CN111509874A - 永磁无刷电机及包含其的多轴飞行器、机器人 - Google Patents

永磁无刷电机及包含其的多轴飞行器、机器人 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电机技术领域，公开了一种永磁无刷电机及包含其的多轴飞行器、机器人。该电机为分数槽外转子电机，其包括：定子以及转子；定子包括：定子铁芯以及定子绕组；定子绕组为集中式绕组，定子铁芯为一体式结构；定子铁芯包括：定子轭部以及定子齿部；定子齿部包括：若干个设置于定子轭部的定子齿，定子齿表面设有绝缘层；定子绕组包括：预设数目个机器绕线成型的绕组线圈，且各定子齿分别套设有x个绕组线圈；其中，x大于或等于1；转子包括：永磁体和转子铁芯，其中，永磁体用于励磁产生旋转磁场。本发明实施例可在保证制造成本低的情况下提高槽满率，优化电磁设计，从而提高电机的电机常数、电机效率和功率输出。

Description

永磁无刷电机及包含其的多轴飞行器、机器人
技术领域
本发明涉及电机技术领域，特别涉及一种永磁无刷电机及包含其的多轴飞行器、机器人。
背景技术
近年来，以多轴无人机为代表的多轴飞行器发展迅速，在植保、航拍、送货、侦察、救助、勘测等领域发挥重要作用。多轴飞行器对电机提出了很高的要求。在输出功率不变的情况下，更轻更高效的电机意味着可以增加载重或增加电池容量，从而提升飞行器的续航时间和性能。
目前现有多轴飞行器，尤其是多轴无人机的电机采用带靴的定子，绕线线圈采用专用的定子绕线机绕制，这大大限制了电机的槽满率，以市场上常见的产品为例，一般多轴飞行器电机槽满率仅30％左右，导致电机单位重量和单位体积的功率输出、电机常数、电机效率较低。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种永磁无刷电机及包含其的多轴飞行器、机器人，在保证制造成本低的情况下提高槽满率，从而提高电机电机常数、电机效率和功率输出。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种永磁无刷电机，所述电机为分数槽外转子电机，包括：定子以及转子；
所述定子包括：定子铁芯以及定子绕组；所述定子绕组为集中式绕组，所述定子铁芯为一体式结构；
所述定子铁芯包括：定子轭部以及定子齿部；所述定子齿部包括：若干个设置于所述定子轭部的定子齿，所述定子齿表面设有绝缘层；
所述定子绕组包括：预设数目个机器绕线成型的绕组线圈，且各所述定子齿分别套设有x个绕组线圈；其中，x大于或等于1；
所述转子包括：永磁体和转子铁芯，其中，所述永磁体用于励磁产生旋转磁场。
本发明的实施方式还提供了一种多轴飞行器，包括：如前所述的永磁无刷电机。
本发明的实施方式还提供了一种机器人，包括：如前所述的永磁无刷电机。
本发明实施方式相对于现有技术而言，现有技术是直接将绕组线圈绕设于定子齿，由于线圈绕设时会受到相邻定子齿及其上的绕组线圈的干涉，导致绕制后的线圈之间的空隙较大，大大降低了槽满率，本发明实施方式摈弃了现有绕组线圈的设置方式，电机定子绕组均采用集中式绕组，且由机器绕线成型后再套设于定子齿，从而使得绕组线圈制作过程不会受到任何限制，因此可更大程度满足绕组线圈的设计要求，减小相邻线圈之间的间隙、增大气隙面积，从而有利于提高槽满率，进而提高电机的电机常数和功率输出。
作为一种实施例，从远离所述定子轭部的齿端部到靠近所述定子轭部的齿根部，所述定子齿的宽度均相同；或者
从远离所述定子轭部的齿端部到靠近所述定子轭部的齿根部，所述定子齿的宽度逐渐增大；
可选地，所述绕组线圈围成的空腔的截面形状为圆角矩形、跑道形、椭圆形或者矩形；
可选地，所述定子齿周向突出部分形成倒角。
作为一种实施例，所述定子齿最窄处宽度大于或者等于所述定子内圆周长/N的25％，且小于或者等于所述定子内圆周长/N的65％，其中，N为定子齿的个数；
所述定子轭部厚度大于或者等于所述定子齿最窄处宽度的30％，且小于或者等于所述定子齿最窄处宽度的250％；
所述定子和转子之间形成气隙，且所述电机的平均气隙距离小于或者等于所述定子外径的1％；
所述永磁体径向厚度小于或者等于所述平均气隙距离的25倍，且大于或者等于所述平均气隙距离的3倍。
作为一种实施例，所述永磁体设置于所述转子铁芯内侧表面；
