CN202405980U - 高速永磁无槽无刷直流电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高速永磁无槽无刷直流电机，用于解决现有的永磁无刷直流电机因定子齿槽结构而带来转矩脉动的技术问题。技术方案是转子部件由转子轴、轴承、磁钢、磁轭构成，磁轭的两侧有动平衡调节装置铜环，转子部件进行动平衡校验时，在铜环上去除铜环质量，实现了精确的动平衡调节。定子铁芯采用无槽的圆环结构，定子线圈采用有槽结构的绕制工艺并置于定子铁芯内部。上述结构的采用明显的提高了电机在运行性能，降低了转矩脉动，达到了电机低振低噪、运行平稳的目的。

Description

高速永磁无槽无刷直流电机

技术领域

本实用新型涉及一种直流电机，特别是一种高速永磁无槽无刷直流电机。 

背景技术

参照图1-2、8-10。文献“专利公告号是CN201450436U的中国实用新型专利”公开了一种大功率永磁无刷直流高速电动机，该电机的定子铁芯采用有槽结构，线圈嵌放于定子槽内，而齿则构成了电机的主磁路通道。 

文献“《高速电机的设计特点及相关技术研究》[J]王凤翔沈阳工业大学学报2008.3p258-263”公开了不同齿槽数无刷直流电机的转矩脉动情况。图中曲线12显示的是定子为6槽时气隙磁场的变化情况；曲线13显示的是定子为24槽时气隙磁场的变化情况；而曲线14显示的则是采用无槽结构时气隙磁场的变化情况。坐标轴的纵轴表示的是气隙磁通的大小，单位是特斯拉(T)；横轴为时间轴，单位是秒(s)。从图13中可以看出，定子槽的存在必将带来明显的转矩脉动。 

转子部件由转子轴1、轴承2，8、转子端板15、磁钢5、磁轭6构成。转子部件装配完毕后需要进行动平衡校验，以保证其在高速运转时有较小的振动冲击。在高速电机中，一般采用去重法实现动平衡。文献公开的转子部件没有专门的动平衡调节装置，因此动平衡调节困难，难以实现精密调节。 

发明内容

为了克服现有的永磁无刷直流电机因定子齿槽结构而带来转矩脉动的不足，避免电机高速运转时因转子部件动不平衡造成振动冲击现象的发生，本实用新型提供一种高速永磁无槽无刷直流电机。该电机转子部件由转子轴、轴承、磁钢、磁轭构成，磁轭的两侧有动平衡调节装置铜环，转子部件进行动平衡校验时，在铜环上去除铜环质量，可以实现精确的动平衡调节。定子铁芯采用无槽的圆环结构，定子绕组采用有槽结构的绕制工艺并置于定子铁芯内部。上述结构的采用可以明显的提高电机在运行性能，降低转矩脉动，达到电机低振低噪、运行平稳的目的。 

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高速永磁无槽无刷直流电机，包括转子轴1、磁钢5、磁轭6、定子绕组10和定子铁芯11，其特点是还包括铜环3、护环4、传感器磁钢座7和传感器磁钢9。所述磁轭6的两端分别设置铜环3， 铜环3的内径与转子轴1过盈配合。磁钢5采用表贴式结构，磁钢5的外是护环4，护环4的内径与磁钢5外径等大，护环4的长度与磁钢5长度相等。磁轭6与转子轴1采用过盈配合，磁轭6端面与转子轴1轴肩贴合。传感器磁钢座7的左端面与右侧铜环3右端面贴合，传感器磁钢9在圆周方向上与磁钢5一致。定子铁芯11采用硅钢片堆叠成圆环状，圆环状内壁是一层绝缘薄膜。定子绕组10外径与定子铁芯11内径贴合。 

所述铜环3的材料为H59-1。 

所述护环4的材料为1Cr18Ni9Ti。 

所述护环4的厚度是0.5-1mm。 

所述定子铁芯11硅钢片的材料是DW310-35。 

所述定子绕组10内径比护环4外径大2mm。 

本实用新型的有益效果是：由于转子部件由转子轴、轴承、磁钢、磁轭构成，磁轭的两侧有动平衡调节装置铜环，转子部件进行动平衡校验时，在铜环上去除铜环质量，实现了精确的动平衡调节。定子铁芯采用无槽的圆环结构，定子线圈采用有槽结构的绕制工艺并置于定子铁芯内部。上述结构的采用明显的提高了电机在运行性能，降低了转矩脉动，达到了电机低振低噪、运行平稳的目的。 

