CN116388417B - 可变径向环绕绕组分布结构的无槽型超高速永磁电机 - Google Patents
可变径向环绕绕组分布结构的无槽型超高速永磁电机 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116388417B CN116388417B CN202310097696.3A CN202310097696A CN116388417B CN 116388417 B CN116388417 B CN 116388417B CN 202310097696 A CN202310097696 A CN 202310097696A CN 116388417 B CN116388417 B CN 116388417B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- motor
- stator core
- winding
- permanent magnet
- stator
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000004804 winding Methods 0.000 title claims abstract description 98
- 238000009826 distribution Methods 0.000 title claims abstract description 45
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims description 36
- 239000003292 glue Substances 0.000 claims description 14
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims description 9
- 229910000976 Electrical steel Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 238000004080 punching Methods 0.000 claims description 2
- 230000017105 transposition Effects 0.000 claims 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 abstract description 7
- 230000010349 pulsation Effects 0.000 abstract description 3
- 230000006872 improvement Effects 0.000 abstract description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 14
- 239000000306 component Substances 0.000 description 14
- 238000000034 method Methods 0.000 description 10
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 230000013011 mating Effects 0.000 description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 description 6
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 4
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 3
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 3
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 229920006351 engineering plastic Polymers 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 238000009954 braiding Methods 0.000 description 2
- 239000008358 core component Substances 0.000 description 2
- 238000007598 dipping method Methods 0.000 description 2
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 2
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 2
- 239000003302 ferromagnetic material Substances 0.000 description 2
- 238000001746 injection moulding Methods 0.000 description 2
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 2
- 239000003973 paint Substances 0.000 description 2
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 2
