CN112821704B - 一种无相带电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无相带电机，包括外转子、定子，定子包括铁心和绕组，铁心外表面上绕其轴线呈放射状均布若干个轴向通槽，通槽内设置有绕组，绕组包括A相、B相、C相，A相从第1槽开始绕制，跨越至第n槽、在第n槽绕制第一次，跨越至第2n槽、在第2n槽绕制第二次，依次方式绕制至尾槽时，再跨越至第3槽，以此形成A相第一层绕组；在第3槽绕制第一次，跨越至第(3+n)槽、在第(3+n)槽绕制第二次，跨越至第(3+2n)槽、在第(3+2n)槽绕制第三次，依次方式绕制至尾部时，再跨越至第2槽，以此形成A相第二层绕组；在第2槽开始绕制，跨越至第(2+n/2)槽绕制第一次，跨越至第(2+n)槽绕制第二次，依次方式绕制至尾部，以此形成A相第三层绕组。

Description

一种无相带电机

技术领域

本发明涉及电机领域，尤其是一种无相带电机。

背景技术

电动飞行器、电动汽车均以电源为动力，用电动机驱动运行。电力驱动的前景被广泛看好，但当前技术尚不成熟。由于飞行器、汽车上装载的电池容量有限，电动机的功效、能耗直接关系到飞行器、汽车的续航里程，现有的飞行器、汽车一般采用三相直流电动机，其能耗大、扭矩小、效率低、续航时间短等缺陷，其大大限制了工作时间、限制了使用范围。

电机中的谐波是产生附加损耗，引起噪音、振动的重要来源，其中由绕组产生的相带磁势谐波占有一定的份量。如何在电机运行时不产生相带磁势谐波，从而减少电机的附加损耗、振动、噪音，提高电机的效率，是一个重要的研究方向。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种无相带电机，以减少电机的附加损耗、振动、噪音，提高电机的效率。

为实现上述目的，本发明一种无相带电机，包括外转子、定子，定子包括铁心和绕组，铁心外表面上绕其轴线呈放射状均布若干个轴向通槽，通槽内设置有绕组，绕组包括A相、B相、C相，

其中，A相从第1槽开始绕制，跨越至第n槽、并在第n槽绕制第一次，跨越至第2n槽、并在第2n槽绕制第二次，依次方式绕制至尾槽时，再跨越至第3槽，以此形成A相第一层绕组；

在第3槽绕制第一次，跨越至第(3+n)槽、并在第(3+n)槽绕制第二次，跨越至第(3+2n)槽、并在第(3+2n)槽绕制第三次，依次方式绕制至尾部时，再跨越至第2槽，以此形成A相第二层绕组；

在第2槽开始绕制，跨越至第(2+n/2)槽绕制第一次，跨越至第(2+n) 槽绕制第二次，跨越至第(2+3n/2)槽绕制第三次，跨越至第(2+2n)槽绕制第四次，跨越至第(2+5n/2)槽绕制第五次，依次方式绕制至尾部，以此形成 A相第三层绕组；

B相从第2槽开始绕制，B相与A相的绕制方式相同；

C相从第3槽开始绕制，C相与A相的绕制方式相同；

并且，A相中以第1槽开始为头部，另一端为尾部；B相中以第2槽为尾部，另一端为头部；C相中以第3槽开始为头部，另一端为尾部。

进一步，所述通槽设置在所述铁心圆周面上，沿圆周面的宽度方向上为倾斜设置，其倾斜角度为0.5°-2.5°。

进一步，所述绕组沿铁心径向以单层导线分层设置在通槽中，所述A相、 B相、C相中均设置3层，所述绕组中共设置9层。

进一步，所述通槽的断面形状为径向外端开口的矩形，通槽两侧壁与其内绕组导线之间设置有绝缘层。

进一步，所述铁心按其周角分成几段，在各段上分别绕制相对独立的绕组。

进一步，所述铁心上按周角分段设置多个绕组后，根据需要将单个绕组单独输入，或进行串联或并联后输入。

进一步，所述通槽的数量为磁极数量的两倍，通槽的宽度不大于两相邻通槽之间所夹铁心的周向宽度，两相邻磁极之间的间隙不大于两相邻通槽之间所夹铁齿的周向宽度。

进一步，所述所述A相、B相、C相也可采用多根导线绕制。

本发明一种无相带电机，通过设置特定的A相、B相、C相绕组，以形成无相带绕组，消除了绕组产生的相带磁势谐波，减少了电机的附加损耗、振动、噪音，提高电机的效率。

附图说明

图1为本发明单相发电机断面结构示意图；

图2为本发明中铁心的结构示意图；

图3为图2中A-A向剖视图；

图4为图2中B-B向剖视图；

图5为带槽磁环结构示意图；

图6为图5中C-C向剖视图；

图7为连接轴的结构示意图；

图8为图7中D-D向剖视图；

图9为单个通槽在铁心圆周面上示意图；

图10为单根导线绕组断面结构局部放大示意图；

图11为A相绕组展开示意图；

图12为B相绕组展开示意图；

图13为C相绕组展开示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

在本发明的描述中，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

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至13所示，本发明一种无相带电机，包括电流反馈单元、电压反馈单元、速度反馈单元、位置检测单元、电流调节器、速度调节器、以及分布在电动机定子上的若干个传感器。

