CN109672283A - 一种新型直流无刷电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种新型直流无刷电机，包括定子、转子、前轴套和后轴套，所述转子通过所述前轴套和后轴套的卡槽固定设置在所述带线圈绕组的定子内孔中，所述转子包括转子铁芯、转轴和磁瓦，所述转子铁芯与转轴连接，所述磁瓦设置在所述转子铁芯的外表面，所述转子铁芯包括转子假齿和转子槽，所述定子包括定子槽和齿，本发明摒弃了传统外部提供制动装置的方法，在现有直流无刷电机的基础上增加了齿槽宽度，改进了极槽比例，利用齿槽效应实现自我制动，减少了磁阻，另外定子由硅钢片冲压而成，减小了涡流效应和磁滞损耗，延长了使用寿命，降低了后期维护成本，提高了设备的使用效率。

Description

一种新型直流无刷电机

技术领域

本发明涉及太阳能光热发电技术领域，具体涉及一种新型直流无刷电机。

背景技术

随着能源结构的调整，传统能源已显露出供给疲软、使用成本高、污染严重等弊端，取而代之的“新能源”、“绿色能源”概念不断深入人心。众所周知，太阳能不仅是清洁无污染的绿色能源，而且是可再生能源。太阳能光热发电(CSP:Concentrating Solar Power)是一种有效的利用太阳能的一种能源转换方式，近年来已在全球范围内掀起一股新的研发和建设热潮。

CSP系统利用定日镜反射太阳光，汇聚到能量接收装置中并与其中介质进热量交换，再利用介质吸收的能量通过加热水蒸气来发电，这种发电方式清洁无污染，而且能量可储存，实现了电力输出的“连续、稳定、可控”且“并网友好”等功效。因此，具备较长储热能力的光热发电可以有效提高系统调峰能力，进而对于提高整体新能源的消纳能力有着重要帮助。

CSP系统中一个重要的环节就是光场定日镜的控制，整个系统的能量来源完全由定日镜反射的太阳光来提供。定日镜用于追踪反射太阳光，因此要不断调整镜面的角度，从而保证太阳光反射到指定的位置。这就导致用于驱动定日镜的电机要频繁启停，传统电机上使用的电磁抱闸器由于机械制动的磨损很难在频繁启停下长期使用，由于定日镜数量多达1万面，带来维护成本巨大。因此针对这种特殊情况，本发明在不影响电机本身正常运转的前提下研究开发了一种新型直流无刷电机，通过在正常直流无刷电机的基础上增加齿槽宽度，改进极槽比例，进而增加电机的齿槽转矩，起到加大制动转矩的效果。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种直流无刷电机，旨在电机频繁启停的情况下实现静态制动，本新型摒弃了传统的依靠外部提供制动装置的方法，通过“齿槽效应”实现自我制动，延长了电机的使用寿命，降低了后期维护成本，提高了设备的使用效率。

为实现上述目的本发明提供如下技术方案：

一种新型直流无刷电机，所述电机包括转子、定子、前轴套和后轴套，所述转子通过前轴套和后轴套的卡槽固定设置在定子内孔中，所述转子包括转子铁芯、转轴和磁瓦，所述转子铁芯与转轴连接，所述磁瓦设置在所述转子铁芯的外表面；

进一步地，所述定子通过外部驱动电路产生交变的旋转磁场，磁瓦在旋转磁场中受力，然后带动所述转轴旋转并输出力矩，通过调整极数和槽数比例，加大定子齿槽宽度，进而增加齿槽转矩；

进一步地，所述转子铁芯包括转子假齿和转子槽，所述转子假齿间弧度为38°，所述磁瓦设置在所述转子槽外表面；

进一步地，所述定子包括定子槽和齿，所述定子槽为直槽形式，所述定子槽宽度为6mm，深度为13.5mm，所述齿间距为5mm，所述定子为8极12槽单层绕组结构；

进一步地，所述转子为径向转子结构，所述转子外表面设有8块弧形永磁磁钢，所述转子磁轭上设置有直径为6mm的减轻孔；

进一步地，所述磁瓦厚度为3mm，数量为8；

进一步地，所述定子由定子冲片压制焊接而成，厚度为0.5mm，最大铁损为4.7W/kg，所述转子由转子冲片压制焊接而成，所述定子冲片和转子冲片材质均为硅钢片；

进一步地，所述极数与槽数的比例关系为：

其中A为整数，为不可约分数，P代表极数，T代表槽数，q代表制动转矩，分母D越大，制动转矩q越小，在极数P一定的情况下，槽数T的变化会引起制动转矩q的变化；

本发明的有益效果如下：

1、本发明采用齿槽结构，通过齿型结构提供磁场导通的回路，减少了磁阻，所述带有线圈绕组的定子由硅钢片冲压而成，减小了涡流效应和磁滞损耗，本发明摒弃了传统外部提供制动装置的方法，通过加大齿槽效应实现自我制动，进而延长了电机的使用寿命，降低了后期维护成本，提高了设备的使用效率；