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001018 Cast iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004696 Poly ether ether ketone Substances 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- JUPQTSLXMOCDHR-UHFFFAOYSA-N benzene-1,4-diol;bis(4-fluorophenyl)methanone Chemical compound OC1=CC=C(O)C=C1.C1=CC(F)=CC=C1C(=O)C1=CC=C(F)C=C1 JUPQTSLXMOCDHR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229920002530 polyetherether ketone Polymers 0.000 description 1
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 150000003376 silicon Chemical class 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K1/00—Details of the magnetic circuit
- H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
- H02K1/12—Stationary parts of the magnetic circuit
- H02K1/14—Stator cores with salient poles
- H02K1/145—Stator cores with salient poles having an annular coil, e.g. of the claw-pole type
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K1/00—Details of the magnetic circuit
- H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
- H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
- H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets
- H02K1/2706—Inner rotors
- H02K1/272—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
- H02K1/274—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
- H02K1/2753—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
- H02K1/278—Surface mounted magnets; Inset magnets
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K3/00—Details of windings
- H02K3/46—Fastening of windings on the stator or rotor structure
- H02K3/52—Fastening salient pole windings or connections thereto
- H02K3/521—Fastening salient pole windings or connections thereto applicable to stators only
- H02K3/525—Annular coils, e.g. for cores of the claw-pole type
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K2213/00—Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
- H02K2213/03—Machines characterised by numerical values, ranges, mathematical expressions or similar information
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
- Y02T10/64—Electric machine technologies in electromobility
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)
- Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)
Abstract
本发明公开了一种可变径向环绕绕组分布结构的无槽型超高速永磁电机，主要应用于需使用超高速电机的领域，旨在解决传统有槽定子永磁电机槽满率低、谐波增加、转矩脉动增加、电机运行噪音和振动增加、电机控制精度变差、电机效率降低以及上述因素组合带来的弊端。该电机包括无槽的定子铁芯和绕组，还包括转子组件，转子组件位于定子铁芯中空部分，转子组件包括永磁转子和转轴，永磁转子套设固定在转轴中部；本发明的独特性在于电机定子采取环状无齿槽结构设计，绕组采用环绕式轴向绕组线圈，使得电机功率密度高、效率高、功率因数高、易实现微型化、转速上限高、运行品质好、控制实现简单、控制精度高，成本低，有本质上的性能提升。
