CN108923553A - 一种高功率密度永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及永磁电机领域，公开了一种高功率密度永磁电机，包括机壳、定子铁芯、非对称混合式转子铁芯、永磁体、轴、绕组和绝缘框架；所述定子铁芯与所述机壳的接触部位形成接触域，与所述机壳之间的空隙形成填充域；所述非对称混合式转子铁芯包括转轴套环、轴孔、扇区、连接桥及支撑凸起，相邻的所述扇区具有不同的平面结构。本发明可以简化电机的生产工艺，又可以提高电机的结构强度。

Description

一种高功率密度永磁电机

技术领域

本发明涉及永磁电机领域，具体地涉及一种高功率密度永磁电机。

背景技术

传统无刷直流电机采用表贴式磁瓦或内置式径向充磁磁钢结构，功率密度较低，限于成本因素，通过切向充磁并联磁路结构提高电机每极磁通。现有切向充磁结构仍存在漏磁大的问题，限制了电机性能提升。

专利CN201611226568.0设计一种转子铁芯，该铁芯有至少一个齿部扇区与转子套环的断开，同时有至少一个齿部扇区与转轴套环相连。以此抑制近轴处的漏磁。该转子铁芯转轴套环外设有定位凸部，用以永磁体的定位和支撑。通过分析，由于该方案转子断开的齿部扇区轴向无固定支撑部件，轴向结构强度较差，不利于大规模生产，同时，上述的用以支撑和定位永磁体的定位凸起将产生自交链漏磁，降低电机功率密度，不利于提升性能。

另一方面，内置式切向充磁的电机由于功率密度的提升，定子铁芯容易饱和产生较高铁芯损耗，降低电机效率。同时电磁力波增强导致振动噪声增大。现有技术通过斜极斜槽等方法来抑制振动噪声，相应的方法增大制造工艺难度并增加生产工时，专利CN201320738896.4设计了条形弯圆的定子铁芯，该方案从定子环形轭部向内伸出齿部，相邻的两个定子齿部之间形成嵌线槽。该定子磁路平衡，磁密适中平均，减少局部饱和，工艺简单，生产效率较高。但上述专利仅依靠定子槽口宽度、齿部宽度及轭部宽度等参数对磁密进行平均处理，未能考虑定子形状及结构对电机磁场、损耗等的影响，不适用与高功率密度电机结构，也为考虑通过定子铁芯与机壳之间的组合方法来降低电机振动噪声，未给出能够综合考虑功率密度并抑振降噪的结构。

因此，亟需一种能适用于大规模生产制造的工艺简单，结构可靠的高功率密度，且低振动噪声的永磁无刷直流电机。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种高功率密度永磁电机，该高功率密度永磁电机既可以简化生产工艺，又可以提高结构强度和功率密度。