2、本发明在现有直流无刷电机的基础上增加了齿槽宽度，改进了极槽比例，增加了电机的齿槽转矩，在不影响电机本身正常运转的前提下增强了制动转矩的效果，提高了电机工作的稳定性，而且所述磁瓦材质为钕铁硼，减少转子材料损耗，减轻了电机的重量。

附图说明

图1为本发明所述一种新型直流无刷电机总装图；

图2为本发明所述一种新型直流无刷电机定子冲片示意图；

图3为本发明所述一种新型直流无刷电机转子冲片示意图；

图4为本发明所述一种新型直流无刷电机定子剖面图；

图5为本发明所述一种新型直流无刷电机转子示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明：

如图1-图5所示，本发明提供一种新型直流无刷电机，包括转子1、定子3、前轴套7和后轴套8，所述转子1通过所述前轴套7和后轴套8的卡槽固定设置在所述定子3内孔中，所述转子1包括转子铁芯4、转轴2和磁瓦6，所述转子铁芯4与转轴2连接，所述磁瓦6设置在所述转子铁芯4的外表面。

所述定子3经过外部驱动电路通电后产生交变的旋转磁场，所述磁瓦6在旋转磁场中受力，然后带动所述转轴2旋转并输出力矩，所述定子3的齿槽宽度的增加，极数和槽数比例的改进，增加了齿槽转矩，起到了增强制动转矩的效果。

所述转子铁芯4包括转子假齿9和转子槽10，所述转子假齿9间弧度为38°，所述磁瓦6设置在所述转子槽10外表面。

所述定子3包括定子槽11和齿12，所述定子槽11为直槽形式，所述定子槽11宽度为6mm，深度为13.5mm，所述齿12间距为5mm，所述定子3为8极12槽单层绕组结构。

所述转子1为径向转子结构，所述转子1外表面设有8块弧形永磁磁钢，所述转子1磁轭上设置有直径为6mm的减轻孔。

所述磁瓦6厚度为3mm，数量为8。

所述转轴2与减速机连接，用于输出驱动转矩。

所述定子3由带有线圈绕组的定子冲片压制焊接而成，厚度为0.5mm，最大铁损为4.7W/kg，所述转子1由转子冲片压制焊接而成，所述定子冲片和转子冲片材质均为硅钢片。

所述极数与槽数的比例关系为：

其中A为整数，为不可约分数，P代表极数，T代表槽数，q代表制动转矩，分母D越大，制动转矩q越小，在极数P一定的情况下，槽数T的变化会引起制动转矩q的变化。

所述定子3内径确定的情况下，所述转子1外径可适当增大。

本发明提供的直流无刷电机是没有碳刷换向的，通过霍尔传感器将位置信号反馈至驱动电路，改变带有线圈绕组的定子输入电流的频率和波形，在线圈周围形成绕电机几何中心旋转的圆形磁场，实现电机的转向和转速改变。

如图2所示，所述转子1上的永磁磁钢在旋转磁场中受力从而驱动转子旋转输出力矩，在外部驱动电路性能一定的情况下，电机的运行性能与自身的磁极对数，磁钢的磁导率及厚度有很大的关系。

所述定子3采用了齿槽结构，齿型结构用来提供磁场导通的回路，减少磁阻，而所述定子槽11则用来镶嵌固定线圈绕组，线圈周围也会产生磁场同转子铁芯4内磁场相交联。由于所述齿12与定子槽11所通过的磁通量不同，磁场强度也不同，所述转子1上的永磁磁钢受到交变磁场的作用，与磁场强度较强的齿相吸引，阻碍转子旋转，通常称为“齿槽效应”或“齿槽转矩”。

所述定子3槽数T＝12，为整数槽设计，电机极数2P＝8。所述转子冲片所用硅钢片与带有线圈绕组的定子材质相同，磁钢材质为钕铁硼35SH。所述齿槽效应在电机本身外形尺寸一定的情况下受极弧系数，槽口宽度和定转子间隙等因素影响，具体措施可以采取加大槽口宽度，减小定转子之间间隙的方式改变气隙磁场分布，使制动转矩满足使用要求。

所述定子3在外部驱动电路通电后产生交变的旋转磁场，所述磁瓦6在变化的磁场中受力，带动所述转轴2旋转，在由其连接的减速机输出力矩做功。

如图4所示，本发明加大了齿槽转矩，带有线圈绕组的定子绕组形式为单层绕组，外部电源为24V直流电源，通过驱动器开关电路转换为三相交流电路以形成旋转磁场。所述定子3铁芯外径根据输出功率大小而定，所述定子3铁芯长度同样与输出功率有关，具体就是首先确定电负荷A和磁负荷B，其中还要考虑所选材料的成本，使用寿命，及铜损和铁损情况后再加以确定。