Description
技术领域
本发明属于电机领域，具体涉及一种可变径向环绕绕组分布结构的无槽型超高速永磁电机，应用于包含但不限于风筒、吸尘器、无人机驱动、电涵道电机、电主轴等需要使用高速和超高速驱动电机的领域。
背景技术
超高速电机一般是指旋转转速超过10,000rpm的无刷电机，而应用于电吹风筒、吸尘器、电涵道、电主轴等领域的超高速永磁驱动电机，其旋转转速一般超过30,000rpm，达到100,000rpm甚至200,000pm。常规转速(一般是3000rpm及以下)电机运行中的诸多问题，如齿槽转矩、非平衡磁拉力、振动、噪音等，在超高速运行下会被数十倍甚至数百倍放大，这不仅会极大影响电机的运行品质，更严峻的会给电机稳定可靠运行带来巨大挑战甚至是烧毁整个电机驱动系统。
另外，超高速电机的优势就是小型化和高功率密度化。小型化就意味着要在设计上尽量节省空间，着力增加电机中参与电磁反应的材料所占用的有效空间，尽量减小电机中不参与电磁反应的材料所占的无效空间(如电机定子绕组端部所占的空间，电机轴和端盖所占用的非必要空间等)；高功率密度化就意味着要在保障同等输出功率的情况下，着力减轻电机中参与电磁反应的有效材料的重量和尺寸，以及尽量减小电机中不参与电磁反应的材料的重量(如减少电机定子绕组端部材料的重量，使用轻型电机轴和端盖或者不使用端盖进行固定等)
同时，在风筒、吸尘器、无人机驱动、电涵道等超高速电机应用场合，电机作为硬件系统组件中的核心部件，不仅要考虑电机本体的运行特征，还要考虑其作为核心部件整合到风筒系统中的多物理场耦合关系，如流体—力、电磁—力、电磁—力—热等耦合关系。综合考虑超高速电机多物理场耦合关系并形成设计与实施方案，是保障电机稳定可靠运行的关键因素。
传统微小型超高速电机的定子均采用有槽型定子冲片叠压结构，主要有几大弊端：一、定子齿槽结构带来磁场分布的连续性不好，气隙磁场波形畸变，主要表现为齿槽转矩固有存在且难以消除；二、电机定子槽型结构必须设有开口用于嵌线，受制于嵌线工艺的极限条件，特别是绕线机出线针头的尺寸限制，定子槽开口小于1mm之后难以实现自动化嵌线；三、齿脚宽度与槽开口宽度必须保持一定的比例(例如2.5:1)，否则电机气隙磁场波形会畸变并存在严重的电枢反应电动势谐波，直接影响的是转矩的输出品质；四、基于第二点和第三点，电机定子内径会存在一个极限值，对于一个6槽2极的超高速电机而言，槽开口的工艺极限值最小约为1mm，齿底宽度一般为2.5mm，那么定子内径圆周周长的最小值约为21mm，内径的最小值约为6.7mm，很难再进一步实现微型化；五、定子内径尺寸受限之后，转子尺寸也会被限制，转子永磁体的厚度就会受到限制，这影直接响到电机的出力表现，从而影响到电机的功率，使电机无法实现高功率密度输出；六、定子槽内安置导线的槽满率低，形成空间浪费，而且超高速电机越往微小型尺寸发展，有槽定子的槽满率越低，空间浪费越严重；七、基于第一点，齿槽转矩的固有存在会使电机在超高速运行状态下，带来定子铁耗急剧增大、发热严重、机械振动大、噪音大、电机结构稳定性变差等一些列问题；八、采用集中式绕组结构设计时，电机的端部长度得到有效控制，但电机的绕组系数会降低，电机气隙磁密的谐波会增加，反之，若采用分布式绕组结构，电机的绕组系数和电机的气隙磁密谐波均可以得到较为优化的调节，但电机电枢绕组的端部长度和占用的材料重量会比集中式绕组增加数倍甚至数十倍，小型化和高功率密度均无法达到较好效果；九、有槽电机气隙长度一般较小，在电机进行较大比例的弱磁升速时，由于硅钢片等铁磁材料具有磁饱和性，电机电枢反应的气隙磁密波形的谐波和电机的交磁反应情况会剧烈增加使铁磁材料中的磁密迅速趋于饱和，这会极大影响电机调速效果，限制电机的高转速输出，难以实现超高速运行效果；十、无法达到高功率密度；十一、能用于自动化制造的有槽电机的物理尺寸有一个最小极限值(比如电机外径10mm)，在此基础上有槽电机无法做的更小，即使在电磁设计中的设计模型可以实现，但也难以实现大规模自动化制造。
空心杯或者基于空心杯基本设计思想的电机，是一种较为典型的无槽型电机，该类电机最大的特点就是定子无槽，甚至很多空心杯电机连定子铁芯都没有。该类型电机除了十一大弊端中的第八点和第九点，其他弊端均能得到有效克服。空心杯电机的最大缺点在于：一、绕组编制工艺复杂，需采用专用且精密的设备进行绕组编制和固化；二、绕组端部长度所占比例大(一般情况下，是电机轴向有效长度的1倍至2倍)，导致电机呈现出细长的结构，增大了轴承跨距，增加了电机中不参与有效电磁反应部分的体积；三、为了使绕组按照120°相带法(或60°相带法)进行均匀分布，电机绕组采用轴向六边形或跑道形结构，在定子铁芯(如有)内圈进行移位叠压编制，电机的绕组系数大大降低，严重影响电机的出力和出功；四、应用场景受限，绝大多数空心杯电机用于转矩输出(毫牛米级)和功率输出(瓦级)较小的场合，功率密度和转矩密度均较低；五、同功率输出时，空心杯电机的制成成本较一般电机贵数倍甚至数十倍。
综上，克服上述传统有槽电机的诸多弊端，有效解决空心杯电机这类典型无槽型电机的不足之处，提出有效解决方案，成为本领域亟待解决的重要问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种可变径向环绕绕组的无槽型超高速永磁电机，主要应用领域包含但不限于电吹风筒、吸尘器、无人机驱动、电涵道电机、电主轴等需要使用超高速电机且输出功率和输出力矩较大的使用场景，在解决传统有槽电机的诸多固有弊端以及空心杯电机的不足之处上，具有本质上的提升。本发明采用了如下所述技术方案：