为了解决本发明的上述技术问题，本发明提供一种高功率密度永磁电机，包括机壳、定子铁芯、非对称混合式转子铁芯、永磁体、轴、绕组和绝缘框架；

所述定子铁芯与所述机壳的接触部位形成接触域，与所述机壳之间的空隙形成填充域；

所述非对称混合式转子铁芯包括转轴套环、轴孔、扇区、连接桥及支撑凸起，相邻的所述扇区具有不同的平面结构。

优选地，所述T型齿连轭的外表面与定子槽底平行，T型齿连轭的齿部与轭部的边界面垂直，T型齿连轭的数量与电机槽数相等。

优选地，各所述T型齿连轭上设有内外两个大小不同的铆扣点，外铆扣点的尺寸大于内铆扣点的尺寸。

优选地，所述定子铁芯的外边界呈正多边形结构；

所述定子铁芯与所述机壳在各所述T型齿连轭的连接点接触，定子铁芯与机壳未接触的间隙通过注入填充材料构成填充域。

优选地，在至少一叠压层内，转轴套环冲片沿径向向外凸起，形成连接桥，相邻两个所述连接桥具有不同的宽度和长度，连接桥沿径向向外延伸形成扇区。

优选地，所述叠压层的所述转轴套环冲片全部连接构成全连桥式叠片。

优选地，在同一叠压层内，扇区不对称，相邻的两个扇区与连接桥相连处尺寸不同。

优选地，所述扇区中间的槽内放置有永磁体，相邻两个槽内所述永磁体的极性相异，槽中对应的所述转轴套环冲片沿径向向外凸起，形成支撑桥。

优选地，在至少一个所述叠压层内，所述转轴套环冲片沿径向向外延伸形成凸起，相邻的两个所述凸起具有不同的宽度和长度。

优选地，宽度小的所述凸起与所述扇区连接，宽度大的所述凸起与所述扇区不连接。

优选地，所述叠压层扇区与所述转轴套环部分连接，形成半连桥式叠片。

优选地，在同一叠压层内，扇区不对称，相邻的两个扇区面积不等。

优选地，所述扇区中间的槽内放置有永磁体，相邻两个槽内所述永磁体的极性相异，槽中对应的转轴套环冲片沿径向向外延伸形成槽底凸起。

优选地，所述支撑桥与所述永磁体接触。

优选地，所述槽底凸起不与所述永磁体接触。

优选地，所述转轴套环冲片的外圆弧表面包括x段用于降低转矩波动的样条，所述样条为圆弧段或直线段；

所述x段样条至少包括一段中间主样条和分设两侧的两段直线段。

本发明可以简化电机的生产工艺，又可以提高电机的结构强度。通过设计隔断式支撑桥和隔断式宽磁桥，电机转子结构强度大幅提升。同时，半连桥式叠片保证转子铁芯一个叠片至少有一半的扇区可以与轴套相连，在大规模生产过程中易于定位。

通过本发明可大幅降低转子槽底自交链漏磁，从而提高气隙磁通，通过T型齿连轭定子结构，可以降低电机饱和程度，使每极磁通最大化。对比本发明电机结构和传统全桥连接的电机结构的反电势系数可以看出，采用该结构的电机反电势系数明显提升，在电机重载运行时，电机的转矩-电流曲线线性度良好，未出现饱和现象，从而提高电机性能。

通过转子五段样条式结构，电机的反电势谐波畸变率较低，气隙磁场的正弦度较好，以此降低电机切向转矩脉动及径向振动。同时，采用T型齿连轭结构，定子与机壳之间含有填充域，以此削弱定子本身与机壳之间振动的传递，实现电机的减振降噪。

降低转子槽底自交链漏磁从而提高功率密度，可保证气隙磁场的高正弦性，大幅提高反电势系数。本发明可以简化电机的生产工艺，又可以提高电机的结构强度。从电机结构上可以看出，降低转子槽底自交链漏磁从而提高功率密度，可保证气隙磁场的高正弦性，大幅提高反电势系数。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构示意图；

图2是本发明一个实施例中转子叠片的结构示意图；

图3是本发明一个实施例中T型齿连轭的结构示意图；

图4是本发明一个实施例中定子总成结构示意图；

图5是本发明一个实施例中转子冲片B的结构示意图；

图6是本发明一个实施例中转子冲片A的结构示意图；

图7(a)是现有技术中全桥连接式转子槽底自交链漏磁分布，(b)是(a)中方框圈出部分的局部放大图；

图8(a)是现有技术中无隔断支撑桥式转子槽底自交链漏磁分布，(b)是(a)中方框圈出部分的局部放大图；

图9(a)是本发明隔断支撑桥式转子槽底自交链漏磁分布，(b)是(a)中方框圈出部分的局部放大图；

图10是三种不同结构电机的近轴处槽底自交链漏磁系数对比曲线；

图11是本发明一个实施例中正多边形T型齿连轭定子槽内空间示意图；

图12是传统结构定子槽内空间示意图；

图13是本发明一个实施例中五段样条转子冲片的各段样条分布示意图；

图14是本发明一个实施例的空载反电势谐波含量；

图15是本发明一个实施例中转子叠片的分解结构示意图；

图16是本发明一个实施例中半连桥式叠片的结构示意图。

附图标记说明

机壳1；

定子铁心2；接触域22；填充域23；

T型齿连轭21；轭部211；定子槽底2111；弯折点2112；齿部212；斜肩式齿冠槽2121；外铆扣点213；内铆扣点214；

转子铁心3；

全连桥式叠片31；全连桥冲片311；外圆弧表面3111；包塑通孔3112；铆扣点3113；支撑桥312；宽磁桥313；窄磁桥314；

半连桥式叠片32；半连桥冲片321；半连桥冲片的外圆弧表面3211；半连桥冲片的包塑通孔3212；半连桥冲片的铆扣点3213；分离冲片322；分离冲片的外圆弧表面3221；分离冲片的包塑通孔3222；分离冲片的铆扣点3223；隔断式支撑桥323；隔断式宽磁桥324；窄磁桥325；

