CN111181274B - 一种永磁无铁芯无人机电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁无铁芯无人机电机，包括外转子单元和内定子单元，外转子单元包括一对壳体和固定设置在壳体上的一对磁轭，磁轭的相对的表面上均贴附有多个永磁体，永磁体之间形成轴向磁场；内定子单元位于壳体内，内定子单元在磁轭一和磁轭二的相对的表面之间旋转，内定子单元包括无铁芯线圈绕组和定子主轴，无铁芯线圈绕组在外转子单元磁场中垂直切割磁感线。本发明中两磁轭之间形成轴向磁场，电机在工作时无铁芯线圈绕组在外转子单元磁场中垂直切割磁感线，工作效率高，同时，通过壳体上通透的散热孔利用空气对流直接对外散热，散热效率高。

Description

一种永磁无铁芯无人机电机

技术领域

本发明涉及电机技术领域，特别是涉及一种永磁无铁芯无人机电机。

背景技术

众所周知，中国无人机市场正在蓬勃发展，特别是近年来，无人机产业的发展已经从玩具转化到应用在航拍、植保、消防、巡逻等诸多领域，目前无人机一般分油动和电动两种，油动机存在价格较高、但载重大、作业时间长、对操作要求高的特点，一般为单旋翼；电动可分为直升机和多旋翼两大趋势，在国内以多旋翼为主要发展趋势，因为多旋翼无人机操作简单、技术难度低、飞行稳定而且成本低廉，多旋翼无人机的电机在整个无人机中起到将电能转换为动能的重要角色，电机性能的优劣与稳定性直接决定无人机的最终性能。

目前，应用在无人机上的电机一般采用与螺旋桨桨叶连接，如公告号为CN206807157U的专利文献公开了一种无人机螺旋桨专用电机，方案中线圈设置在硅钢片上，受电机结构限制，重量体积较大，耗用大量硅钢片，另外，电机工作时有效切割磁场的效率不高，实际效率只有60%～70%，相比之下，无铁芯电机技术是目前最节能的电机技术，它的结构只有铜损耗，但是应用在无人机上的无铁芯电机较少，关键问题是电机的冷却问题难以解决，当无人机工作在恶劣工况下，电机负荷较重时，无法得到充分的热量耗散，使得电机温度过高，严重时存在发生坠机的隐患。

发明内容

本发明为解决目前无人机的电机存在效率低、散热差的问题，提出了一种能有效降低电机的温度，延长其使用寿命及提高可靠性的永磁无铁芯无人机电机。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种永磁无铁芯无人机电机，包括：

外转子单元，所述外转子单元包括具有夹套中空区域的一对壳体和固定设置在壳体上的一对磁轭，一对所述磁轭分别为磁轭一和磁轭二，所述磁轭一和磁轭二的相对的表面上均贴附有多个永磁体，所述永磁体之间形成轴向磁场；

内定子单元，所述内定子单元位于壳体的夹套中空区域内，内定子单元在磁轭一和磁轭二的相对的表面之间旋转，内定子单元包括无铁芯线圈绕组以及用于固定和支撑无铁芯线圈绕组的定子主轴，所述无铁芯线圈绕组在外转子单元磁场中垂直切割磁感线。

进一步地，一对所述壳体包括通过螺栓相互扣合的壳体一和壳体二，所述壳体一包括壳体本体和壳体本体上同壳体二的扣合面，壳体一的扣合面为内表面，扣合面的中部区域经两次凹陷依次形成大台阶面和小台阶面，大台阶面和小台阶面之间通过台阶连接，大台阶面和小台阶面均为环形面；壳体二和壳体一的结构相同。

进一步地，所述壳体一上的小台阶面的中心开设有阶梯孔，壳体一的阶梯孔内的大径端嵌设有前轴承，壳体二的阶梯孔内大径端嵌设有后轴承，所述前轴承和后轴承的内圈分别套设在所述定子主轴上；定子主轴轴体的外表面上径向凸起形成用于容纳所述无铁芯线圈绕组的方形柱体，以所述方形柱体为中心的左侧位置一体式形成呈三级台阶状的圆柱体一、右侧位置一体式形成呈两极台阶状的圆柱体二；方形柱体上径向开设有贯穿的圆孔一，定子主轴轴体的一端端面中心向内横向开设有依次贯穿圆柱体二和方形柱体的圆孔二，所述圆孔二贯穿圆孔一后形成过线孔。

进一步地，所述磁轭一固定设置在所述壳体一的台阶上，所述磁轭二固定设置在所述壳体二的台阶上，磁轭一和磁轭二均为其上设有中心孔的盘状结构，磁轭一和磁轭二的盘面相互平行，磁轭一和磁轭二的相对的表面上均开设有凹槽，多个所述永磁体沿周向呈圆周阵列分布在凹槽内，磁轭一或磁轭二上永磁体的磁极在同一径向上相同、在同一周向上交替分布。

