成。
作为本发明一种可选或优选地实施方式，空心杯电枢绕组306由多个单元线圈拼贴而成，上连接电路板304和下连接电路板的四周边缘设置一圈开口，空心杯电枢绕组306的线头穿入绕组线头连接板对应的开口并焊锡连接。
本实施例中，组成空心杯电枢绕组306的单元线圈数量为18个，单元线圈采用Y型接法连接。
如图4所示，叠压定子4由若干无齿槽结构硅钢片叠压而成，无齿槽结构硅钢片为圆环型结构。
在具体实施环境中，叠压定子4也可由其它导磁性优异的软磁材料薄片叠装而成，不限于本发明中的硅钢片材料。叠压定子4的外圆面采用绝缘处理，即叠压定子4的外圆侧包覆绝缘层。
如图5所示，法兰501在靠近电枢绕组组件3的端子线303的出口处设有端子线卡扣502，使端子线303可以方便地卡入并固定。
本发明采用少磁极数的结构设计，磁石磁极数少(2极、4极、6极)，且机壳101、叠压定子4采用软磁材料制成，软磁材料中的磁场交变频率大大减少，在高速下，其对损耗的减小非常显著，电机的输出效率明显提升。
实施例二
如图6所示，为本发明电枢绕组组件3的更一种实施例的结构，电枢绕组组件3包括空心杯电枢绕组306、绕组线头301、连接扣302和端子线303。该方案主要针对卷绕工艺制作的空心杯电枢绕组306。
在本实施例二中，采用了与实施例一不同的电枢绕组组件3，其余部件均采用相同的结构连接而成。
如图7所示，本发明应用于无人机直驱式动力电机时，前盖端部设有无人机风叶自锁结构，可方便地安装与拆卸风叶，从而简化了无人机的风叶组装工艺；且自带风叶自锁结构，避免了风叶安装中繁琐地拧螺丝过程以及螺丝松懈的风险。
如图8所示，以电机负载转速9600rpm(频率约160Hz)为例，采用本发明的结构中(磁石1对极，磁场交变频率160Hz)，当定子磁密为1.4T(特斯拉)时，铁损值为14W/Kg，而普通无刷电机(通常7对极，磁场交变频率1120Hz)定子磁密为1.4T时，铁损值高达140W/Kg以上，其铁损损耗值是本发明的10倍以上。由于本发明的无齿槽定子结构以及与之相对应的高空间利用率，所以本发明的高效精密直流无刷电动机比原设计的有齿槽结构无刷电机效率/功率密度要高。
如图9所示，展示了本发明的样板电机比原设计效率提高了8％，堵转力矩也上升20％。此外，本发明无齿槽结构的动力电机在振动、噪声方面也有极大的提高。因此，本发明的高效精密直流无刷电动机优势明显。
与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：
通过上述本发明的技术方案，采用少磁极数、定子无齿槽的结构，机座组件、外转子组件为精密开模件，将多个零件浇注一体，使得电机装配精度提高，拥有较高的结构强度、组装工艺简单且成本降低；叠压定子采用无齿槽结构，空心杯绕组直接套装在叠压定子上，绕组采用先进的绕线工艺，其排线规整且绕组系数较大，使得电机气隙磁场波形的谐波含量大大降低，使得电机运行更加平稳、噪声小，而且空间利用率更高，有利于减小电机尺寸，提高电机功率密度；同时，本发明应用于无人机直驱式动力电机，减少了齿轮减速机构，使得无人机结构简化，前盖端部设有无人机风叶自锁结构，可方便地安装与拆卸风叶，从而简化了无人机的风叶组装工艺，避免了风叶安装中繁琐地拧螺丝过程以及螺丝松懈的风险。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种高效精密直流无刷电动机，包括从上至下依次安装在同一轴线上的外转子组件、圆环磁石、电枢绕组组件、叠压定子和机座组件，其特征在于：所述外转子组件包括前端盖以及与所述前端盖开模浇注一体成型的机壳和转轴；所述前端盖端部设有无人机风叶自锁结构，所述电枢绕组组件包括空心杯电枢绕组、绕组线头连接板和端子线，其中所述绕组线头连接板由设置在空心杯电枢绕组上下两侧的上连接电路板及下连接电路板组成；所述叠压定子安装在机座组件的中间圆柱上，叠压定子由若干无齿槽结构硅钢片叠压而成，所述空心杯电枢绕组套装在所述叠压定子的外侧并胶接固定；所述机座组件包括法兰、设置在法兰内的轴承和垫片、以及设置在法兰上方的中间圆柱，所述法兰在靠近电枢绕组组件的端子线的出口处设有端子线卡扣；所述空心杯电枢绕组通过端子线与无刷驱动器对应端口连接。
2.根据权利要求1所述的高效精密直流无刷电动机，其特征在于：所述机壳为圆环型结构，机壳采用软磁性材料制成，机壳上与前端盖配合的端部设有若干缺口，所述机壳与前端盖通过缺口咬合安装在一起。
3.根据权利要求1所述的高效精密直流无刷电动机，其特征在于：所述转轴与前端盖配合一端表面采用滚花工艺处理，转轴的末端采用紧固环固定。
4.根据权利要求1所述的高效精密直流无刷电动机，其特征在于：所述圆环磁石的中部开设一圆孔，转轴穿过圆孔将圆环磁石套装在外转子组件的机壳内，所述圆环磁石与机壳之间采用间隙配合，且通过强力胶粘接固定。
5.根据权利要求1所述的高效精密直流无刷电动机，其特征在于：所述空心杯电枢绕组由多个单元线圈拼贴而成，所述上连接电路板和下连接电路板的四周边缘设置一圈开口，空心杯电枢绕组的线头穿入绕组线头连接板对应的开口并焊锡连接。
6.根据权利要求1所述的高效精密直流无刷电动机，其特征在于：所述叠压定子的外圆侧包覆绝缘层，所述无齿槽结构硅钢片为圆环型结构。
7.根据权利要求1所述的高效精密直流无刷电动机，其特征在于：所述法兰前、后两端设有轴承室，所述轴承安装在轴承室内。
8.根据权利要求1所述的高效精密直流无刷电动机，其特征在于：所述外转子组件内的转轴从轴承内孔穿过，轴承端面垫有所述垫片。
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