CN109842233A - 一种高平稳高效率三相高速电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高平稳高效率三相高速电机，包括电机壳体、转子组件、轴承组件、叶轮组件和定子组件，电机壳体的轴线竖直设置；所述转子组件包括转轴和两极环形永磁体；叶轮组件固定穿装在所述转轴的上端；定子组件包括定子壳体、定子、绝缘层、杯型绕组、垫板、PCB板和针座，定子固定安装在所述定子壳体的内壁上，定子由多个连接在一起的硅钢片组成，这些硅钢片同轴设置并且按从上至下的顺序叠加在一起。本发明转矩输出平稳性大大增加，可以使磁场交变频率减半，因而涡流损耗和磁滞损耗更低；磁路结构中，漏磁更少，有效磁通利用率更高，有利于电机输出效率与输出功率的提高；气隙均匀，减少了高次谐波造成的电磁噪声、振动和有用功率损失。

Description

一种高平稳高效率三相高速电机

技术领域

本发明属于高速永磁电机技术领域，更具体地，涉及一种高平稳高效率三相高速电机。

背景技术

高速电机广泛应用于生活电器、医疗器械、雕刻、喷涂等领域，相较于中低速动力电机方案，高速或超高速电机往往能颠覆消费者对传统产品的认知。在大多数应用场合，终端产品对空间尺寸的要求越来越高，这就要求小型化后的高速电机依然能够获得预期的输出功率。此外，低振动、低噪声的高速电机将使得产品更受客户青睐。

目前，生活电器产品中安装的动力马达，如吹风筒、空气净化器、吸尘器，使用的中小功率高速电机通常采用永磁型的单相和三相电机方案。

申请号为201611140022.3、201611140021.9、201611141825.0的专利均公开了单相永磁无刷电机的技术，这些单相永磁无刷电机结构简单，制造方便，但是固有的齿槽转矩造成输出转矩波动明显，容易造成明显的振动和噪声，且单相电机的固有属性使其无法获得大于三相电机的输出功率。

而对于有齿槽结构的三相永磁无刷电机，其受绕组结构的限制，在产品小型化的需求上没有优势，尤其在低压条件下，绕组槽满率更低(绕组漆包线较粗)，而且，三相永磁无刷电机的齿槽转矩依然明显，不能满足低振动、低噪声的高要求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高平稳高效率三相高速电机，其无齿槽转矩，转矩输出平稳性大大增加，结构空间利用率高。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种高平稳高效率三相高速电机，其特征在于，包括电机壳体、转子组件、轴承组件、叶轮组件和定子组件，其中，

所述电机壳体的轴线竖直设置；

所述转子组件包括转轴和两极环形永磁体，所述两极环形永磁体的充磁方向为平行充磁，所述转轴竖直设置并且通过所述轴承组件安装在所述电机壳体的内壁上，所述两极环形永磁体穿装在所述转轴的下端；

所述叶轮组件固定穿装在所述转轴的上端；

所述定子组件包括定子壳体、定子、绝缘层、杯型绕组、垫板、PCB板和针座，所述定子壳体的轴线竖直设置，并且该定子壳体的上端固定安装在所述电机壳体的下端，所述定子固定安装在所述定子壳体的内壁上，所述定子由多个连接在一起的硅钢片组成，这些硅钢片同轴设置并且按从上至下的顺序叠加在一起，所述杯型绕组位于所述定子所围区域内并且围住所述两极环形永磁体，所述定子内侧与所述两极环形永磁体外侧之间的区域为气隙，该气隙横截面为完整的环形，该杯型绕组和该定子通过所述绝缘层分隔，该杯型绕组与所述PCB板电连接，所述针座设置在所述PCB板上，垫板设置在所述定子壳体和所述PCB板之间。