永磁体4；轴5；绕组6；7绝缘框架。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

如图1所示，本发明的一个实施例为永磁无刷直流电机，包括机壳1、正多边形定子铁芯2、非对称混合叠装转子铁芯3、永磁体4、轴5、绕组6和绝缘框架7。

如图3和4所示，定子铁芯2由12个T型齿连轭21围合而成，定子铁芯2与机壳1之间通过相邻T型齿连轭21之间的连接点接触，接触部位形成接触域22，各T型齿连轭21的轭部211的外表面或顶面为平面，其与圆形的机壳1的内壁之间的间隙形成填充域23，填充域23内可填充多种材料，本实例中，机壳1为团状模塑料，则在填充域23内也注入团状模塑料，即机壳1与填充材料为同一种材料，二者混合起到增强电机刚度，提高阻尼，吸收振动的作用。绕组6采用飞叉绕线，所设计的定子槽型可有效避免飞叉绕线干涉，提高大批量生产效率。

如图3所示，T型齿连轭21的轭部211的外表面与定子槽底2111平行，T型齿连轭21上设有内外两个大小不同的铆扣点，外铆扣点213的尺寸大于内铆扣点214的尺寸，本实施例中，外铆扣点213直径为1.2mm、内铆扣点214直径为1.0mm；外铆扣点213设于轭部211中心位置，内铆扣点214设于齿部212的齿冠中部；齿部212的齿冠形状为斜肩式，斜肩式齿冠槽2121的内斜面与齿部212径向边界的夹角为钝角，优选为120°，齿部212与轭部211的外表面或定子槽底2111垂直，斜肩式齿冠槽2121的直线段斜率为30°，齿部212最狭处宽度为5.2mm，轭部211高度为3.5mm，结合生产工艺计算，本实施例中，如图11所示，定子铁芯2的理论可绕槽面积相比于图12所示的传统圆形定子铁芯冲片的可绕槽面积提高8.5％。弯折点2112主要起到为定子铁芯2进行弯圆释放应力的作用。

如图2、15和16所示，本实施例中，转子铁芯3由两组全连桥式叠片31和一组半连桥式叠片32轴向混合叠装而成，两组全连桥式叠片31分别位于转子铁芯3的两端，两组全连桥式叠片31轴向包夹半连桥式叠片32，半连桥式叠片32由如图5所示的多片冲片B叠装形成，全连桥式叠片31由如图6所示的冲片A叠装形成，冲片A31和冲片B32轴向开有通孔，采用塑性材料通过通孔贯通对转子铁芯3进行包裹加固，通过铆扣点3113、3213、3223定位连接，冲片的通孔边缘与相邻永磁体槽的边界距离为2.6mm，沿轴向叠装结构为A+B+A，一组全连桥式叠片31包含10片冲片A，一组半连桥式叠片32包括30片冲片B，与全部由冲片B形成转子的电机相比，本实施例电机的反电势系数提高34.4％。

如图6所示，冲片A为全连桥式结构，本实施例所选永磁体4的厚度为5mm，窄磁桥314宽度为0.8mm，宽磁桥313宽度为1.5mm，磁桥长度为2.8mm，支撑桥312宽度为1.2mm，如图5所示冲片B为半连桥式结构，窄磁桥325宽度为0.8mm，隔断式支撑桥323与永磁体4的间距为2.5mm，通过上述参数的优化，转子铁芯3近轴处的永磁体槽底自交链漏磁大幅降低，保证其他参数不变，分别对比全桥相连式转子结构(如图7所示)、无隔断支撑桥式结构(如图8所示)和本实施例的磁场分布(如图9所示)，并计算自交链漏磁系数(如图10所示)，可得三种结构电机的槽底自交链漏磁系数分别为0.207、0.065、0.018，证明本实施例可大幅提高电机功率密度。