可选地，所述永磁体包括若干个永磁块，各所述永磁块均贴附于所述转子铁芯内侧表面；或者，所述永磁体为一体式环状结构，且套设并固定于所述转子铁芯表面。
作为一种实施例，所述电机为三相电机，所述定子齿数/3与所述永磁体磁极数的最大公约数C大于或者等于2。
可选地，所述定子绕组为并联绕组或串并混联绕组；
其中，C个所述绕组线圈串联构成最小单元，所述最小单元并联或者串并混连以形成任意一相所述定子绕组。
作为一种实施例，所述电机的齿极数比为12/10或12/14的整数倍。
作为一种实施例，从靠近所述定子轭部到远离所述定子轭部，所述定子齿上绕组线圈的周长呈增大的趋势。
作为一种实施例，所述x大于或等于2，所述定子齿上套设的x个绕组线圈的匝数相同。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，可以理解地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例提供的永磁无刷电机的结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的永磁无刷电机定子的结构示意图；
图3为本发明一实施例提供的永磁无刷电机定子铁芯的结构示意图；
图4为本发明一实施例提供的永磁无刷电机定子的绕组线圈安装结构示意图；
图5为本发明一实施例提供的永磁无刷电机定子的绕组线圈的立体结构示意图；
图6为本发明一实施例提供的永磁无刷电机定子的绕组线圈的结构示意图；
图7为本发明一实施例提供的永磁无刷电机转子的结构示意图；
图8至图11为本发明一实施例提供的永磁无刷电机的力矩性能仿真效果示意图；
图12a、图12b为本发明一实施例提供的永磁无刷电机的绕组线圈的周长示意图。
其中：1-定子，10-定子铁芯，101-定子轭部，102-定子齿，11-绕组线圈，110-空腔，111-绕组线圈的周长，111a-靠近齿根的绕组线圈的周长，111b-靠近齿端的绕组线圈的周长，2-转子，20-转子铁芯，21-永磁体。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
如图1至图7所示，本发明实施例提供了一种永磁无刷电机，该电机为分数槽外转子电机。该电机包括：定子1以及转子2。其中，定子1包括定子铁芯10以及定子绕组。本实施例中，定子铁芯10包括：定子轭部101以及定子齿部；定子齿部包括：若干个设置于定子轭部101的定子齿102。本实施例中，定子铁芯10为一体式结构，作为示例而非限制，定子铁芯10可以由硅钢片或软磁材料片叠压而成。定子绕组包括预设数目个机器绕线成型的绕组线圈11。定子绕组为集中式绕组，即绕组线圈的节距为1，每个绕组线圈11对应套设于一个而非多个定子齿102上。本实施例中，定子齿表面设有绝缘层，从而保证定子绕组和定子铁芯的绝缘性。在本实施例中各个定子齿分别套设有x个绕组线圈11，x大于或等于1，且为整数。如图1所示，每个定子齿上套设有一个绕组线圈。在下文的其他示例中，每个定子齿上套设有两个绕组线圈。本实施例对于各个定子齿上套设的绕组线圈的数量不做具体限制。
本实施例中，绕组线圈通过机器绕线单独加工完成后，可套设安装于定子齿上，并可通过焊接相连形成定子绕组。或者，也可直接通过机器绕出相连的多个绕组线圈。本实施例对于各绕组线圈之间的连接方式不做具体限制。作为示例而非限制，本实施例中，定子绕组包含的绕组线圈的数量，可以根据定子齿的数量以及每个定子齿上套设的绕组线圈的数量确定，比如，电机定子齿的数量为48个，每个定子齿上套设2个绕组线圈时，定子绕组包含96个绕组线圈。
现有技术中绕组线圈通过专用定子绕线机直接绕设于定子齿上，因此定子齿及其上的绕组线圈对相邻绕组线圈的绕设过程会造成一定的干涉，使得相邻绕组线圈之间的间隙常常大于2～3mm；此外，现有技术中机器人用电机绕线排布不规则，这些因素严重影响电机的槽满率，而本发明实施例在绕组线圈加工过程中不存在任何干涉，因此绕制得到的绕组线圈更易达到设计要求，使得相邻绕组线圈之间的间隙大大减小，从而可大幅提高电机槽满率。此外，本实施例中，通过机器绕制的线圈排布整齐，填充率高，可进一步提高电机力矩密度。并且，当每个定子齿上设置多个绕组线圈时，可以在每个定子齿上先套设靠近定子轭部的绕组线圈，再套设远离定子轭部的绕组线圈，相对每个定子齿上设置数量较少的绕组线圈而言，在靠近定子轭部的定子齿部位安装绕组线圈时，可避免与相邻定子齿上已套设的绕组线圈产生干涉，从而可提高槽满率，进而提高电机的电机常数和输出功率密度。