优选地，所述金属套采用铝合金或铜合金制成。

优选地，所述转轴在对应于所述叶轮组件的部位进行滚花处理，并且在该滚花处理的部位还设置有粘结剂。

优选地，所述定子壳体的上端设置有环形凸台，所述电机内壳的下端通过翻边的方式压紧该环形凸台，从而使该定子壳体与该电机内壳牢固连接在一起。

优选地，所述定子壳体靠近电机壳体的一端设置有多个散热孔。

优选地，所述转轴在对应于所述两极环形永磁体的部位进行滚花处理，并且在该滚花处理的部位还设置有粘结剂。

优选地，所述两极环形永磁体采用钕铁硼材料制成。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1)本发明的一种高平稳高效率三相高速电机与单相永磁无刷电机相比，由于采用了空心的杯型绕组，绕组没有缠绕在齿槽上，因此其无齿槽转矩，转矩输出平稳性大大增加，尤其在高速运行条件下(大于10万转/分)，运行更具有优势；

2)本发明的转子组件采用两极环形永磁体，可以使磁场交变频率减半，因而涡流损耗和磁滞损耗更低；磁路结构中，漏磁更少，有效磁通利用率更高，有利于电机输出效率与输出功率的提高；气隙均匀，无“死点”位置，任意位置的气隙磁路完全对称，减少了高次谐波造成的电磁噪声、振动和有用功率损失。

3)本发明的一种高平稳高效率三相高速电机，与普通三相永磁无刷电机相比，其无齿槽转矩，转矩输出平稳性大大增加，在高速运行条件下(大于10万转/分)，更具有优势；结构空间利用率高，获得相同额定输出功率条件下，电机尺寸明显减小。

附图说明

图1是本发明高平稳高效率三相高速电机的结构示意图；

图2是本发明高平稳高效率三相高速电机其中一个截面的剖视图；

图3是本发明高平稳高效率三相高速电机中杯型绕组的结构示意图；

图4是本发明高平稳高效率三相高速电机另一个截面的剖视图；

图5是本发明高平稳高效率三相高速电机中两极环形永磁体主磁路的磁力线的路径示意图。

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说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1～图5所示，本发明公开了一种高平稳高效率三相高速电机，包括电机壳体1、轴承组件2、转子组件3、叶轮组件4和定子组件5，其中，所述电机壳体1的轴线竖直设置，其包括电机外壳11、电机内壳12和多个扩散肋条13，这些所述扩散肋条13沿所述电机内壳12的外圆面周向分布并且它们均位于所述电机外壳11与电机内壳12之间，每条所述扩散肋条13分别沿着所述电机内壳12的轴向延伸并且连接所述电机外壳11和电机内壳12，该电机外壳11的上端和下端均超过所述电机内壳12；

所述轴承组件2包括上下两个轴承21和设置在这两个轴承21之间的预紧弹簧22，这两个所述轴承21的外圈分别固定安装在所述电机内壳12的内壁上，该预紧弹簧22的上下两端分别抵接在一所述轴承21的外圈上；优选地，轴承21选用滚珠轴承21；

所述转子组件3包括转轴31、轴套32和两极环形永磁体33，所述转轴31穿过预紧弹簧22和这两个所述轴承21的内圈，所述轴套32和所述两极环形永磁体33分别穿装在所述转轴31的下端，并且所述轴套32的上端抵住位于预紧弹簧22下方的轴承21而下端抵住所述两极环形永磁体33的上端；优选地，所述两极环形永磁体33为两极环形永磁体33。两极环形永磁体33与转轴31之间通过填充耐高温的粘接剂，转轴31对应的配合面经过“滚花”工艺处理，粘接剂与“滚花”圆柱面嵌合，形成了牢固的连接，可防止两极环形永磁体33高速旋转时圆周打滑。轴套32选用不导磁的金属，如铝合金，起到轴向定位的作用，同时作用于滚珠轴承21内圈，与预紧弹簧22组合后，使滚珠轴承21产生一定的预紧力，可以显著改善滚珠轴承21噪声。两极环形永磁体33材料选用烧结钕铁硼，拥有很高的磁动势，是目前最强劲的磁源材料，且两极环形永磁体33为两极磁极，使得定子52内的磁场交变频率比四极环形永磁体33结构少了一半，大幅减少了定子52中的磁滞损耗和涡流损耗，有利于电机输出效率和输出功率的增加。两极环形永磁体33设计成细长型结构，因而转动惯量很低，适合超高速条件下运转。