可变径向环绕绕组分布结构的无槽型超高速永磁电机，包括定子组件和转子组件，定子组件包括无槽的定子铁芯和绕组，转子组件位于定子铁芯中空部分，转子组件包括永磁转子和转轴，永磁转子和转轴的中心轴与定子铁芯的中心轴共轴，永磁转子套设固定在转轴中部，转轴两端延伸至定子铁芯外并套设有转轴轴承。
如上所述可变径向环绕绕组分布结构的无槽型超高速永磁电机，还包括机壳组件，机壳组件包括外套筒、前端盖和后端盖，转轴两端套设的两个转轴轴承分别设置在前端盖和后端盖上。
如上所述定子铁芯为冲片叠压的硅钢片，硅钢片之间填充有胶水。
如上所述定子铁芯和外套筒之间设置有凸楞，凸楞的长度方向平行于定子铁芯的轴向方向，凸楞周向均匀分布在定子铁芯和外套筒之间的环形空间。
如上所述凸楞间隔设置在外套筒周向内壁，所有凸楞的根部均内切固定于外套筒周向内壁，所有凸楞的顶部与定子铁芯外圆周同心的圆周外切，凸楞的顶部与定子铁芯的外圆周之间填充有胶水。
如上所述定子铁芯外圆周周向间隔设置有凸楞，所有凸楞的顶部均内切于外套筒内圆周同心的圆周上，所有凸楞的根部外切固定于定子铁芯外圆周上，凸楞的顶部与外套筒的内圆周之间填充有胶水。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
1、克服传统有槽型超高速电机的弊端，抑制电枢反应电动势畸变，抑制气隙磁场波形畸变，提高输出转矩品质；例如，电机外径同为17mm、铁芯同为13mm时，采用6槽2极100,000rpm电机输出转矩脉动达到34％，而采用本发明的径向环绕绕组2极130,000rpm无槽电机输出转矩脉动仅为0.11％，同比降低300多倍；
2、能有效消除电枢反应电动势谐波，使电机电枢反应电动势波形的谐波率降到1％以下；例如，电机外径同为17mm、铁芯同为13mm时，采用6槽2极100,000rpm电机线电枢反应电动势谐波占基波的比率达到17％，而采用本发明的径向环绕绕组2极130,000rpm无槽电机的该项参数仅为0.72％，同比降低23倍有余；
3、电机本体运行振动噪音大幅降低；例如，电机外径同为17mm、铁芯同为13mm时，采用6槽2极100,000rpm电机噪音为67～72dB，而采用本发明的径向环绕绕组2极130,000rpm无槽电机的该项参数仅为45～50dB，下降20dB有余；
4、该电机使用了径向环绕式线圈绕组，在端部长度固定的情况下可以通过调节绕组分布的相对位置来调节电机定子磁通分布，使得本发明兼具无槽结构气隙磁密波形正弦度良好，以及径向绕组呈现出分布式绕组结构从而可调整电机基波绕组系数的双重优势；同时相较于空心杯电机，本发明绕组端部长度所占比例较小，故缩小了轴承跨距，减小了电机中不参与有效电磁反应部分的体积；
5、本发明绕组占满率为90％，远大于一般电机50％的槽满率，故减小了空间浪费，有利于超高速电机的微小型尺寸制造；
6、本发明中基波绕组系数能达到为1.0，使得电机每相获得最大的转子磁通，从而保障电机的出力和出功；
7、电机输出功率和效率均大幅提升；例如，电机外径同为17mm、铁芯同为13mm时，采用6槽2极100,000rpm电机输出功率为72W，效率为73％，而采用本发明的径向环绕绕组2极130,000rpm无槽电机的输出功率为124W，效率为88％，同尺寸条件下输出功率提升72％，效率提升15个百分点；
8、相比于有槽电机和空心杯电机，电机功率密度得到大幅提升；例如，电机外径同为17mm、铁芯同为13mm时，采用6槽2极100,000rpm电机(不含外壳)，其定子长度为30mm，电机重量为26.0g，输出功率为72W，功率密度为2.77W/g，采用有铁芯2极120,000rpm空心杯电机(不含外壳)，其定子长度为52mm，电机重量为22.2g，输出功率58W，功率密度为2.61W/g，而采用本发明的径向环绕绕组2极130,000rpm无槽电机(不含外壳)，其定子铁心长度为27mm，电机重量为18.2g，输出功率124W的，功率密度为6.81W/g，该参数相较于有槽电机长度缩短了10％，功率密度提高了1.46倍，相较于空心杯电机长度缩短了52％，功率密度提高了1.61倍，应用场景更为广泛；
9、在有效解决现有技术问题且本质性提高电机性能的同时，本发明电机成本无明显增加，相对有槽电机无需开槽降低制造工艺难度，其定子径向环绕绕组工艺较有槽电机和空心杯类型电机简单且稳定。
附图说明
图1为本发明超高速永磁电机立体图；
图2为凸楞第一种实施方式图，其中(a)为定子铁芯外圈是标准的圆结构的横截面图，(b)为配套外套筒截面图，(c)为定子铁芯与配套外套筒配合安装的截面图；
图3为凸楞第二种实施方式图，其中(a)为定子铁芯外圈增加定位凸楞的横截面图，(b)为配套外套筒截面图，(c)为定子铁芯与配套外套筒配合安装的截面图；
图4为本发明定子结构示意图，其中(a)为设置绕组的定子铁芯主视图，(b)为设置绕组的定子铁芯仰视图；
图5为本发明与传统有槽电机磁力线分布的对比图，其中，(a)为传统有槽电机的磁回路结构，(b)为本发明所述的超高速电机的磁回路结构；
图6为本发明超高速电机的齿槽转矩与有槽电机齿槽转矩的对比示意图，其中，(a)为传统有槽电机的转矩输出图，(b)为本发明所述的超高速电机的转矩输出图；
图7为本发明超高速电机的气隙磁场波形与有槽电机气隙磁场波形的对比图，其中，(a)为传统有槽电机的气隙磁密分布图，(b)为本发明所述的超高速电机的气隙磁密分布图；
图8本发明超高速电机的绕组与传统有槽电机定子槽内绕组分布情况的对比图；
图9为本发明可变径向环绕绕组分布结构的无槽型超高速永磁电机的横截面图；
图10为将整个定子铁芯平均划分为6个对称区域时，其中一相绕组分布的径向截面图；
其中表示绕组通电后的磁力线方向；⊙表示绕组及其电流方向垂直于纸面，并从纸面面向读者；/>表示绕组及其电流方向垂直于纸面，并从读者指向纸面
图11为将整个定子铁芯平均划分为24个对称区域时，其中一相绕组分布的径向截面图。