其中，电动机驱动电路的电流通过所述电流反馈单元反馈至，来实现对电流的控制。电动机的速度通过所述速度反馈单元反馈至，来实现对速度的控制。根据永磁电机的特性，需要精准定位电动机绕组的位置，然后根据转子的位置实时判断输出电压的极性，本发明中通过位置检测单元监测所述电动机定子上的传感器，来实时判断输出电压的极性。并且位置检测单元的检测信息输送至 PWM模块，该PWM模块通过调节驱动电压脉冲宽度来改变输送到电动机电压的幅值，从而改变电动机转速。

传感器为霍尔元件或绝对值编码器，电动机定子上单独安装有霍尔元件或绝对值编码器，或者在电动机定子上同时安装霍尔元件和绝对值编码器，通过安装两种形式的传感器，当一种传感器检测失效时，可立即启动另一种传感器来进行检测，保证电机的正常运行。

本发明中，通过若干个传感器来检测电动机绕组的位置，并且每一个传感器对应于控制一个设定的电流值和电压值，以此控制电动机的不同运行状态；电动机工作时，电流、电压、电动机运行速度分别通过电流反馈单元、电压反馈单元、速度反馈单元反馈至处理器，通过电流、电压、速度三重控制，来保证电机和电源供电系统的安全。

本发明单相电动机控制系统，电机转速采用PID控制方式，以控制中心通过CAN通讯发送过来的数据作为速度给定，电机转速实时跟踪。驱动器的保护：包括过流、速断、驱动故障、通讯故障等，在设备检测到故障时进行相应的保护，以保证电机和电源供电系统的安全。

本发明一个用于飞行器的实施例中，单相电动机控制系统的运行参数可以为：

额定输入电压：225V-315V；

输出电流：0-133.33A；

额定功率：30KW；

额定点效率：99％；

工作制式：手动/软件控制；

指令方式：CAN协议；

接口形式：航插件；

驱动器工作温度；-70℃-+80℃；

驱动器防护等级；IP65；

驱动器工作大气压：101359.3-5476.4Pa；

驱动器冷却及安装方式；自然风冷。

如图1至图13所示，本发明无相带电机，包括外转子1、定子2、磁极3、绕组4、带槽磁环6、连接轴7。

其中，带槽磁环6上沿其内周向均布设置有若干个内槽，若干个磁极3沿周向均布固定在内槽61内，磁极3的极性沿铁心径向设置，相邻磁极的极性相反。通过独立设置带槽磁环6，方便与外转子1的固定连接，同时磁极3直接固定在内槽61内，安装固定简单，在使用过程中不易脱落或移位，保证了电动机使用的安全性。

定子2包括铁心和绕组，铁心外表面上绕其轴线呈放射状均布若干个轴向通槽21，通槽21内设置有绕组4。其中，通槽21在铁心圆周面上，沿圆周面的宽度方向B上为倾斜设置，其倾斜角度为0.5°-2.5°，如图9所示，为单个通槽在铁心圆周面上示意图，两相邻通槽21之间所夹铁心为铁齿22，铁齿 22与圆周面宽度方向B上相比较为梯形设置，并且铁齿22在铁心正面23上的齿宽25小于其在铁心背面24上的齿宽26，如齿宽25可设定为3mm，齿宽26可设定为3.5mm。

如图11至图13所示，绕组4包括A相、B相、C相。图11为A相绕组展开示意图，A相中从第1槽开始为头部，另一端为尾部。A相从第1槽开始绕制，跨越至第n槽、并在第n槽绕制第一次，跨越至第2n槽、并在第2n槽绕制第二次，依次方式绕制至尾槽时，再跨越至第3槽，以此形成A相第一层绕组8。

在第3槽绕制第一次，跨越至第(3+n)槽、并在第(3+n)槽绕制第二次，跨越至第(3+2n)槽、并在第(3+2n)槽绕制第三次，依次方式绕制至尾部时，再跨越至第2槽，以此形成A相第二层绕组9。

在第2槽开始绕制，跨越至第(2+n/2)槽绕制第一次，跨越至第(2+n) 槽绕制第二次，跨越至第(2+3n/2)槽绕制第三次，跨越至第(2+2n)槽绕制第四次，跨越至第(2+5n/2)槽绕制第五次，依次方式绕制至尾部，以此形成 A相第三层绕组10。图11中，A点为起始端，A’为尾端，1-1’标示为第一层绕组线，2-2’标示为第二层绕组线，3-3’标示为第三层绕组线。