进一步地， 所述无铁芯线圈绕组位于所述磁轭一和磁轭二之间，无铁芯线圈绕组包括盘体、紧密缠绕的多个线圈和绕组引线，所述盘体的两端面中心处均向外延伸形成有一凸出部，凸出部具有一方形孔套装在所述定子主轴的方形柱体上，所述线圈的数量与所述永磁体的对数相同；线圈分别具有一个引出端和一个连接端，多个线圈沿圆周均匀分布呈环状模压在盘体内；绕组引线经所述定子主轴上的圆孔一和圆孔二穿出至外部。

进一步地，所述定子主轴上的圆柱体二的小径部连接有固定块，所述固定块与定子主轴通过螺栓连接。

进一步地， 所述永磁体呈扇形结构，构成所述无铁芯线圈绕组的线圈为与永磁体对应的扇形结构。

进一步地，所述壳体一和壳体二的外表面均为斜面，壳体一和壳体二的外表面均开设有多个贯穿的散热孔。

进一步地，所述磁轭一和磁轭二上分别开设有至少两个过孔，磁轭一上的过孔内分别穿设有螺钉与壳体一上的台阶螺纹连接，磁轭二上的过孔内穿设有螺钉与壳体二上的台阶螺纹连接。

进一步地，所述壳体一和壳体二的外周面上对应设置有安装耳，所述安装耳内穿设有螺栓。

本发明的有益效果为：

本发明将带有永磁体的两磁轭通过螺钉固定在壳体上，并将一无铁芯线圈绕组封装定子主轴上并位于两磁轭之间，由于两磁轭之间形成轴向磁场，电机在工作时无铁芯线圈绕组在外转子单元磁场中垂直切割磁感线能够使得电机运转噪声小，工作效率高，另外，壳体一和壳体二之间的散热孔是通透的，形成了内定子单元的通风道，通过通风道的通风，对流冷却空气可以直接把内定子单元热量带走，利用空气对流直接对外散热，因而，无铁芯线圈绕组产生的热量可直接被迅速降温，散热效率高，满足了无人机应对恶劣工况的使用需要。

附图说明

图1是本发明一种永磁无铁芯无人机电机的分解状态示意图。

图2是本发明一种永磁无铁芯无人机电机的装配状态示意图。

图3是本发明一种永磁无铁芯无人机电机中一对磁轭和永磁体的位置关系示意图。

图4是本发明一种永磁无铁芯无人机电机中壳体一的示意图，图中散热孔未示出。

图5是本发明一种永磁无铁芯无人机电机中定子主轴的示意图。

图6是本发明一种永磁无铁芯无人机电机应用在无人机上的使用状态示意图。

附图中标号为：1为磁轭一，2为磁轭二，3为永磁体，4为无铁芯线圈绕组，5为定子主轴，501为方形柱体，502为圆柱体一，503为圆柱体二，504为圆孔一，505为圆孔二，6为壳体一，601为壳体本体，602为大台阶面，603为小台阶面， 604为阶梯孔，7为壳体二，8为前轴承，9为后轴承，10为固定块，11为螺钉，12为螺栓。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明：

如图1～图5所示，一种永磁无铁芯无人机电机，包括外转子单元和内定子单元，外转子单元包括具有夹套中空区域的一对壳体和固定设置在壳体上的一对磁轭，一对磁轭分别为磁轭一1和磁轭二2，磁轭一1和磁轭二2的相对的表面上均贴附有多个永磁体3，永磁体3之间形成轴向磁场；内定子单元位于壳体的夹套中空区域内，内定子单元在磁轭一1和磁轭二2的相对的表面之间旋转，内定子单元包括无铁芯线圈绕组4以及用于固定和支撑无铁芯线圈绕组4的定子主轴5，无铁芯线圈绕组4在外转子单元磁场中垂直切割磁感线。

一对壳体包括通过螺栓12相互扣合的壳体一6和壳体二7，壳体一6包括壳体本体601和壳体本体601上同壳体二7的扣合面，壳体一6的扣合面为内表面，扣合面的中部区域经两次凹陷依次形成大台阶面602和小台阶面603，大台阶面602和小台阶面603之间通过台阶连接，大台阶面602和小台阶面603均为环形面；壳体二7和壳体一6的结构相同。