如图5所示，在电负荷A和磁负荷B确定的情况下，所述转子1的形状可以通过转子长度La与转子外径Dz的比值λ表示，为了加大齿槽转矩，可以把λ的值适当的减小，从而加大外径Dz的值。

根据给定的技术指标包括输出功率、额定转矩、制动转矩、额定转速等具体指标，首先定子铁芯的外径Da、内径Di、长度La。定子铁芯外径Da可以根据Da与单位转速输出功率的特性曲线得到，然后再计算出La的值。为减小定转子之间的间隙，在带有线圈绕组的定子内径Di确定的情况下，转子外径Dz可适当增大。

因为本发明一种新型直流无刷电机的特殊应用场合，要求频繁启停，所以要通过加大齿槽转矩来实现自我制动的目的。因此设计上要考虑极数P与槽数T的配合关系，具体影响因素就是极弧系数σ的选择，极数P增加可以减少用铜量和用铁量，可以减少电机尺寸，但每极漏磁通就会增加，导致极弧系数σ变小，因而不能满足要求，为达到转矩要求就要设计合理的极槽配合比例，所述极数P与槽数T的关系可以用以下公式表示：其中A为整数，为不可约分数；实践证明分母D越大，电机的制动转矩越小，所以在极数一定的情况下，槽数的变化就引起制动转矩的变化。极槽数确定之后，就要通过调整槽口的宽度和定转子之间的间隙来调整气隙磁通来影响齿槽转矩。空载电枢磁密度与齿宽成反比和齿距成正比，气隙磁通又与定转子之间的间隙有关，间隙加大，漏磁通所穿过面积变大，总磁通减小，经过理论计算和试验证明，加大齿宽，减小定转子间的间隙可以加大齿槽转矩，本发明所述定转子尺寸满足额定功率0.4KW，额定转矩2.55Nm，满足制动力矩(静阻转矩)1.3Nm-1.5Nm的要求，经过反复试验采用12槽8极电机结构，槽宽6mm，槽距5mm满足实际使用需求。

本发明应用在光热发电站中镜场的定日镜控制场合，每面定日镜需要方位轴和俯仰轴两个方向各1台电机驱动，整个镜场定日镜的数量为1万余面，电机2万余台，如果依靠传统的制动方式来控制电机，那么初投资成本和后期的维护费用都是巨大的，本发明解决了后期维护的难题，降低了光热发电项目的投入成本。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语中心、上、下、左、右、竖直、水平、内、外等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

Claims (8)

1.一种新型直流无刷电机，其特征在于，所述电机包括转子、定子、前轴套和后轴套，所述转子通过前轴套和后轴套的卡槽固定设置在定子内孔中，所述转子包括转子铁芯、转轴和磁瓦，所述转子铁芯与转轴连接，所述磁瓦设置在所述转子铁芯的外表面。

2.根据权利要求1所述电机，其特征在于，所述定子通过外部驱动电路产生交变的旋转磁场，磁瓦在旋转磁场中受力，然后带动所述转轴旋转并输出力矩，通过调整极数和槽数比例，加大定子齿槽宽度，进而增加齿槽转矩。

3.根据权利要求1所述电机，其特征在于，所述转子铁芯包括转子假齿和转子槽，所述转子假齿间弧度为38°，所述磁瓦设置在所述转子槽外表面。

4.根据权利要求1所述电机，其特征在于，所述定子包括定子槽和齿，所述定子槽为直槽形式，所述定子槽宽度为6mm，深度为13.5mm，所述齿间距为5mm，所述定子为8极12槽单层绕组结构。

5.根据权利要求1所述电机，其特征在于，所述转子为径向转子结构，所述转子外表面设有8块弧形永磁磁钢，所述转子磁轭上设置有直径为6mm的减轻孔。

6.根据权利要求1所述电机，其特征在于，所述磁瓦厚度为3mm，数量为8。

7.根据权利要求1所述电机，其特征在于，所述定子由定子冲片压制焊接而成，厚度为0.5mm，最大铁损为4.7W/kg，所述转子由转子冲片压制焊接而成，所述定子冲片和转子冲片材质均为硅钢片。

8.根据权利要求2所述电机，其特征在于，所述极数与槽数的比例关系为：

其中A为整数，为不可约分数，P代表极数，T代表槽数，q代表制动转矩，分母D越大，制动转矩q越小，在极数P一定的情况下，槽数T的变化会引起制动转矩q的变化。