图12为B相绕组展开示意图，B相与A相的绕制方式相同，B相中第2槽为尾部，另一端为头部。从尾部开始，比如从第(3+5n/2)槽开始绕制，跨越至第(3+2n)槽绕制第一次，跨越至第(3+3n/2)槽绕制第二次，跨越至第(3+n) 槽绕制第三次，跨越至第(3+n/2)槽绕制第四次，依次方式绕制至第3槽，以此形成B相第四层绕组11。

从第3槽跨越至第(2+5n/2)槽、并在第(1+5n/2)槽绕制第一次，跨越至第(2+3n/2)槽、并在第(1+3n/2)槽绕制第二次，跨越至第(2+n/2)槽、并在第(1+n/2)槽绕制第三次，依次方式绕制至第4槽，以此形成B相第五层绕组12。

从第4槽跨越至第(4+5n/2)槽绕制第一次，跨越至第(2+2n)槽、并在第(1+2n)槽绕制第二次，跨越至第(2+n)槽、并在第(1+n)槽绕制第三次，依次方式绕制至第2槽，以此形成B相第六层绕组13。图12中，B点为起始端，B’为尾端，1-1’标示为第四层绕组线，2-2’标示为第五层绕组线，3-3’标示为第六层绕组线。

图13为C相绕组展开示意图，A相中从第1槽开始为头部，另一端为尾部。 C相从第3槽开始绕制，跨越至第(2+n)槽、并在第(3+n)槽绕制第一次，跨越至第(2+2n)槽、并在第(3+2n)槽绕制第二次，依次方式绕制至尾槽时，再跨越至第5槽，以此形成C相第七层绕组14。

从第5槽开始、并在第6槽绕制第一次，跨越至第(2+3n/2)槽、并在第 (3+3n/2)槽绕制第二次，跨越至第(2+5n/2)槽、并在第(3+3n/2)槽绕制第三次，依次方式绕制至尾部时，再跨越至第4槽，以此形成C相第八层绕组 15。

在第4槽开始绕制，跨越至第(1+n)槽绕制第一次，跨越至第(1+3n/2) 槽绕制第二次，跨越至第(1+2n)槽绕制第三次，跨越至第(1+5n/2)槽绕制第四次，依次方式绕制至尾部，以此形成C相第九层绕组16。图13中，C点为起始端，C’为尾端，1-1’标示为第七层绕组线，2-2’标示为第八层绕组线，3-3’标示为第九层绕组线。

本实施例中，n＝6。本发明中，B相从第2槽开始绕制，B相与A相的绕制方式相同；C相从第3槽开始绕制，C相与A相的绕制方式相同；并且，A相中以第1槽开始为头部，另一端为尾部；B相中以第2槽为尾部，另一端为头部； C相中以第3槽开始为头部，另一端为尾部。

通槽21的数量为磁极3数量的两倍，通槽21的宽度不大于两相邻通槽21 之间所夹铁心(铁齿22)的周向宽度，两相邻磁极3之间的间隙不大于两相邻通槽之间所夹铁齿22的周向宽度；同时，磁极3的周向宽度为2个通槽21周向宽度+1个铁齿22周向宽度的总和宽度。

绕组4沿铁心径向以单层导线分层设置在通槽21中，绕组4可由单根导线绕制，也可由多根导线绕制，当采用多根导线绕制时，该多根导线依次平行排列，并且绕制每层绕组时均排列在同一径向圆周面上，以保证每层绕组均为单层导线；

通槽21的断面形状为径向外端开口的矩形，通槽21两侧壁与其内绕组导线之间设置有绝缘层5，绕制后的绕组4通过树脂(图中未示出)固定在通槽 21中。

将通槽21的断面设置成带开口的矩形后，可有效保证绕组导线在通槽21 内的单层导线的分层绕制；采用单层导线分层绕制，既可提高空间的利用率，减小整个电动机的体积，又可有效减少绕组中跨接线的数量和跨接线的长度，简化绕组的结构；另外，使两通槽21之间所夹铁心的周向宽度不小于两相邻磁极3之间的间隙，可有效保证绕组中线圈对磁场磁力线的切割，保证电动机的功率。

本发明中绕组4可由单根导线绕制，其绕制方式只是图示结构的简单叠加，这种情况下，导线的两个起始端直接引出，而每层绕组均由单根导线的自由端沿铁心径向依次缠绕即可。

当采用两根或两组导线绕制整个绕组时，两根导线或两组导线的两个起始端也可参与到绕组中，其具体绕制方式是：绕完第一层绕组后，两根或两组导线的起始端沿与其尾端绕铁心相同方向在第一层表面绕制第二层绕组，然后两根或两组导线的尾端再开始在第二层表面绕制第三层绕组，只是导线起始端绕制的绕组中的线圈须与导线尾端绕制的绕组中的线圈径向上重叠并且开口方向相反，绕制完第三层绕组后，导线起始端再绕制第四层绕组，以后尾端再绕制第五层，起始端绕制第六层，如此顺序进行即可，直至完成。