壳体一6上的小台阶面603的中心开设有阶梯孔604，壳体一6的阶梯孔604内的大径端嵌设有前轴承8，壳体二7的阶梯孔604内大径端嵌设有后轴承9，前轴承8和后轴承9的内圈分别套设在定子主轴5上；定子主轴5轴体的外表面上径向凸起形成用于容纳无铁芯线圈绕组4的方形柱体501，以方形柱体501为中心的左侧位置一体式形成呈三级台阶状的圆柱体一502、右侧位置一体式形成呈两极台阶状的圆柱体二503；方形柱体501上径向开设有贯穿的圆孔一504，定子主轴5轴体的一端端面中心向内横向开设有依次贯穿圆柱体二503和方形柱体501的圆孔二505，圆孔二505贯穿圆孔一504后形成过线孔。

磁轭一1固定设置在壳体一6的台阶上，磁轭二2固定设置在壳体二7的台阶上，磁轭一1和磁轭二2均为其上设有中心孔的盘状结构，磁轭一1和磁轭二2的盘面相互平行，磁轭一1和磁轭二2的相对的表面上均开设有凹槽，多个永磁体3沿周向呈圆周阵列分布在凹槽内，磁轭一1或磁轭二2上永磁体3的磁极在同一径向上相同、在同一周向上交替分布，具体地，磁轭一1上的永磁体3按照N极、S极交替均布设置在磁轭一1上并围成圆形，磁轭二2上的永磁体3按照N极、S极交替均布设置在磁轭二2上并围成圆形，具体地，磁轭一1和磁轭二2上的永磁体3彼此一一相邻、相邻的永磁体3上磁极磁性相反，如图3所示，磁轭一1上永磁体3的磁极N、S极与磁轭二2上永磁体3的S、N极在轴向上相对应，可以在不使用铁芯的情况下提高功率密度；需要说明的是，电机组装时，通过螺钉11将磁轭一1与壳体一6、磁轭二2与壳体二7分别连接后再安装永磁体3。

无铁芯线圈绕组4位于磁轭一1和磁轭二2之间，无铁芯线圈绕组4包括盘体、紧密缠绕的多个线圈和绕组引线，盘体的两端面中心处均向外延伸形成有一凸出部，凸出部具有一方形孔套装在定子主轴5的方形柱体501上，线圈的数量与永磁体3的对数相同；线圈分别具有一个引出端和一个连接端，多个线圈沿圆周均匀分布呈环状模压在盘体内；绕组引线经定子主轴5上的圆孔一504和圆孔二505穿出至外部；需要说明的是，无铁芯线圈绕组4的盘体为通过将高分子材料注入封装模具形成的，封装时通过定子主轴5的方形柱体501来保证形位精度，无铁芯线圈绕组4的封装工艺为现有技术，在此不做赘述。

具体地，壳体一6和壳体二7的外周面上对应设置有安装耳，安装耳内穿设有螺栓12；定子主轴5上的圆柱体二503的小径部连接有固定块10，固定块10与定子主轴5通过螺栓12连接；磁轭一1和磁轭二2上分别开设有至少两个过孔，磁轭一1上的过孔内分别穿设有螺钉11与壳体一6上的台阶螺纹连接，磁轭二2上的过孔内穿设有螺钉11与壳体二7上的台阶螺纹连接。

作为一种可实施方式，永磁体3呈扇形结构，构成无铁芯线圈绕组4的线圈为与永磁体3对应的扇形结构。

本实施例中，壳体一6和壳体二7的外表面均为斜面，壳体一6和壳体二7的外表面均开设有多个贯穿的散热孔，壳体一6和壳体之间的散热孔是通透的，形成内定子单元的通风道，通过通风道的通风，对流冷却空气可以直接把内定子单元热量带走，从而利用空气对流直接对外散热，解决了内定子单元散热难的问题。

本发明中磁轭一1和磁轭二2套装在定子主轴5上，并将一无铁芯线圈绕组4安装在定子主轴5上并位于磁轭一1和磁轭二2之间，两磁轭上的永磁体3之间形成轴向磁场；应用在无人机上时，如图6所示，一方面，壳体一6直接与无人机的螺旋桨桨叶通过螺栓12连接，可以省去齿轮箱结构，完全实现直驱，另一方面，固定块10与无人机的机臂通过螺栓12连接，无铁芯线圈绕组的绕组引线与无人机电源连接，电机在工作时，无铁芯线圈绕组4在外转子单元磁场中垂直切割磁感线能够使得电机运转噪声小，工作效率高，另外，该外转子单元的结构能够使得组装后的电机为轴向叠式结构且内定子单元无铁芯，从而减小了电机的轴向尺寸，降低了电机的重量。

以上之实施例，只是本发明的较佳实施例而已，并非限制本发明的实施范围，故凡依本发明专利范围的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明申请专利范围内。

Claims (5)