如图5、图6所示，冲片A和冲片B的外圆弧表面采用五段样条结构来降低转矩波动，即取x＝5，改善电机振动噪音，每个转子扇区采用本结构，即中间一段与定子同心的圆心角为α的圆弧线主样条、与主样条左右相邻的两段圆心角为β1的偏心圆弧线样条及边缘两段圆心角为β2的直线段样条，如图13所示，应满足α+2β1+2β2＝36°。

通过对比分析整圆结构转子、传统三段弧结构转子及本实施例的5段样条式转子，得到最优化的空载反电势畸变率仅为1.18％(分析到50次谐波)，相应的谐波成分如图14所示。在本实施例中，采用团状模塑料对转子表面进行包塑整形，并求得电机最高结构失效转速为19000rpm，超过电机实际运行转速6倍以上，证明本实施例的转子表面结构设计可保证气隙磁场的高正弦性及足够的结构强度。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (16)

1.一种高功率密度永磁电机，其特征在于，包括机壳、定子铁芯、非对称混合式转子铁芯、永磁体、轴、绕组和绝缘框架；

所述定子铁芯与所述机壳的接触部位形成接触域，与所述机壳之间的空隙形成填充域；

所述非对称混合式转子铁芯包括转轴套环、轴孔、扇区、连接桥及支撑凸起，相邻的所述扇区具有不同的平面结构。

2.如权利要求1所述的高功率密度永磁电机，其特征在于，所述T型齿连轭的外表面与定子槽底平行，T型齿连轭的齿部与轭部的边界面垂直，T型齿连轭的数量与电机槽数相等。

3.如权利要求2所述的高功率密度永磁电机，其特征在于，各所述T型齿连轭上设有内外两个大小不同的铆扣点，外铆扣点的尺寸大于内铆扣点的尺寸。

4.如权利要求1所述的高功率密度永磁电机，其特征在于，所述定子铁芯的外边界呈正多边形结构；

所述定子铁芯与所述机壳在各所述T型齿连轭的连接点接触，定子铁芯与机壳未接触的间隙通过注入填充材料构成填充域。

5.如权利要求1所述的高功率密度永磁电机，其特征在于，在至少一叠压层内，转轴套环冲片沿径向向外凸起，形成连接桥，相邻两个所述连接桥具有不同的宽度和长度，连接桥沿径向向外延伸形成扇区。

6.如权利要求5所述的高功率密度永磁电机，其特征在于，所述叠压层的所述转轴套环冲片全部连接构成全连桥式叠片。

7.如权利要求5所述的高功率密度永磁电机，其特征在于，在同一叠压层内，扇区不对称，相邻的两个扇区与连接桥相连处尺寸不同。

8.如权利要求7所述的高功率密度永磁电机，其特征在于，所述扇区中间的槽内放置有永磁体，相邻两个槽内所述永磁体的极性相异，槽中对应的所述转轴套环冲片沿径向向外凸起，形成支撑桥。

9.如权利要求7所述的高功率密度永磁电机，其特征在于，在至少一个所述叠压层内，所述转轴套环冲片沿径向向外延伸形成凸起，相邻的两个所述凸起具有不同的宽度和长度。

10.如权利要求9所述的高功率密度永磁电机，其特征在于，宽度小的所述凸起与所述扇区连接，宽度大的所述凸起与所述扇区不连接。

11.如权利要求9所述的高功率密度永磁电机，其特征在于，所述叠压层扇区与所述转轴套环部分连接，形成半连桥式叠片。

12.如权利要求9所述的高功率密度永磁电机，其特征在于，在同一叠压层内，扇区不对称，相邻的两个扇区面积不等。

13.如权利要求12所述的高功率密度永磁电机，其特征在于，所述扇区中间的槽内放置有永磁体，相邻两个槽内所述永磁体的极性相异，槽中对应的转轴套环冲片沿径向向外延伸形成槽底凸起。

14.如权利要求8所述的高功率密度永磁电机，其特征在于，所述支撑桥与所述永磁体接触。

15.如权利要求13所述的高功率密度永磁电机，其特征在于，所述槽底凸起不与所述永磁体接触。

16.如权利要求5-15任一项所述的高功率密度永磁电机，其特征在于，所述转轴套环冲片的外圆弧表面包括x段用于降低转矩波动的样条，所述样条为圆弧段或直线段；

所述x段样条至少包括一段中间主样条和分设两侧的两段直线段。