由于本发明的两极环形永磁体采用了两极平行充磁工艺，漏磁更少，因而有效磁通利用率高，两极环形永磁体材料选用比较强劲的烧结钕铁硼材料，相比粘接钕铁硼或其他永磁体，磁源供磁能力大大增强。本发明将气隙设计成均匀的圆环结构以减少高次谐波含量，使运行更平稳。

磁路结构中，两极环形永磁体提供磁源，有的磁力线从两极环形永磁体的N极发出并穿过气隙区域，经定子内侧进入定子内，然后，在定子内沿弧形路径跨过180°后，经定子内侧再次进入气隙区域，并从气隙区域回到两极环形永磁体的S极，磁力线最终在两极环形永磁体内部汇合，从而形成一条闭合回路，上述这些沿着该路径形成闭合回路的磁力线作为电机的主磁路，其他一些未沿着该路径的磁力线为漏磁，漏磁占整个磁力线的5％～12％。

由于本发明的永磁体采用了两极平行充磁工艺，漏磁更少，因而有效磁通利用率高，永磁体材料选用目前“最强劲”的烧结钕铁硼材料，相比粘接钕铁硼或其他永磁体，磁源供磁能力大大增强。主磁路磁力线在任意角度均对称(两极环形永磁体转过任意角度后，均可以形成对称的磁力线分布)。

所述叶轮组件4包括金属套41和叶轮42，所述金属套41固定穿装在所述转轴31的上端，所述叶轮42与所述金属套41固定连接；金属套41材料可以选择铝合金或铜合金。铝合金和铜合金的密度相差大，可根据实际产品的需要合理选择，避开共振频率点，以调节该电机的声学振动效果。密度大的铜合金在高速运转时，离心力更大，但该电机的尺寸小，可以不予考虑。叶轮42为塑胶件，与金属套41整体注塑一体成型。复杂曲面的塑胶叶轮42，比金属叶轮42更方便成型，且该电机尺寸较小，塑胶叶轮42可以抵抗离心力的撕扯作用，此外，金属套41充当了“骨架”的作用，使叶轮组件4更“牢固”。该叶轮组件4中心圆孔与转轴31配合，转轴31相应配合段采用了“滚花”处理工艺，并填充高强度粘接剂粘接，叶轮组件4与转轴31可以采用过盈配合或者过渡配合形式，两者均可达到较高的连接强度。叶轮组件4的轴向安装精度由专用工装来保障。

所述定子组件5包括定子壳体51、定子52、绝缘层53、杯型绕组54、垫板55、PCB板56和针座57，所述定子壳体51的轴线竖直设置，并且该定子壳体51的上端固定安装在所述电机内壳12的下端，该所述定子52由多个连接在一起的硅钢片组成，这些硅钢片同轴设置并且按从上至下的顺序叠加在一起，每个所述硅钢片的外圈均固定在所述定子壳体51上，所述绝缘层53为筒状并且设置在所述定子52的内圈，所述杯型绕组54位于所述绝缘层53内，该杯型绕组54与所述PCB板56电连接，所述针座57设置在所述PCB板56上，垫板55设置在所述定子壳体51和所述PCB板56之间。硅钢片通过冲压模具成型，通过自扣叠压成需要的轴向长度。杯型绕组54为空心结构，其采用同心式绕组，绕组系数高，且采用漆包线排线工艺，使得空间利用率较高，有利于电机输出效率和输出功率的增加。杯型绕组54的若干线头自然延伸至PCB板56相应焊锡孔，PCB板56焊锡孔为半开口式，方便线头放入孔内。PCB板56通过合理布线，可实现杯型绕组54的三角形接法和星型接法，为了减少“环流”，优先选用星型接法。PCB板56中间区域放置针座57，方便电机控制器上的线缆插拔。杯型绕组54采用多个单线圈相互搭接在一起而形成，这些单线圈环绕所述两极环形永磁体33布置并且围成一个类圆柱的形状。