其中表示绕组相互作用后的磁力线方向；⊙表示绕组及其电流方向垂直于纸面，并从纸面面向读者；/>表示绕组及其电流方向垂直于纸面，并从读者指向纸面；□表示其他相绕组的布置位置；
图中，1-绕组抽头，2-绕组，3-定子铁芯，4-转轴，5-永磁转子，6-外套筒。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例并参照附图，对本发明作进一步的详细描述，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并非是对本发明的限制。
实施例1
可变径向环绕绕组分布结构的无槽型超高速永磁电机，如图1至图3所示，包括定子组件、转子组件和机壳组件，所述定子组件包括无槽的定子铁芯3、绕组2，无槽的定子铁芯3轴向中空，导线环绕定子铁芯3内外壁形成绕组2；所述转子组件位于定子铁芯3中空部分，转子组件包括永磁转子5和转轴4，永磁转子5和转轴4的中心轴与定子铁芯3的中心轴共轴，永磁转子5套设固定在转轴4的中部，永磁转子5位于定子铁芯3内部，转轴4两端延伸至定子铁芯3外并套设有转轴轴承；机壳组件包括固定定子组件的外套筒6和固定转子组件的前端盖和后端盖，转轴4两端套设的两个转轴轴承分别设置在前端盖和后端盖上。
所述可变径向环绕绕组分布结构的无槽型超高速永磁电机的转速为130,000rpm，永磁转子5采用2极圆环形高性能永磁磁铁，所述电机的基波频率为2167Hz。
进一步的，所述无槽定子铁芯3在本实施例中由0.15mm厚度的硅钢片材制成的定子冲片叠压而成，叠压片材之间填充胶水，经加热后胶水固化，使叠片连接成定子铁芯3。
进一步的，所述无槽的定子铁芯3的径向横截面类似于圆环结构，定子铁芯3内圈为标准圆结构，定子铁芯3外圈可以是标准的圆结构，定子铁芯3和外套筒6之间设置有凸楞，凸楞的长度方向平行于定子铁芯3的轴向方向，凸楞周向均匀分布在定子铁芯3和外套筒6之间的环形空间，凸楞用于同心度定位，凸楞的设置包括两种方式，第一方式如图2所示，凸楞间隔设置在外套筒6周向内壁，所有凸楞的根部均内切固定于外套筒6周向内壁，所有凸楞的顶部与定子铁芯3外圆周同心的圆周外切，凸楞的顶部与定子铁芯3的外圆周之间填充有胶水；第二方式如图3所示，定子铁芯3外圆周周向间隔设置有凸楞，所有凸楞的顶部均内切于外套筒6内圆周同心的圆周上，所有凸楞的根部外切固定于定子铁芯3外圆周上，凸楞的顶部与外套筒6的内圆周之间填充有胶水。凸楞可以与定子铁芯3属于同一种材料，也可以与定子铁芯3属于不同的材料。凸楞的径向高度由轴向绕组2的层数决定，凸楞周向宽度由电机结构强度需求决定，本实施例中，凸楞的高度为1.2mm，宽度为1.5mm，凸楞外径为17mm，在如图2所示的第一种方式中，凸楞与定子铁芯3外圈圆连接处采用滑动配和加固定胶水的方式进行连接，防止因为过盈配合使外套筒6产生张紧应力而产生形变，在如图3所示的第二种连接方式中，凸楞与外套筒6内壁外圈圆连接处采用滑动配和加固定胶水的方式进行连接，防止因为过盈配合使外套筒6产生张紧应力而产生形变。
进一步的，所述径向环绕导线制成的绕组2，环绕方式是：绕组2外圈与定子铁芯3外圈圆结构相切，且沿轴向平行分布，绕组2内圈与定子铁芯3内圈圆结构相切，且沿轴向平行分布，绕组2内圈和外圈衔接的端部与定子铁芯3的端面贴合或平行，且沿定子铁芯3端面呈现出同心辐射状分布。相较于空心杯电机，本发明绕组2端部长度所占比例较小，故缩小了轴承跨距，减小了电机中不参与有效电磁反应部分的体积。
进一步的，所述径向环绕的绕组2的分布结构灵活可调，在端部长度固定的情况下可以通过调节绕组2分布的相对位置来调节电机定子磁通分布：将整个定子铁芯3平均划分为6个对称区域时，其中一相绕组2分布的径向截面图如图10所示，此时基波绕组系数为1.0，电机每相获得最大的转子磁通；将整个定子铁芯3平均划分为24个对称区域时，其中一相绕组2分布的径向截面图就会出现如图11所示的情况，此时基波绕组系数变为0.933，电机的每相基波磁通得到调节，电机的出力和出功也随之被调节。因此，径向环绕的绕组2的分布结构灵活可调的优势，使得本发明所述电机兼具无槽结构气隙磁密波形正弦度良好，以及径向绕组2呈现出分布式绕组结构从而可调整电机基波绕组系数的双重优势；本实施例采用将整个定子铁芯3平均划分为6个对称区域的结构，此时基波绕组系数为1.0，电机每相获得最大的转子磁通；
进一步的，所述沿定子铁芯3径向环绕的导线，可以是截面形状为圆形的导线，也可以是截面形状为矩形的导线，还可以是交叉换位的CTC导线，本实施例采用形状是圆形交叉换位的CTC导线(或叫利兹导线)，交叉换位的CTC导线导线由7股0.04mm粗的圆线交叉换位编制而成，该导线的使用可以使得电机在2167Hz的基波频率和高达30kHz的载波频率上，杂散损耗减少15％以上。
进一步的，所述沿定子铁芯3轴向环绕的导线制成的绕组2，可以通过灌注环氧树脂、浸漆烘干或注胶成型的方式与定子铁芯3固定成一个整体，本实施例通过灌注环氧树脂和浸漆烘干的方式与定子铁芯固3定成一个整体，形成定子组件。
所述转子组件包括永磁转子5与转轴4，永磁转子5没有转子铁芯，永磁转子5为同心圆环状永磁体，同心圆环状永磁体的永磁转子5内圆与转轴4外圆存在一定的尺寸间隙，一般设置为0.005～0.02mm，本实施例设置为0.01mm，该尺寸间隙以胶水进行填充，且转轴4采取机械加工方法打防滑条以保证其表面粗糙，有效防止永磁转子5滑动或滑脱。
机壳组件不是必然要使用的组件，当超高速电机作为独立外装部件提供动力驱动时，机壳组件是必要的，但当超高速电机作为非独立内装部件提供动力驱动时，机壳组件不是必要的，此时，超高速电机的定子组件和转子组件可以与设备的内装尺寸进行配合，从而省掉机壳组件，形成超高速电机与设备一体化。
