CN113162356A - 一种高空无人机用高功率密度驱动器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电机技术领域，公开了一种高空无人机用高功率密度驱动器，包括电机外壳、电机转轴以及设于电机外壳内且自内而外依次同轴套装在电机转轴上的电机转子和电机定子，电机转子相对电机定子转动，电机转子包括转子铁芯和转子磁钢，转子铁芯与电机转轴固定连接，多个转子磁钢沿转子铁芯的圆周方向均匀布置，电机定子包括定子线圈和定子背铁，定子背铁的圆周方向上均布有多个定子齿槽，定子线圈绕设在定子齿槽内，其特征在于，转子磁钢为一字型内嵌式磁极结构，转子磁钢的充磁方向垂直于其一字型本体，相邻的两个转子磁钢的充磁方向相反。采用本发明，能够增大功率密度与转矩密度，降低转矩波动，而且可靠性更高，更易于加工。

Description

一种高空无人机用高功率密度驱动器
技术领域
本发明涉及电机技术领域，特别是涉及一种高空无人机用高功率密度驱动器。
背景技术
永磁同步电机作为驱动器的一种，其功率密度高，调速性能好，广泛应用于各种工业领域。国内外研制开发高效、高功率密度永磁同步电动机已有20多年的历史，并逐渐代替异步电机应用在电动汽车、车床、飞轮储能等领域广泛应用。而随着永磁同步电机应用领域越来越广，各种应用场合不仅对电机单项性能的需求越来越高，还要求电机同时具有更好的综合性能。例如机器人高功率密度关节驱动、航空航天等应用场合不仅对电机功率密度提出了更高的要求，还要求电机同时具有低转矩波动和高输出功率等优良特性。
由于无人机工作环境复杂、空间体积有限，对电机的功率密度、效率等提出了严苛要求，而传统电机难以适应无人机的复杂工况需求。因此研制具有高功率密度的无人机用电机，对于发掘电机的极限输出能力，解决在特殊场合下电机的应用受限问题，为我国高功率密度电机发展提供技术支撑等方面具有重要的现实意义。
永磁电机的发展与永磁材料的发展密切相关，随着永磁电机向高效、高速、高功率密度、微型化方向的发展，传统稀土永磁电机也表现出一定的局限性。如高速运转时，转子涡流损耗较大，效率不能保持较高水平；气隙磁密难以满足；转矩脉动相对较大等，从而产生振动噪声。
常规的永磁同步电机比如表贴结构，气隙磁场一般取1.0T左右，为实现高功率密度，很多采用高速和高电磁负荷设计，易造成电机温升过高，为电机稳定运行带来很大威胁。另外，由于高磁通意味着高磁密，在运行中极容易产生低阶数的振动。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够增大功率密度与转矩密度，降低转矩波动的高空无人机用高功率密度驱动器。
为了实现上述目的，本发明提供了一种高空无人机用高功率密度驱动器，其包括电机外壳、电机转轴以及设于所述电机外壳内且自内而外依次同轴套装在所述电机转轴上的电机转子和电机定子，所述电机转子相对所述电机定子转动，所述电机转子包括转子铁芯和转子磁钢，所述转子铁芯与所述电机转轴固定连接，所述转子磁钢设有多个，且多个所述转子磁钢沿所述转子铁芯的圆周方向均匀布置，所述电机定子包括定子线圈和定子背铁，所述定子背铁的圆周方向上均布有多个定子齿槽，所述定子线圈绕设在所述定子齿槽内，所述转子磁钢为一字型内嵌式磁极结构，所述转子磁钢的充磁方向垂直于其一字型本体，相邻的两个所述转子磁钢的充磁方向相反。
作为本发明优选的方案，形成所述定子齿槽的齿牙端部设有辅助槽。
作为本发明优选的方案，一个所述转子磁钢与至少三个所述定子齿槽相对。
作为本发明优选的方案，所述转子铁芯设有多个轴向贯穿的镂空孔，多个所述镂空孔沿所述转子铁芯的圆周方向均匀布置。
作为本发明优选的方案，所述镂空孔的数目与所述转子磁钢的数目一致。
作为本发明优选的方案，所述镂空孔的中心和所述转子磁钢的中心的连线延长线与所述转子铁芯的轴线相交。
作为本发明优选的方案，所述定子齿槽设有36个，所述转子磁钢设有10个，所述镂空孔设有10个。
实施本发明提供的一种高空无人机用高功率密度驱动器，与现有技术相比，其有益效果在于：
本发明将转子磁钢设计为一字型内嵌式磁极结构，且转子磁钢的充磁方向垂直于其一字型本体，实现平行充磁；这种结构带来了磁路上的优化，与传统型电机相比，增大了功率密度与转矩密度，降低了转矩波动；而且采用一字型内嵌式磁极结构，可靠性更高，更易于加工。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。
图1是本发明提供的一种高空无人机用高功率密度驱动器的结构示意图；
图2是本发明提供的一种高空无人机用高功率密度驱动器与传统型电机的角度-转矩特性图；
图3是本发明提供的一种高空无人机用高功率密度驱动器未增设辅助槽和镂空孔前的磁场分布图；
图4是本发明提供的一种高空无人机用高功率密度驱动器增设辅助槽和镂空孔后的磁场分布图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”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。
如图1所示，本发明优选实施例的一种高空无人机用高功率密度驱动器，其包括电机外壳、电机转轴以及设于所述电机外壳内且自内而外依次同轴套装在所述电机转轴上的电机转子和电机定子，所述电机转子相对所述电机定子转动，所述电机转子包括转子铁芯1和转子磁钢2，所述转子铁芯1与所述电机转轴固定连接，所述转子磁钢2设有多个，且多个所述转子磁钢2沿所述转子铁芯1的圆周方向均匀布置，所述电机定子包括定子线圈3和定子背铁4，所述定子背铁4的圆周方向上均布有多个定子齿槽41，所述定子线圈3绕设在所述定子齿槽41内，所述转子磁钢2为一字型内嵌式磁极结构，所述转子磁钢2的充磁方向垂直于其一字型本体，相邻的两个所述转子磁钢2的充磁方向相反。
可见，本发明实施例将转子磁钢2设计为一字型内嵌式磁极结构，且转子磁钢2的充磁方向垂直于其一字型本体，实现平行充磁；这种结构带来了磁路上的优化，与传统型电机相比，增大了功率密度与转矩密度，降低了转矩波动(如图2所示)；而且采用一字型内嵌式磁极结构，可靠性更高，更易于加工。
示例性的，形成所述定子齿槽41的齿牙端部设有辅助槽42。该辅助槽42优化了定子非饱和区的磁路，提高了定子材料利用率，同时降低了电机整体重量，有利于增大电机功率密度，降低定子铜损和铁损，提升了电机输出特性。
示例性的，由于电机转子作为电机输出力矩的直接部件，其重量大小直接关系到电机的输出动特性，故通过在转子铁芯1上设计镂空孔11，在降低转子重量的情况下，能够改善气隙磁密分布，使得气隙磁密分布更加均匀，提升转矩特性，实现轻量化的目的，从而增大电机功率密度，提升电机动态性能。进一步地，为减少转子质量偏心对电机动态性能的影响，所述转子铁芯1设有多个轴向贯穿的镂空孔11，多个所述镂空孔11沿所述转子铁芯1的圆周方向均匀布置，所述镂空孔11的数目与所述转子磁钢2的数目一致，所述镂空孔11的中心和所述转子磁钢2的中心的连线延长线与所述转子铁芯1的轴线相交。
示例性的，一个所述转子磁钢2与至少三个所述定子齿槽41相对。本实施例中，所述定子齿槽41设有36个，所述转子磁钢2设有10个，所述镂空孔设有10个。
为进一步说明本实施例增设辅助槽42和镂空孔11所带来的有益效果，基于10极36槽内置一字型磁极结构的驱动器(也即永磁同步电机)，对增设辅助槽42和镂空孔11前后的磁场分布进行仿真实验对比：图3是未增设辅助槽42和镂空孔11前的磁场分布图，图4是增设辅助槽42和镂空孔11后的磁场分布图。由此，根据图3和图4的磁场分布能够看出，图3中的磁路存在较多饱和区，磁场分布不均匀；图4的磁场分布均匀，且其磁密由图3中1.127T增大到1.497T。
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“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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高空无人机用高功率密度驱动器，包括电机外壳、电机转轴以及设于所述电机外壳内且自内而外依次同轴套装在所述电机转轴上的电机转子和电机定子，所述电机转子相对所述电机定子转动，所述电机转子包括转子铁芯和转子磁钢，所述转子铁芯与所述电机转轴固定连接，所述转子磁钢设有多个，且多个所述转子磁钢沿所述转子铁芯的圆周方向均匀布置，所述电机定子包括定子线圈和定子背铁，所述定子背铁的圆周方向上均布有多个定子齿槽，所述定子线圈绕设在所述定子齿槽内，其特征在于，所述转子磁钢为一字型内嵌式磁极结构，所述转子磁钢的充磁方向垂直于其一字型本体，相邻的两个所述转子磁钢的充磁方向相反。
2.根据权利要求1所述的高空无人机用高功率密度驱动器，其特征在于，形成所述定子齿槽的齿牙端部设有辅助槽。
3.根据权利要求1所述的高空无人机用高功率密度驱动器，其特征在于，一个所述转子磁钢与至少三个所述定子齿槽相对。
4.根据权利要求1至3任一项所述的高空无人机用高功率密度驱动器，其特征在于，所述转子铁芯设有多个轴向贯穿的镂空孔，多个所述镂空孔沿所述转子铁芯的圆周方向均匀布置。
5.根据权利要求4所述的高空无人机用高功率密度驱动器，其特征在于，所述镂空孔的数目与所述转子磁钢的数目一致。
6.根据权利要求5所述的高空无人机用高功率密度驱动器，其特征在于，所述镂空孔的中心和所述转子磁钢的中心的连线延长线与所述转子铁芯的轴线相交。
7.根据权利要求5所述的高空无人机用高功率密度驱动器，其特征在于，所述定子齿槽设有36个，所述转子磁钢设有10个，所述镂空孔设有10个。
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