1.一种永磁无铁芯无人机电机，其特征在于，包括：

外转子单元，所述外转子单元包括具有夹套中空区域的一对壳体和固定设置在壳体上的一对磁轭，一对所述壳体包括通过螺栓（12）相互扣合的壳体一（6）和壳体二（7），所述壳体一（6）和壳体二（7）的外表面均为斜面；所述壳体一（6）包括壳体本体（601）和壳体本体（601）上同壳体二（7）的扣合面，壳体一（6）的扣合面为内表面，扣合面的中部区域经两次凹陷依次形成大台阶面（602）和小台阶面（603），大台阶面（602）和小台阶面（603）之间通过台阶连接，大台阶面（602）和小台阶面（603）均为环形面；壳体二（7）和壳体一（6）的结构相同，所述壳体一（6）和壳体二（7）的外表面均开设有多个贯穿的散热孔；

一对所述磁轭分别为磁轭一（1）和磁轭二（2），所述磁轭一（1）和磁轭二（2）的相对的表面上均贴附有多个永磁体（3），所述永磁体（3）之间形成轴向磁场；

内定子单元，所述内定子单元位于壳体的夹套中空区域内，内定子单元在磁轭一（1）和磁轭二（2）的相对的表面之间旋转，内定子单元包括无铁芯线圈绕组（4）以及用于固定和支撑无铁芯线圈绕组（4）的定子主轴（5），所述无铁芯线圈绕组（4）在外转子单元磁场中垂直切割磁感线；

所述壳体一（6）上的小台阶面（603）的中心开设有阶梯孔（604），壳体一（6）的阶梯孔（604）内的大径端嵌设有前轴承（8），壳体二（7）的阶梯孔（604）内大径端嵌设有后轴承（9），所述前轴承（8）和后轴承（9）的内圈分别套设在所述定子主轴（5）上；

所述定子主轴（5）轴体的外表面上径向凸起形成用于容纳所述无铁芯线圈绕组（4）的方形柱体（501），以所述方形柱体（501）为中心的左侧位置一体式形成呈三级台阶状的圆柱体一（502）、右侧位置一体式形成呈两极台阶状的圆柱体二（503）；方形柱体（501）上径向开设有贯穿的圆孔一（504），定子主轴（5）轴体的一端端面中心向内横向开设有依次贯穿圆柱体二（503）和方形柱体（501）的圆孔二（505），所述圆孔二（505）贯穿圆孔一（504）后形成过线孔；所述定子主轴（5）上的圆柱体二（503）的小径部连接有固定块（10），所述固定块（10）与定子主轴（5）通过螺栓（12）连接；

所述无铁芯线圈绕组（4）位于所述磁轭一（1）和磁轭二（2）之间，无铁芯线圈绕组（4）包括盘体、紧密缠绕的多个线圈和绕组引线，所述盘体的两端面中心处均向外延伸形成有一凸出部，凸出部具有一方形孔套装在所述定子主轴（5）的方形柱体（501）上，所述线圈的数量与所述永磁体（3）的对数相同；线圈分别具有一个引出端和一个连接端，多个线圈沿圆周均匀分布呈环状模压在盘体内；绕组引线经所述定子主轴（5）上的圆孔一（504）和圆孔二（505）穿出至外部。

2.根据权利要求1所述的一种永磁无铁芯无人机电机，其特征在于， 所述磁轭一（1）固定设置在所述壳体一（6）的台阶上，所述磁轭二（2）固定设置在所述壳体二（7）的台阶上，磁轭一（1）和磁轭二（2）均为其上设有中心孔的盘状结构，磁轭一（1）和磁轭二（2）的盘面相互平行，磁轭一（1）和磁轭二（2）的相对的表面上均开设有凹槽，多个所述永磁体（3）沿周向呈圆周阵列分布在凹槽内，磁轭一（1）或磁轭二（2）上永磁体（3）的磁极在同一径向上相同、在同一周向上交替分布。

3.根据权利要求1所述的一种永磁无铁芯无人机电机，其特征在于， 所述永磁体（3）呈扇形结构，构成所述无铁芯线圈绕组（4）的线圈为与永磁体（3）对应的扇形结构。

4.根据权利要求2所述的一种永磁无铁芯无人机电机，其特征在于，所述磁轭一（1）和磁轭二（2）上分别开设有至少两个过孔，磁轭一（1）上的过孔内分别穿设有螺钉（11）与壳体一（6）上的台阶螺纹连接，磁轭二（2）上的过孔内穿设有螺钉（11）与壳体二（7）上的台阶螺纹连接。

5.根据权利要求1所述的一种永磁无铁芯无人机电机，其特征在于，所述壳体一（6）和壳体二（7）的外周面上对应设置有安装耳，所述安装耳内穿设有螺栓（12）。

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