下面结合附图和实施例对本实用新型作详细说明。 

附图说明

图1是背景技术永磁无刷直流电机的剖视图。 

图2是图1中转子部件的剖视放大图。 

图3是本实用新型高速永磁无槽无刷直流电机的轴侧剖视图。 

图4是图3中转子部件的剖视放大图。 

图5是图3中定子绕组线圈的绕制工艺示意图。 

图6是图3中定子铁芯的轴侧放大图。 

图7是图3中定子铁芯与定子绕组组装后的部件放大图。 

图8是背景技术中永磁无刷直流电机的定子铁芯结构放大图。 

图9是背景技术中永磁无刷直流电机定子铁芯结构轴侧放大图。 

图10是背景技术中不同定子铁芯结构气隙磁场的比较曲线。 

图中，1-转子轴，2-前端轴承，3-铜环，4-护环，5-磁钢，6-磁轭，7-传感器磁钢 座，8-后端轴承，9-传感器磁钢，10-定子绕组，11-定子铁芯，12-定子为六槽时气隙磁场变化曲线，13-定子为二十四槽时气隙磁场变化曲线，14-无槽定子气隙磁场变化曲线，15-转子端板。 

具体实施方式

本实施例以下表各项为参数目标进行设计： 

表.1主要参数表 

项目	额定功率(PN)	额定电压(UN)	额定转速(nN)	工作情况
					参数	2000W	115V	18000r/m	长期工作

电磁结构设计部分： 

一、主要尺寸确定： 

1.预取效率，空载转速： 

η′＝0.7 n₀＝22000r/m 

2.计算功率，电机长期工作： 

$P^{\′}=\frac{1+2{\mathrm{\η}}^{\′}}{3{\mathrm{\η}}^{\′}}{P}_N=\frac{1+2\×0.7}{3\×0.7}\×2000=2285.71W$

3.预取线负荷： 

A＝60A/cm＝6000A/m 

4.预取气隙磁感应强度： 

B_δ＝0.6T 

5.由于本实用新型电机采用瓦形铷铁硼磁钢，故预取计算极弧系数为： 

α_i＝0.9 

6.依电机的额定功率和额定转速确定电机转子的外径 

D＝42mm 

取电机长度： 

L＝75mm 

则其长径比： 

$\mathrm{\λ}=\frac{L}{D}=\frac{75}{42}\≈1.79$

7.由于电机转速较高，相应的极对数要少一些。故取极对数： 

2P＝6 

8.计算级距： 

$\mathrm{\τ}=\frac{\mathrm{\πD}}{2P}=\frac{3.14\×1.3}{2\×3}=2.198\mathrm{cm}$

9.确定磁钢尺寸： 

依据转子结构及其长度，结合经验设计采用瓦形磁钢。磁钢内径与转子外径一致为42mm，厚度为5mm，即外径为52mm。 

10.护环尺寸的确定： 

护环内径与磁钢外径一致为52mm，为了在保证其刚度的情况下磁阻又尽可能的小取其厚度为1mm，则护环外径为54mm。护环采用非导磁材料的不锈钢1Cr18Ni9Ti。 

11.磁路计算： 

磁钢可产生的总磁通为： 

ψ＝πDB_rLα_i×10^-4＝5.34114×10^-3Wb 

本电机采用三相六状态的工作模式，故其两相(导通)磁通为： 

ψ₂＝3.56076×10^-3Wb 

12.导体数量计算： 

两相导体总数： 

$N=\frac{60U_N(2\sqrt{\mathrm{\η}}-\mathrm{\η})}{{\mathrm{\ψ}}_2{n}_0}=\frac{60\×115\×(2\sqrt{0.7}-0.7)}{0.00356076\×22000}=85.73\≈86$

则单相约为43根。考虑到用虚拟18槽的线圈结构方式，则每相线圈将占用6个虚拟槽。即每个虚拟槽内含7根导线。 

13.导体尺寸确定： 

取AJ＝900(A/cm)(A/mm²)，由线负荷A＝60A/cm可求出线电流： 

J＝15A/mm²

预估导线截面积： 

$S_c=\frac{P_N}{U_N\mathrm{\ηJ}}=\frac{2000}{115\×0.7\×15\×{10}^6}=1.6{\mathrm{mm}}^2$