当导线起始端参与绕组的绕制，并使其绕制的绕组中的线圈开口方向与导线尾端绕制的线圈开口方向相反后，可使每层绕组中位于轴向外侧的线圈跨接线交错排列，这样不但方便绕组的绕制，还可提高空间的利用率，而且降低导线的排列密度后还有助于绕组的散热。另外，导线起始端、尾端交错绕制绕组后，还无须设置跨接线，简化了绕组结构，减少对空间不必要的占用。

本发明无相带电机也可将定子铁心按其周角分成几段，然后在各段上分别绕制相对独立的绕组，各段绕组的绕制方法与图11、图12、图13所示相同，需要指出的是，当分段绕制并且同样采用两根或两组导线绕制每段整个绕组时，由于导线尾端不能沿铁心旋转一圈后自然回到导线起始端，因此需将导线尾端与其起始端同等对待，并采取与前述相同的方式进行处理，既将导线尾端往回缠绕时，须使其缠绕的绕组中的线圈与第一层绕组中的线圈径向上重叠并且开口方向。

在铁心上按周角分段设置多个绕组后，可根据需要将每个绕组单独输入，或进行适当串联或并联后输入。

本发明中，通过：1)通槽21在铁心圆周面上，沿圆周面的宽度方向B上为倾斜设置；2)简单、高效的线绕组形式；3)磁极3的安装形式以及宽窄度配比的设置；4)传感器的设置形式；5)通过设置特定的A相、B相、C相绕组，以形成无相带绕组；本发明消除了绕组产生的相带磁势谐波，减少了电机的附加损耗、振动、噪音，提高电机的效率。

Claims (8)

1.一种无相带电机，其特征在于，包括外转子、定子，定子包括铁心和绕组，铁心外表面上绕其轴线呈放射状均布若干个轴向通槽，通槽内设置有绕组，绕组包括A相、B相、C相，

其中，A相从第1槽开始绕制，跨越至第n槽、并在第n槽绕制第一次，跨越至第2n槽、并在第2n槽绕制第二次，依次方式绕制至尾槽时，再跨越至第3槽，以此形成A相第一层绕组；

在第3槽绕制第一次，跨越至第(3+n)槽、并在第(3+n)槽绕制第二次，跨越至第(3+2n)槽、并在第(3+2n)槽绕制第三次，依次方式绕制至尾部时，再跨越至第2槽，以此形成A相第二层绕组；

在第2槽开始绕制，跨越至第(2+n/2)槽绕制第一次，跨越至第(2+n)槽绕制第二次，跨越至第(2+3n/2)槽绕制第三次，跨越至第(2+2n)槽绕制第四次，跨越至第(2+5n/2)槽绕制第五次，依次方式绕制至尾部，以此形成A相第三层绕组；

B相从第2槽开始绕制，B相与A相的绕制方式相同；

C相从第3槽开始绕制，C相与A相的绕制方式相同；

一共形成九层绕组线，并且，A相中以第1槽开始为头部，另一端为尾部；B相中以第2槽为尾部，另一端为头部；C相中以第3槽开始为头部，另一端为尾部。

2.如权利要求1所述的无相带电机，其特征在于，所述通槽设置在所述铁心圆周面上，沿圆周面的宽度方向上为倾斜设置，其倾斜角度为0.5°-2.5°。

3.如权利要求1所述的无相带电机，其特征在于，所述绕组沿铁心径向以单层导线分层设置在通槽中，所述A相、B相、C相中均设置3层，所述绕组中共设置9层。

4.如权利要求1所述的无相带电机，其特征在于，所述通槽的断面形状为径向外端开口的矩形，通槽两侧壁与其内绕组导线之间设置有绝缘层。

5.如权利要求1所述的无相带电机，其特征在于，所述铁心按其周角分成几段，在各段上分别绕制相对独立的绕组。

6.如权利要求1所述的无相带电机，其特征在于，所述铁心上按周角分段设置多个绕组后，根据需要将单个绕组单独输入，或进行串联或并联后输入。

7.如权利要求1所述的无相带电机，其特征在于，所述通槽的数量为磁极数量的两倍，通槽的宽度不大于两相邻通槽之间所夹铁心的周向宽度，两相邻磁极之间的间隙不大于两相邻通槽之间所夹铁齿的周向宽度。

8.如权利要求1所述的无相带电机，其特征在于，所述A相、B相、C相采用多根导线绕制。