当所述机壳组件被使用时，机壳组件的材质可以是金属(如铝合金，不锈钢，铸铁等)，也可以是工程塑料(如PEEK，PPS等)，机壳组件为工程塑料时，可以与定子组件采用注塑的方式连为一体，也可以采用工程塑料加工件进行必要的机械安装配合。
本实施例的超高速电机作为非独立内装部件提供动力驱动，机壳组件为金属风道壳，具体来说就是铸铝材质的风道壳，此时，超高速电机的定子组件和转子组件可以与金属风道壳的内装尺寸进行配合，形成超高速电机风道系统。
考虑到工艺特点，本实施例所述的超高速电机的绕组2占满率为90％，十分接近100％，其与传统有槽电机(同尺寸电机受制于工艺，绕组槽满率一般为50％以下)相比，提高的幅度达到40％，定子槽内绕组2的分布情况的对比如图8所示。
优选的，采用径向横截面为圆环结构的无槽定子铁芯3、采用同心圆环状永磁转子5与转轴4构成的转子组件进行配合，体现了本发明所阐述的要义，示意图如图4所示；图5是本发明与传统有槽电机磁力线分布的对比图，传统有槽电机的磁回路结构如图5(a)所示，本发明所述的超高速电机的磁回路结构如图5(b)所示，本发明所述方案的磁回路结构与传统有槽电机的磁回路结构有本质上的区别；本发明所述的超高速电机的齿槽转矩为0，其与有槽电机齿槽转矩的对比图如图6所示(图6横轴对应电机旋转的圆周角度，单位是rad，纵轴对应电机的转矩输出值，单位是Nm，因为本图为示意图，本领域技术人员容易看懂)，图6(a)为传统有槽电机的转矩输出图，图6(b)为本发明所述的超高速电机的转矩输出图；其与有槽电机气隙磁场波形的对比图如图7所示(图7横轴对应电机的一个极狐长度180°，纵轴对应电机气隙的磁密分布值，单位是T)，图7(a)为传统有槽电机的气隙磁密分布图，图7(b)为本发明所述的超高速电机的气隙磁密分布图，相比于传统电机的气隙磁密分布，本发明所述的超高速电机的气隙磁密分布为标准的正弦波分布；
本发明所述的可变径向环绕绕组分布结构的无槽型超高速永磁电机，与传统有槽超高速电机相比，由于定子铁芯3内无槽，因此，不存在物理意义上的槽极配合概念；但是，可以把本发明所述的无槽超高速永磁电机视作定子齿宽为0的学术意义上的有槽电机的一种特例进行类比分析，仍然可以援引广义的“槽极配合”概念对本发明的内涵进行阐述，此处电机槽数的定义为：定子内圆为轴向环绕线圈设置的对称分段的数目，本实施例采用6槽(相邻绕组2之间的虚拟分界线可以视作广义上的槽的概念)2极可变径向环绕绕组分布结构的无槽型超高速永磁电机，如图9所示，定子铁芯3平均划分的对称区域数目为6，永磁转子5为2极磁体转子。
优选的，可变径向环绕绕组分布结构的无槽型超高速永磁电机为三相电机时，电机定转子的广义“槽极配合”模式可以为分数槽匹配，也可以为整数槽配合，其配合关系如表1。
优选的，可变径向环绕绕组分布结构的无槽型超高速永磁电机为二相电机时，电机定转子的广义“槽极配合”模式为整数槽匹配，其配合关系如表2。
表1为可变径向环绕绕组分布结构的无槽型超高速永磁电机为三相电机时，电机定转子的配合表
| 转子极数 | 定子槽数 |
| 2 | 6，12，18，24，48 |
| 4 | 6，12，18，24，48 |
| 6 | 18，24，36，48，72，96 |
| 8 | 12，18，24，36，48，72，96 |
| 10 | 12，18，24，36，48，72，96 |
| 12 | 18，24，36，48，72，96 |
表2为可变径向环绕绕组分布结构的无槽型超高速永磁电机为二相电机时，电机定转子的配合表
本发明并不限于上述实施方式，上述实施例仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思进行限定，上述实施例中的实施方案可以进一步组合或者替换，本领域技术人员对本发明的技术方案作出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。
Claims (1)
1.可变径向环绕绕组分布结构的无槽型超高速永磁电机，包括定子组件和转子组件，其特征在于，定子组件包括无槽的定子铁芯（3）和绕组（2），转子组件位于定子铁芯（3）中空部分，转子组件包括永磁转子（5）和转轴（4），永磁转子（5）和转轴（4）的中心轴与定子铁芯（3）的中心轴共轴，永磁转子（5）套设固定在转轴（4）中部，转轴（4）两端延伸至定子铁芯（3）外并套设有转轴轴承，
还包括机壳组件，机壳组件包括外套筒（6）、前端盖和后端盖，转轴（4）两端套设的两个转轴轴承分别设置在前端盖和后端盖上，
所述定子铁芯（3）为冲片叠压的硅钢片，硅钢片之间填充有胶水，
所述定子铁芯（3）和外套筒（6）之间设置有凸楞，凸楞仅位于外套筒（6）侧，凸楞的长度方向平行于定子铁芯（3）的轴向方向，凸楞周向均匀分布在定子铁芯（3）和外套筒（6）之间的环形空间，
所述凸楞间隔设置在外套筒（6）周向内壁，所有凸楞的根部均内切固定于外套筒（6）周向内壁，所有凸楞的顶部与定子铁芯（3）外圆周同心的圆周外切，凸楞的顶部与定子铁芯（3）的外圆周之间填充有胶水，
所述定子铁芯（3）外圆周周向间隔设置有凸楞，所有凸楞的顶部均内切于外套筒（6）内圆周同心的圆周上，所有凸楞的根部外切固定于定子铁芯（3）外圆周上，凸楞的顶部与外套筒（6）的内圆周之间填充有胶水，
所述径向环绕的绕组（2）的分布结构可调，在端部长度固定的情况下可以通过调节绕组（2）分布的相对位置来调节电机定子磁通分布，使所述电机兼具无槽结构气隙磁密波形正弦度以及可调整电机基波绕组系数，
沿定子铁芯（3）径向环绕的绕组（2）的导线，是截面形状为圆形的导线，或者截面形状为矩形的导线，或者交叉换位的CTC导线，
可变径向环绕绕组分布结构的无槽型超高速永磁电机为三相电机时，电机定转子的配合表如下：
，
可变径向环绕绕组分布结构的无槽型超高速永磁电机为二相电机时，电机定转子的配合表如下：