如图7所示，本实施例中，永磁无刷电机的转子2包括：永磁体21和转子铁芯20，其中，永磁体21用于励磁产生旋转磁场。
可选地，本实施例中，从远离定子轭部101的齿端部到靠近定子轭部101的齿根部，定子齿的宽度处处相同，便于对应绕组线圈11的制造，且能提高空间利用率，从而提升单位重量的电机常数。可以理解的是，在一些例子中，从远离定子轭部101的齿端部到靠近定子轭部101的齿根部，定子齿宽度也可以逐渐增大。需要说明的是，现有技术中，定子齿一般为倒T形结构(即定子齿具有靴部结构)，带有靴部的定子齿会影响绕组线圈空腔110的大小，从而降低了绕组线圈的空间利用率。而本实施例中，定子齿靴部的取消提高了绕组线圈的空间利用率，进而有利于进一步提高单位重量的电机常数。
可选地，如图6所示，本实施例中，各绕组线圈围成的空腔110的截面形状可以为图3所示的圆角矩形。在一些应用中，空腔110的截面形状也可以为跑道形、椭圆形、矩形或者平行四边形，空腔110可略大于定子齿102，从而便于将绕组线圈11套设于定子齿102上。跑道形或者椭圆形等便于绕组线圈11的加工；而矩形、圆角矩形和平行四边形，有较高的空间利用率和较低的端部导体长度，可以理解地，由于加工工艺和铜线物理性质的限制，实际产品中空腔110的形状与理想的跑道形、椭圆形、圆角矩形或矩形相比会存在一定的微小偏差。
可选地，本实施例中，定子齿102周向突出部分形成倒角，比如定子齿的四个棱角位置均形成倒角，从而可防止安装绕组线圈时定子齿102的尖锐边缘损伤绕组线圈表面的绝缘漆层。在一些应用中，定子齿102与定子轭部101的连接处也可形成倒角。
在本实施例中，为了进一步提高绕组线圈11与定子齿102结合的牢固程度，定子1还可以包括粘合层；绕组线圈11通过粘合层固定于定子齿102。其中，粘合层可以为均匀涂布于定子齿102表面或者绕组线圈11内表面的胶水固化后形成。具体地，可在定子齿102表面的部分或者全部均匀涂布胶水，然后将绕组线圈11套装于定子齿102上，胶水固化后形成粘合层，使得绕组线圈11与定子齿102固定在一起，不易松脱。
在上述实施例的基础上，本实施例对电机的尺寸结构做出进一步改进，具体如下：
本实施例中，定子齿最窄处宽度大于或者等于定子内圆周长/N的25％，且小于或者等于定子内圆周长/N的65％，其中N为定子齿102的个数。在本实施例中，N＝48。如图8所示，为定子齿宽度/(定子内圆周长/齿数)与单位重量的电机常数的仿真效果示意图。定子轭部厚度L大于或者等于定子齿最窄处宽度的30％，且小于或者等于定子齿最窄处宽度w的250％。如图9所示，为定子轭部厚度/定子齿宽度与单位重量的电机常数的仿真效果示意图。定子1和转子2之间形成气隙，且电机的平均气隙距离g小于或者等于定子外径d2的1％，如图10所示，为平均气隙距离与定子外径之比与单位重量的电机常数的仿真效果示意图。永磁体径向厚度t小于或者等于平均气隙距离g的25倍，且大于或者等于平均气隙距离g的3倍。如图11所示，为永磁体厚度与平均气隙距离之比与单位重量的电机常数的仿真效果示意图。
需要说明的是，本实施例中对于上述结构尺寸等的进一步优化是发明人基于工艺实现难易以及电机电磁性能等因素综合考虑之后提出的。本实施例通过对电机的相关尺寸做出上述优化，使得电机生产制造加工以及组装难度低，且有利于提高槽满率、增大气隙面积，从而提高永磁无刷电机的力矩密度。
如图7所示，本实施例中，所述永磁体设置于所述转子铁芯20内侧表面。该永磁体21可由钕铁硼磁铁制成。
作为一种实现方式，本实施例中永磁体21包括若干个永磁块，各所述永磁块均贴附于所述转子铁芯20内侧表面，即永磁块为表贴式永磁块。
作为另一种实现方式，永磁体21可以为一体式环状结构，且套设并固定于转子铁芯20内侧表面。永磁体21可以通过胶水固定于转子铁芯内侧表面。