计算其直径为：d＝1.42766mm。明显线径较粗，线圈绕制困难。为了克服这种情况的发生，可以采用15根线径为0.45mm的细导线并联而成。 

14.定子铁芯尺寸的确定： 

根据导体线圈的匝数及直径和护环的外径、气隙等综合确定定子铁芯的内径为70mm，外径为90mm。 

参照图3-7。本实用新型一种高速永磁无槽无刷直流电机，包括转子部件、定子铁芯11及定子绕组10。为了保证电机在高转速下平稳的运转，转子部件和定子铁芯11以及定子绕组10进行了一些改进。 

转子部件在磁轭6的两端分别设置铜环3，铜环3的材料为H59-1，铜环3的内径与转子轴1采用过盈配合的方式。采用铜环3的目的是铜的密度相对较大，在对转子轴1进行动平衡校验时采取去除法在铜块3上去除重量，从而使转子1达到一个较好的动平衡状态。另外，铜非铁磁性材料。转子动平衡调校后的铜屑可以用湿抹布擦拭干净。如果采用在磁轭上直接去除重量的方法部分铁屑则会因为稀土材料的强磁性而吸附于磁钢周围。随着电机的运转这些铁屑会对轴承2，8等运动部件造成损伤。对于高速电机，这种现象更为明显。另外，由于磁钢5的安装采用表贴式结构，转子高转速运转时可能会出现磁钢5被甩出的危险。为了避免这种情况的发生，在磁钢5的外围加非导磁的护环4，材料为1Cr18Ni9Ti。护环4的内径与磁钢5外径一致，长度与磁钢5长度相等。考虑到护环4会对磁通产生磁阻，所以其厚度在不影响刚度的情况下尽可能的小，一般取0.5-1mm。 

转子部件包括转子轴1、轴承2，8、铜环3、护环4、磁钢5、磁轭6、传感器磁钢座7、传感器磁钢9。安装时，将磁轭6压入转子轴1，直至磁轭6端面与转子轴1轴肩贴合为止。由于采用过盈配合，压入后转子轴1和磁轭6固为一体。将六块磁钢5均匀的粘贴于磁轭6表面后将护环4套于其外侧。将两个铜环3分别安装于磁轭6的两端，安装过程中要保证铜环3端面与转子轴1中心的垂直度。传感器磁钢座7的左端面在安装时要与右侧铜环3的右端面贴合，传感器磁钢9的安装位置在圆周方向上要与主磁钢5完全一致。最后安放两端轴承2，8。 

定子铁芯11不采用背景技术的齿槽结构，而是用硅钢片堆叠成圆环状。因所设计的电机转速较高，故材料选用DW310-35。为了使电机整体要达到较高的绝缘等级，定子铁芯11内壁要加绝缘薄膜。定子绕组10采用有槽电机绕组的绕制方法，但是绕制之后其外径要与定子铁芯内径贴合。定子绕组10内径依护环4外径和气隙大小决定。一般取气隙为1mm，即定子绕组10内径比护环4外径大2mm。 

Claims (6)

1.一种高速永磁无槽无刷直流电机，包括转子轴(1)、磁钢(5)、磁轭(6)、定子绕组(10)和定子铁芯(11)，其特征在于：还包括铜环(3)、护环(4)、传感器磁钢座(7)和传感器磁钢(9)；所述磁轭(6)的两端分别设置铜环(3)，铜环(3)的内径与转子轴(1)过盈配合；磁钢(5)采用表贴式结构，磁钢(5)的外面是护环(4)，护环(4)的内径与磁钢(5)外径等大，护环(4)的长度与磁钢(5)长度相等；磁轭(6)与转子轴(1)过盈配合，磁轭(6)端面与转子轴(1)轴肩贴合；传感器磁钢座(7)的左端面与右侧铜环(3)右端面贴合，传感器磁钢(9)在圆周方向上与磁钢(5)一致；定子铁芯(11)采用硅钢片堆叠成圆环状，圆环状内壁是一层绝缘薄膜；定子绕组(10)外径与定子铁芯(11)内径贴合。

2.根据权利要求1所述的高速永磁无槽无刷直流电机，其特征在于：所述铜环(3)的材料为H59-1。

3.根据权利要求1所述的高速永磁无槽无刷直流电机，其特征在于：所述护环(4)的材料为1Cr18Ni9Ti。

4.根据权利要求1或3所述的高速永磁无槽无刷直流电机，其特征在于：所述护环(4)的厚度是0.5-1mm。

5.根据权利要求1所述的高速永磁无槽无刷直流电机，其特征在于：所述定子铁芯(11)硅钢片的材料是DW310-35。

6.根据权利要求1所述的高速永磁无槽无刷直流电机，其特征在于：所述定子绕组(10)内径比护环(4)外径大2mm。 

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