。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310097696.3A CN116388417B (zh) | 2023-02-10 | 2023-02-10 | 可变径向环绕绕组分布结构的无槽型超高速永磁电机 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310097696.3A CN116388417B (zh) | 2023-02-10 | 2023-02-10 | 可变径向环绕绕组分布结构的无槽型超高速永磁电机 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116388417A CN116388417A (zh) | 2023-07-04 |
| CN116388417B true CN116388417B (zh) | 2024-06-07 |
Family
ID=86960464
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310097696.3A Active CN116388417B (zh) | 2023-02-10 | 2023-02-10 | 可变径向环绕绕组分布结构的无槽型超高速永磁电机 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116388417B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117118110B (zh) * | 2023-10-25 | 2024-05-14 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种大电感无齿槽推进电机 |
Citations (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6344703B1 (en) * | 1998-06-09 | 2002-02-05 | Fanuc Ltd. | Pneumatic bearing motor |
| JP2002209347A (ja) * | 2001-01-12 | 2002-07-26 | Nissan Motor Co Ltd | 電動機 |
| CN1373544A (zh) * | 2001-12-25 | 2002-10-09 | 江西喜泰电机有限公司 | 套圈式绕组内外转子无槽电机 |
| DE10240704A1 (de) * | 2002-09-04 | 2004-04-08 | Tirron-Elektronik Gmbh | Hochpolige Wechselstrommaschinen |
| JP2011135691A (ja) * | 2009-12-24 | 2011-07-07 | Jtekt Corp | モータ、電動パワーステアリング装置及びインホイールモータ駆動装置 |
| CN103683778A (zh) * | 2013-12-05 | 2014-03-26 | 北京交通大学 | 背绕式水内冷定子绕组、空实心隔热转子护套的永磁电机 |
| CN204258576U (zh) * | 2014-10-13 | 2015-04-08 | 广东威灵电机制造有限公司 | 电机 |
| KR20180047480A (ko) * | 2016-10-31 | 2018-05-10 | 한국생산기술연구원 | 슬롯리스 bldc 모터 |
| CN110224514A (zh) * | 2019-05-31 | 2019-09-10 | 华中科技大学 | 一种永磁轴向磁通电动补偿脉冲发电机 |
| CN111431301A (zh) * | 2020-04-21 | 2020-07-17 | 南京理工大学 | 定子侧具有不导磁间隔的背绕式绕组无齿槽高速永磁电机 |
| CN112366845A (zh) * | 2020-12-17 | 2021-02-12 | 哈尔滨理工大学 | 一种高效率背绕式绕组无齿槽永磁同步电机 |
| FR3100398A1 (fr) * | 2019-08-27 | 2021-03-05 | Erneo | Machine électrique à bobinage torique munie d’un circuit de détection de court-circuit dudit bobinage torique. |
| CN113497495A (zh) * | 2020-04-01 | 2021-10-12 | 长城汽车股份有限公司 | 用于高速永磁电机的定子铁芯、电机和车辆 |
| CN115549355A (zh) * | 2022-09-16 | 2022-12-30 | 珠海格力电器股份有限公司 | 一种用于电机的背绕式定子、制作方法及高速永磁电机 |
-
2023
- 2023-02-10 CN CN202310097696.3A patent/CN116388417B/zh active Active
Patent Citations (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6344703B1 (en) * | 1998-06-09 | 2002-02-05 | Fanuc Ltd. | Pneumatic bearing motor |
| JP2002209347A (ja) * | 2001-01-12 | 2002-07-26 | Nissan Motor Co Ltd | 電動機 |