所述定子壳体51的上端设置有环形凸台58，所述电机内壳12的下端通过翻边的方式压紧该环形凸台58，从而使该定子壳体51与该电机内壳12牢固连接在一起，与电机内壳12形成“牢固”整体。

定子壳体51上设置有与电机内壳12配合端部均匀布置若干散热孔，高速流体少部分气流会进入定子组件5内部，将杯型绕组54产生的热量迅速带走，抑制了电机发热造成的电机性能降低和材料老化问题。

定子壳体51采用导磁的超合金材料制成，经铸造成型。该合金的磁晶体各向异性常数和饱和磁致伸缩都接近于零，起始磁导率和最大磁导率很高，矫顽力和磁滞损耗很低，且超合金材料电阻率高，涡流损耗低。因此，采用该超合金材料作的电机，铁芯损耗极低，因而电机输出效率和输出功率进一步提升。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高平稳高效率三相高速电机，其特征在于，包括电机壳体、转子组件、轴承组件、叶轮组件和定子组件，其中，

所述电机壳体的轴线竖直设置；

所述转子组件包括转轴和两极环形永磁体，所述两极环形永磁体的充磁方向为平行充磁，所述转轴竖直设置并且通过所述轴承组件安装在所述电机壳体的内壁上，所述两极环形永磁体穿装在所述转轴的下端；

所述叶轮组件固定穿装在所述转轴的上端；

所述定子组件包括定子壳体、定子、绝缘层、杯型绕组、垫板、PCB板和针座，所述定子壳体的轴线竖直设置，并且该定子壳体的上端固定安装在所述电机壳体的下端，所述定子固定安装在所述定子壳体的内壁上，所述定子由多个连接在一起的硅钢片组成，这些硅钢片同轴设置并且按从上至下的顺序叠加在一起，所述杯型绕组位于所述定子所围区域内并且围住所述两极环形永磁体，所述定子内侧与所述两极环形永磁体外侧之间的区域为气隙，该气隙横截面为完整的环形，该杯型绕组和该定子通过所述绝缘层分隔，该杯型绕组与所述PCB板电连接，所述针座设置在所述PCB板上，垫板设置在所述定子壳体和所述PCB板之间。

2.根据权利要求1所述的一种高平稳高效率三相高速电机，其特征在于，所述金属套采用铝合金或铜合金制成。

3.根据权利要求1所述的一种高平稳高效率三相高速电机，其特征在于，所述转轴在对应于所述叶轮组件的部位进行滚花处理，并且在该滚花处理的部位还设置有粘结剂。

4.根据权利要求1所述的一种高平稳高效率三相高速电机，其特征在于，所述定子壳体的上端设置有环形凸台，所述电机内壳的下端通过翻边的方式压紧该环形凸台，从而使该定子壳体与该电机内壳牢固连接在一起。

5.根据权利要求1所述的一种高平稳高效率三相高速电机，其特征在于，所述定子壳体靠近电机壳体的一端设置有多个散热孔。

6.根据权利要求1所述的一种高平稳高效率三相高速电机，其特征在于，所述转轴在对应于所述两极环形永磁体的部位进行滚花处理，并且在该滚花处理的部位还设置有粘结剂。

7.根据权利要求1所述的一种高平稳高效率三相高速电机，其特征在于，所述两极环形永磁体采用钕铁硼材料制成。