在本实施例中的永磁无刷电机为三相电机，且定子齿数/3与所述永磁体磁极数的最大公约数C大于或者等于2。作为示例而非限制，定子绕组可以为并联绕组或串并混联绕组，其中，C个绕组线圈串联构成最小单元，该最小单元并联或者串并混连以形成任意一相所述定子绕组。电机的齿极数比可以为12/14的整数倍。在本实施例中，齿数为48，极数为56，此齿极数比可有效降低齿槽转矩，使电机运行平稳。本实施例对于电机的定子齿数以及永磁体的磁极数均不作限制。本实施例中，可以通过改变定子绕组中绕组线圈的串并联来调整定子绕组的电阻，以达到设定不同的工作电压和额定转速的目的，省去了改变电机绕组线圈线径的麻烦，简化了制造工艺。
如图1、图5、图12a、12b所示，在本实施例中，从靠近定子轭部到远离定子轭部，定子齿上绕组线圈的周长111呈增大的趋势，举例而言，靠近齿根的绕组线圈的周长111a小于或等于靠近齿端的绕组线圈的周长111b，从而有助提高槽满率和简化套设工艺。
在另一个实施例中，定子齿上套设有两个绕组线圈11，即x＝2。作为示例而非限制，这两个绕组线圈的匝数可以相同，且该两个绕组线圈11可通过并联连接，以降低定子绕组的电阻，从而在电压不变的情况下，提高电机的最高转速，进而提高功率输出密度。
本发明实施例单位质量的电机常数可达到
Figure BDA0002464893990000061
相比现有技术有显著提高。在电机重量相等或相近，相同工作电压、散热良好的情况下，本实施方式永磁无刷电机的输出功率可提高30％以上，或相同功率输出和效率，减重25％以上。
本发明实施例还提供了一种多轴飞行器，包括如前所述的永磁无刷电机。
本发明实施例还提供了一种机器人，包括如前所述的永磁无刷电机。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种永磁无刷电机，所述电机为分数槽外转子电机，其特征在于，包括：定子以及转子；
所述定子包括：定子铁芯以及定子绕组；所述定子绕组为集中式绕组，所述定子铁芯为一体式结构；
所述定子铁芯包括：定子轭部以及定子齿部；所述定子齿部包括：若干个设置于所述定子轭部的定子齿，所述定子齿表面设有绝缘层；
所述定子绕组包括：预设数目个机器绕线成型的绕组线圈，且各所述定子齿分别套设有x个绕组线圈；其中，x大于或等于1；
所述转子包括：永磁体和转子铁芯，其中，所述永磁体用于励磁产生旋转磁场。
2.根据权利要求1所述的永磁无刷电机，其特征在于，从远离所述定子轭部的齿端部到靠近所述定子轭部的齿根部，所述定子齿的宽度均相同；或者
从远离所述定子轭部的齿端部到靠近所述定子轭部的齿根部，所述定子齿的宽度逐渐增大；
可选地，所述绕组线圈围成的空腔的截面形状为圆角矩形、跑道形、椭圆形或者矩形；
可选地，所述定子齿周向突出部分形成倒角。
3.根据权利要求2所述的永磁无刷电机，其特征在于，所述定子齿最窄处宽度大于或者等于所述定子内圆周长/N的25％，且小于或者等于所述定子内圆周长/N的65％，其中，N为定子齿的个数；
所述定子轭部厚度大于或者等于所述定子齿最窄处宽度的30％，且小于或者等于所述定子齿最窄处宽度的250％；
所述定子和转子之间形成气隙，且所述电机的平均气隙距离小于或者等于所述定子外径的1％；
所述永磁体径向厚度小于或者等于所述平均气隙距离的25倍，且大于或者等于所述平均气隙距离的3倍。
4.根据权利要求3所述的永磁无刷电机，其特征在于，所述永磁体设置于所述转子铁芯内侧表面；
可选地，所述永磁体包括若干个永磁块，各所述永磁块均贴附于所述转子铁芯内侧表面；或者，所述永磁体为一体式环状结构，且套设并固定于所述转子铁芯表面。
5.根据权利要求4所述的永磁无刷电机，其特征在于，所述电机为三相电机，所述定子齿数/3与所述永磁体磁极数的最大公约数C大于或者等于2。
可选地，所述定子绕组为并联绕组或串并混联绕组；
其中，C个所述绕组线圈串联构成最小单元，所述最小单元并联或者串并混连以形成任意一相所述定子绕组。
6.根据权利要求5所述的永磁无刷电机，其特征在于，所述电机的齿极数比为12/10或12/14的整数倍。
7.根据权利要求2所述的永磁无刷电机，其特征在于，从靠近所述定子轭部到远离所述定子轭部，所述定子齿上绕组线圈的周长呈增大的趋势。
8.根据权利要求2所述的永磁无刷电机，其特征在于，所述x大于或等于2，所述定子齿上套设的x个绕组线圈的匝数相同。
9.一种多轴飞行器，其特征在于，包括如权利要求1至8中任一项所述的永磁无刷电机。
10.一种机器人，其特征在于，包括如权利要求1至8中任一项所述的永磁无刷电机。
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