| CN1373544A (zh) * | 2001-12-25 | 2002-10-09 | 江西喜泰电机有限公司 | 套圈式绕组内外转子无槽电机 |
| DE10240704A1 (de) * | 2002-09-04 | 2004-04-08 | Tirron-Elektronik Gmbh | Hochpolige Wechselstrommaschinen |
| JP2011135691A (ja) * | 2009-12-24 | 2011-07-07 | Jtekt Corp | モータ、電動パワーステアリング装置及びインホイールモータ駆動装置 |
| CN103683778A (zh) * | 2013-12-05 | 2014-03-26 | 北京交通大学 | 背绕式水内冷定子绕组、空实心隔热转子护套的永磁电机 |
| CN204258576U (zh) * | 2014-10-13 | 2015-04-08 | 广东威灵电机制造有限公司 | 电机 |
| KR20180047480A (ko) * | 2016-10-31 | 2018-05-10 | 한국생산기술연구원 | 슬롯리스 bldc 모터 |
| CN110224514A (zh) * | 2019-05-31 | 2019-09-10 | 华中科技大学 | 一种永磁轴向磁通电动补偿脉冲发电机 |
| FR3100398A1 (fr) * | 2019-08-27 | 2021-03-05 | Erneo | Machine électrique à bobinage torique munie d’un circuit de détection de court-circuit dudit bobinage torique. |
| CN113497495A (zh) * | 2020-04-01 | 2021-10-12 | 长城汽车股份有限公司 | 用于高速永磁电机的定子铁芯、电机和车辆 |
| CN111431301A (zh) * | 2020-04-21 | 2020-07-17 | 南京理工大学 | 定子侧具有不导磁间隔的背绕式绕组无齿槽高速永磁电机 |
| CN112366845A (zh) * | 2020-12-17 | 2021-02-12 | 哈尔滨理工大学 | 一种高效率背绕式绕组无齿槽永磁同步电机 |
| CN115549355A (zh) * | 2022-09-16 | 2022-12-30 | 珠海格力电器股份有限公司 | 一种用于电机的背绕式定子、制作方法及高速永磁电机 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116388417A (zh) | 2023-07-04 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7105973B2 (en) | Highly efficient permanent magnet brushless motor | |
| US9470238B2 (en) | Electric motor having segmented stator windings | |
| EP2418756B1 (en) | Permanent magnet rotating electric machine | |
| US20150061441A1 (en) | Electric machine and associated method | |
| CN116388417B (zh) | 可变径向环绕绕组分布结构的无槽型超高速永磁电机 | |
| CN103236771A (zh) | 半磁片式永磁同步电动机异步起动转子 | |
| US20140117790A1 (en) | Rotating electrical machine | |
| CN105871158B (zh) | 空心杯电枢内外转子无刷直流永磁电动机 | |
| WO2017177740A1 (zh) | 一种永磁电动机 | |
| KR102218794B1 (ko) | 회전축 이용을 위한 발전기의 스테이터와 인너로터 | |
| KR20200013404A (ko) | 발전기의 스테이터(stator)와 인너로터(Inner Rotor) 제조방법 | |
| US11296561B2 (en) | Motor for ceiling fan | |
| CN209267410U (zh) | 一种双磁极永磁无刷直流电机 | |
| CN101060258A (zh) | 一种横磁通永磁风力发电机 | |
| CN212258563U (zh) | 一种用于旋转马达的转子 | |
| CN112383192B (zh) | 一种带内置轴流风机的自扇冷轴向磁通电机 | |
| CN210744861U (zh) | 一种柱式无铁芯电机 | |
| CN209488284U (zh) | 永磁直流电机 | |
| CN209389893U (zh) | 一种双转子永磁同步电机转子固定结构 | |
| CN101373916B (zh) | 盘式转子电机 | |
| CN111668949B (zh) | 一种用于旋转马达的转子及其制造方法 | |
| KR102570898B1 (ko) | 2개의 로터를 결합한 발전기 장치 | |
| CN219329683U (zh) | 一种永磁同步电机 | |
| US11509195B2 (en) | Column type coreless motor | |
| CN216649343U (zh) | 一种132中心高电机的高效4极定子冲片及转子冲片 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |