CN1128494C - 高磁密永磁无刷电动机 - Google Patents

Abstract

高磁密永磁无刷电动机，现有电机多用优质磁钢提高气隙磁密，造成电机成本的大幅增加。本电机在转子圆周向的相邻主磁极之间或主磁极内部设有磁通方向与主磁极磁通方向不相同、呈一夹角、并对主磁极有向气隙方向聚磁作用的辅助磁极，该辅助磁极可使气隙磁通密度大幅增加，提高电机出力和快速响应，结构简单，成本低，工作可靠，特别是用于无槽电机时可使其无槽优势得以充分发挥。

Description

高磁密永磁无刷电动机

本发明属一种具有高磁通密度磁路的永磁无刷电动机，包括有槽和无槽的永磁无刷电动机。

随着半导体器件、计算技术和钕铁硼永磁材料的长足进展，永磁电机已广泛用于自动控制系统中。作为快速响应的驱动元件，永磁电机的大功率化、智能化和小型轻量化是主要发展方向。图1为现有技术中的几种电机剖面结构示意图，图1-1为无极靴永磁有槽无刷电动机，这种结构磁极无聚磁效应，气隙磁密较低，出力也较低，图1-2是有极靴结构，该转子每极由两块切向磁钢和夹在磁钢中间的极靴组成，可提高气隙磁密和电机出力，但由于气隙磁密的增加会引起定子齿磁路饱和，因此不得不把定子齿加宽，而定子齿加宽又会导致定子槽的变窄，绕组容量减少，降低电机出力。图1-3是一种无槽结构的无刷电动机，这种结构的最大优点是定子铁芯不易饱合，但由于其定子绕组贴在定子铁芯的内表面，对磁路而言，定子与转子之间的“磁路”气隙除空气气隙4外，还要包括定子绕组所占的空间，所以贴在铁心内表面的定子绕组会导致磁路气隙过大，使转子磁极产生的气隙磁密过低，降低出力和快速响应，因而使无槽结构的优势不能得以充分发挥。提高气隙磁密是电动机获得良好的动态特性，提高出力和实现小型轻量化的有效途径，而提高气隙磁密主要有三种方法：①、提高磁钢磁密；②、增加磁钢钢截面积；③、减小漏磁通。目前传统作法多数是不改变结构，用优质磁性材料来提高气隙磁密，这样就导致了电机成本的大幅提高，影响了其大规模的推广应用。

本发明旨在克服上述缺陷，提供一种具有结构简单、成本低、工作可靠、气隙磁通密度高的永磁无刷电动机，特别是包括无槽结构的永磁无刷电动机。

实现上述目的的技术方案是：本发明在机壳内设置的定子部分包括定子铁芯(1)，定子绕组(2)，转子部分包括主轴(6)和固定在其上的主磁极(5)，转子主磁极与定子之间设有径气隙(4)，其特征在于：在所述转子圆周向的相邻主磁极侧壁之间设有磁通方向与主磁极不相同、呈一夹角的的辅助磁极(9)，所述辅助磁极的磁通方向是设为对主磁极经过径气隙(4)的磁通起聚磁作用的方向。

上面所述的聚磁就是与主磁极方向呈一角度的辅助磁极的磁通与主磁极的磁通一起向主磁极所对的气隙方向收缩，本发明采用辅助磁极可同时实现磁钢截面积的增加和漏磁的减少，辅助磁极不仅可以顶掉磁极间的漏磁通，使漏磁通变为主磁通，同时自身还产生主磁通，因此，使以不同角度通过主、辅磁极的磁通同时挤向气隙(4)，这种很强的聚磁效应可以使气隙磁通密度大增。

本发明能有效地增加定子与转子之间气隙的磁通密度，提高出力和快速响应，克服了永磁无刷无槽电机铁芯内表面绕组所造成电机电气气隙过大，气隙磁密过低影响电机性能的缺陷，从而能够使无槽电动机转矩波动小、线性度高、热时间常数大、电感小等优势得以充分发挥，而且本发明的磁路结构同样能有效地适用于有槽的永磁交直流电机。本发明性能好，结构简单，造价低，体积小，重量轻，工作可靠，便于大规模推广应用。

附图说明

图1、现有技术中的几种电动机结构示意图

1-1、现有无极靴的永磁无刷有槽电机结构示意图

1-2、现有有极靴的永磁无刷有槽电机结构示意图

1-3、现有永磁无刷无槽电机结构示意图

1-定子铁芯  2-定子绕组  3-定子齿  4-气隙

5-主磁极    6-主轴      7-定子槽  8-极靴

图2、本发明实施例1无极靴永磁无刷无槽电机剖面结构示意图

9-辅助磁极

图3、本发明实施例2有极靴永磁无刷无槽电机剖面结构示意图

图4、本发明实施例3有极靴永磁无刷无槽电机剖面结构示意图

图5、带有辅助磁极9的实施例3与其不带辅助磁极时的功率电流曲线对比图

A-实施例3带辅助极的(4极：2P＝4)有极靴永磁无刷无槽电机的曲线

B-不带辅助极的(12极：2P＝12)有极靴永磁无槽无刷电机的曲线。

K-电机运行点

M-电机额定电流(6.62A)

N-电机额定功率(51W)

图6、本发明实施例4拼块结构的无极靴永磁无刷无槽电机剖面结构示意图

图7、本发明实施例5拼块结构的无极靴永磁无刷无槽电机剖面结构示意图

图8、现有技术每极为单块径向磁钢的无极靴永磁无刷无槽电机剖面结构示意图

图9、实施例4与实施例5同图8所示电机的空载气隙磁场波形对比图

Br-磁钢剩磁密度

曲线a-对应图8所示电机的曲线

曲线b-对应图6所示本发明实施例4电机的曲线

曲线c-对应图7所示本发明实施例5电机的曲线

实施例1  (见图2)

本例为无极靴永磁无刷无槽电动机，定子铁芯1为圆筒形，定子绕组2均匀地粘贴在其内表面上，转子部分包括套有转子轭的主轴6(图中未示转子轭)，转子上固定的主磁极5是凸极，由径向磁钢组成，定子与转子之间设有径向气隙4，在转子圆周向的相邻主磁极5之间设有贴在相邻两主磁极侧面的切向磁钢的辅助磁极9，所述切向辅助磁极9两端的磁极极性分别同与其相贴的主磁极5对着径气隙4一端的磁极极性相同。

本例若不设辅助磁极9，相邻主磁极间将存在较大的漏磁通，并且所有主磁通都要通过转子主轴轭部，为避免轭部饱和，就要增加其截面积，使电机体积重量增加。增加辅助磁极后，辅助磁极的切向磁通不但顶掉了相邻主磁极间的漏磁通，并使漏磁通变为主磁通，同时自身还产生主磁通，这样，分别以径向和切向不同方向通过主磁极和辅助磁极的磁通即会同时挤向气隙4，使气隙磁密显著增加，此外，由于辅助磁极的切向磁通存在，使部分主磁通经辅助磁极而闭合，减少了经过转子轭部的磁通，使轭部不易饱和，其体积、重量可减小，这种凸隐极的混合式磁路结构，能有效地克服永磁无刷无槽电机电气气隙过大，气隙磁密过低影响电机性能的缺陷(对有槽电机同样有效)。

实施例2(图3)

本例是有极靴永磁无刷无槽电机，本例的主磁极5是由相邻两块切向磁钢及两磁钢端头之间的高导磁软钢极靴8组成，在所述相邻两块切向磁钢侧壁之间嵌有径向磁钢的辅助磁极9，所述径向辅助磁极9对着径气隙4一端的磁极极性同主磁极5切向磁钢与该辅助磁极相邻一端的磁极极性相同。

本例工作原理与实施例1基本相同。本例这种凸隐极组合，每极沿充磁方向的两块切向(磁钢)，一块径向(辅助磁极)磁钢表面发出的磁通同时通过极靴8挤向气隙4，具有更高的聚磁作用，其气隙磁密的提高幅度比实施例1更显著。

实施例3(图4)

本例与实施例2结构基本相同，只是所述组成主磁极5的相邻两块切向磁钢横截面为内小外大的梯形，极靴8嵌在两磁钢端头部位的侧壁之间，辅助磁极9嵌在两磁钢靠近主轴部位的两侧壁之间。

图5为功率-电流曲线：P＝f(I)。A为本例带辅助磁极的(4极：2P＝4)有极靴永磁无刷无槽电机的曲线，B为不带辅助磁极的(12极：2P＝12)有极靴永磁无槽无刷电机的曲线。由该图可看出：本例带辅肋磁极的4极电机可达到不带辅助极的12极电机同样的功率(K点)，因此，采用本发明辅助磁极“聚磁”的途径提高气隙磁密，比现有技术增加极数(增加磁钢用量)的途径更有效，更经济，结构更简单。

实施例4(图6)及实施例5(图7)

实施例4和实施例5是本发明无极靴拼块结构的永磁无刷无槽电动机，其每一磁极是由瓦形的主磁极5同两侧与主磁极取向不同、呈一夹角且对称于主磁极瓦形极截面中线的瓦形辅助磁极9拼接而成，所述瓦形辅助磁极9的磁极方向与主磁极5磁极方向的夹角不大于90度。

图6所示实施例4的主磁极5是一块径向的瓦形磁钢，图7所示实施例5的主磁极5是由两块取向不同且对称的瓦形磁钢拼接成的瓦形极，其左右两侧对称设置的瓦形辅助极9取向与主磁极不相同且对称于主磁极截面中线。

本例不但能提高气隙磁密，还能改善气隙磁场波形，改善电机运行性能。

需要说明的是：本发明拼块结构的相邻磁极之间没有空隙，其相邻磁极的辅助极是贴在一起的，当去掉辅助极时，就需要填补空隙重新排列成图8所示的无空隙结构。而实施例1～3所示结构的转子在去掉辅肋极后，主磁极依然为独立的磁极。

图9是实施例4与实施例5同图8所示每极为单块径向磁钢的无极靴永磁无刷无槽电机的空载气隙磁场波形对比图，从该图可看出：对应图8的电机曲线a气隙峰值磁密低于Br，无聚磁效应，曲线呈矩形波；曲线b对应图6带辅助磁极的实施例4，曲线呈梯形波(减小电机力矩波动)，且气隙峰值磁密高于Br，有聚磁作用，提高了电机出力和快速响应；曲线c对应图7带辅助磁极的实施例5，曲线呈正弦波(显著减小电机力矩波动)，且气隙峰值磁密更高，有效地改善了电机的运行性能和提高出力。

前述实施例4、5拼块结构的永磁无刷无槽电机可使一部分主磁通通过辅助磁极闭路，不再经转子轭部，使轭部不易饱和，从而可减少转子轭部的体积和重量。

Claims (4)

1、高磁密永磁无刷电动机，其机壳内设置的定子部分包括定子铁芯(1)，定子绕组(2)，转子部分包括主轴(6)和固定在其上的主磁极(5)，转子主磁极与定子之间设有径气隙(4)，其特征在于：在所述转子圆周向的相邻主磁极侧壁之间设有磁通方向与主磁极不相同、呈一夹角的的辅助磁极(9)，所述辅助磁极的磁通方向是设为对主磁极经过径气隙(4)的磁通起聚磁作用的方向。

2、根据权利要求1所述的电动机，其特征在于：所述的主磁极(5)是凸极，由径向磁钢组成，在转子圆周向的相邻主磁极(5)之间设有贴在相邻两主磁极侧面的切向磁钢的辅助磁极(9)，所述切向辅助磁极(9)两端的磁极极性分别同与其相贴的主磁极(5)对着径气隙(4)一端的磁极极性相同。

3、根据权利要求1所述的电动机，其特征在于：所述主磁极(5)是由相邻两块切向磁钢及两磁钢端头之间的高导磁软钢极靴(8)组成，在所述相邻两块切向磁钢侧壁之间嵌有径向磁钢的辅助磁极(9)，所述径向辅助磁极(9)对着径气隙(4)一端的磁极极性同主磁极(5)切向磁钢与该辅助磁极相邻一端的磁极极性相同。

4、根据权利要求1所述的电动机，其特征在于：所述转子的每一磁极是由瓦形的主磁极(5)同两侧与主磁极取向不同、呈一夹角且对称于主磁极瓦形极截面中线的瓦形辅助磁极(9)拼接而成，所述瓦形辅助磁极(9)的磁极方向与主磁极(5)磁极方向的夹角不大于90度。

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