CN202679204U - 一种新型大功率永磁无刷电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种新型大功率永磁无刷电机，其包括机座、定子、转子、轴承和位置传感器装置，机座两端分别设有前、后端盖；定子、转子、轴承和位置传感器装置分别设于机座内，所述转子还包括转子磁钢、转子铁心和转轴，转子铁心套设在转轴外，转子磁钢套设在转子铁心外；所述转子磁钢由若干块不同极性的磁钢组成，每一磁极的磁钢为分块式结构，其在圆周方向上由两块以上的小磁钢组成。本实用新型克服了面极式磁钢内转子在高速运转时转子磁钢容易发热及碎裂、使用钕铁硼磁钢容易退磁、位置传感器装置信号的引出连接繁琐、轴承容易损坏和弧面磁钢加工浪费大等不足，使大功率永磁无刷直流电机的制造成本降低，可靠性提高、寿命增长。

Description

一种新型大功率永磁无刷电机

技术领域

本实用新型涉及电机领域，尤其涉及新型大功率永磁无刷电机。 

背景技术

永磁无刷直流电机以其优越的调速性能和较高的能量转换效率已广泛应用在电子信息、自动化领域和国防装备中。但限于永磁材料的价格、性能以及电机设计和工艺技术方面的因素，目前一般只生产一些小功率的永磁无刷直流电机。 

永磁无刷直流电机主要由永磁无刷直流电机本体、位置传感器装置和电子驱动器三部分组成。电机本体由定子和转子构成，结构与交流永磁同步电机相似，其与交流永磁同步电机的主要区别是转子省去了永磁同步电机异步启动的鼠笼绕组。 

永磁无刷直流电机的位置传感器装置一般安装在电机本体上，用于检测转子磁极相对定子的位置，供电子驱动器对定子绕组电流正确换向，使电机产生持续的转矩。通常，位置传感器装置都是用一组连线与电子驱动器相连接的。人们为了减少连线，提出了多种无位置传感器装置解决方案，最有影响力的是反电势检测法。但目前无位置传感器装置的检测不是非常准确，特别是负载变化较大的场合，检测的正确率较低。所以无位置传感器装置主要适合用在负载变化不大且已预知的场合。 

电子驱动器实质上就是一个电子换流器，通过对定子、转子相对位置的判定和外部控制信号的作用，控制电机绕组的电流方向和大小，使电机运转。 

当前制约永磁无刷直流电机大型化的主要障碍有：1、高速运转时转子上的磁钢受磁钢抗拉强度和紧固强度的限制容易碎裂、散架； 2、磁钢受温度的作用容易退磁；3、位置传感器装置信号的引出连接繁琐，可靠性较低；4、轴承受感应电的电化学腐蚀作用寿命较短。 

用于制作转子磁钢的稀土磁钢材料多为脆性，抗压强度高，抗拉强度较低，若高速运转必定使转子上的磁钢承受很大的离心力，从而导致磁钢破碎、脱落。针对此问题，目前常用的解决办法是用高强度的非磁或低磁性材料加固磁钢，一般有不锈钢或钛合金箍套、玻璃纤维、碳纤维和芳纶缠绕法。 

不锈钢或钛合金箍套比较适合转子整体充磁，通过热套使箍套紧裹在磁钢外。但对预先充磁的钕铁硼，此法不甚理想，因为钕铁硼的居里点较低，热套时很容易造成磁钢退磁。若冷套则不能保证箍紧质量。整体金属套在电机运行时会产生较大的涡流，降低电机效率、提高磁钢温度。 

使用不导电的高模量、高强度纤维缠绕法加固，已发现效果并不如预期的理想。主要原因是高模量高强度纤维材料的抗压强度一般都远低于其抗拉强度，因电机转子磁钢的表面并不十分的光滑，特别是磁钢的边缘有时还很锋利。当电机高速运转时，缠绕在磁钢外的高模量高强度纤维不仅要受到张力，个别部位还要承受剪应力，故实践中常常开裂。除此之外在用这些高强度纤维缠绕时，纤维端部的处理也比较复杂，费时费力。 

为了提高电机功率密度，充分发挥强磁材料的性能，大功率永磁无刷直流电机多做成表面磁极的形式，过去人们设计磁钢时除了考虑磁场性能外主要为了工艺上的方便，都是用较大尺寸的磁钢。除非在每极弧长较大时，整块的磁钢不仅难以制造，而且装配非常困难，为此不得不把同一磁极的磁钢分成若干块弧面磁钢。同一磁极的磁钢分块的主要原则是每块磁钢与转子铁心的吸力不大于操作工的手力，这些磁钢的弧长和轴向长度通常在40～100mm。这种设计存在很大问题，即未充分考虑磁钢内涡流的影响。烧结稀土磁钢电阻率很低，磁钢在电机运行过程中会因磁场的变化产生涡流发热，只是由于电机通常多为封闭结构，不易观测到。特别是当磁钢体积较大时，大块的磁钢涡流发热更加严重。所以大功率永磁无刷直流电机常常出现正常运行一段时间后性能便开始下降的现象，其祸首就是磁钢因过热而导致退磁。 

弧面磁钢的加工成本较高，受磁钢生产工艺的制约，生产磁钢的胚料多为立方体，弧面一般都是采用成本较高的电加工，且弧度越大材料的利用率就越低。另外现在已知的大功率永磁无刷直流电机磁钢多是带有定位沉孔的弧面磁钢。沉孔的加工不仅要增加加工费，还会降低总的磁通量。 

永磁无刷直流电机的电子换向依赖于对转子位置的判定。位置传感器装置的引线一般包括两根电源线和多根信号线，线数较多，容易搞错，使得电机的现场调试比较费时，常常不能及时运行。但是有位置传感器装置的无刷电机无论如何都要比无位置传感器装置的无刷电机运行可靠，无论负载如何变化、无论转速高低，电机都能给出方向始终正确的转矩。简单的位置传感器装置只能提供转子位置信号，若要得到精确的转速信号和转子的温度信号还要使用更多的信号线。 

永磁无刷电机的轴承较普通工频异步电机的轴承更容易损坏。究其原因一是电子驱动器输出的PWM电压导致电机内部的磁场不对称，会在电机轴与端盖之间上感应出电压，此电压会完全施加在轴承的内外圈上；二是永磁电机在装配时容易使轴承磁化，高速转动时导致轴承的内外圈之间产生的电压。当轴承的内外圈之间产生的电压数值超过轴承中的润滑油的绝缘强度时，就会击穿油膜形成一个电流通路，从而造成滚珠和滚道的电化学腐蚀，致使轴承寿命迅速缩短。 

综上所述,制约永磁无刷直流电机大型化的主要障碍有：1、电机高速运转时，转子强度受磁钢和连接强度的限制容易出现磁钢破碎和脱落（外转子除外）； 2、大块的磁钢受温度和退磁场的双重作用容易退磁；3、位置传感器装置信号的引出线数量多，连接繁琐；4、轴承寿命较短。 

由于存在上述问题，目前大功率永磁无刷电机在制造、推广时遇到了很大的障碍。 

发明内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种制造成本降低，可靠性提高、寿命增长的大功率永磁无刷直流电机。 

本实用新型的技术方案为：一种新型大功率永磁无刷电机，其包括机座、定子、转子、轴承和位置传感器装置，机座两端分别设有前、后端盖；定子、转子、轴承和位置传感器装置分别设于机座内，转子前后两端分别设有前端板和后端板，所述转子还包括转子磁钢、转子铁心和转轴，转子铁心套设在转轴外，转子磁钢套设在转子铁心外；所述转子磁钢由若干块不同极性的磁钢组成，每一磁极的磁钢为分块式结构，其在圆周方向上由两块以上的小磁钢组成。 

所述每块小磁钢的极面长度或宽度都在40mm以下，其与转子铁心结合的底面为平面或弧面。 

所述每块小磁钢与转子铁心结合的底面上设有一个以上的凹槽或凸起，所述转子铁心为多棱柱形，每个棱柱面的宽度与每块小磁钢的底面长度对应，每个棱柱面上设有与每块小磁钢底面上的凸起或凹槽相配合固定的凹槽或凸起。 

所述转子磁钢外圆周表面上缠绕有沿圆周方向的高强度金属丝。 

所述金属丝表面设有绝缘层，金属丝的截面为矩形或圆形。 

所述转子前端板及转子后端板上分别设有一个以上固定金属丝端头的V形槽。 

所述转子的前端板、后端板为无磁或弱磁性的金属。 

所述轴承为陶瓷球轴承、陶瓷滚柱轴承、陶瓷圈轴承或抗电腐蚀的非金属轴瓦。 

所述位置传感器装置的输出端连接电子驱动器的输入端，电子驱动器的输出端连接定子，所述位置传感器装置与电子驱动器间采用数字串行通信或频分多路调制载波通信。 

所述位置传感器装置与其供电电源、电子驱动器的电气连接导线在三根以下。 

所述位置传感器装置包括单片机、载波调制器和一个以上传感器，当位置传感器装置使用串行通信技术时，各传感器接收各传感信号，单片机将接收的信号转换成高速串行信号后发送给载波调制器，载波调制器将接收的高速串行信号调制成高频信号加载到电源线上,或另外使用一根单独的信号线，发送给电子驱动器，电子驱动器将接收的高频载波信号还原为各控制量，控制定子绕组的电流方向和大小。串行通信的优点在于容易传输较大量的信息，特别是除了位置还可以精确传递温度等信息。 

所述位置传感器装置还可以包括一个以上载波调制器和一个以上传感器，采用频分多路调制技术将多个不同的传感器信号通过对应的载波调制器加载到一根信号线或直接加载到电源线上，使得位置传感器装置无论传递的信息有多少，电气连接导线都在三根以下。 

本实用新型的大功率永磁无刷电机与现有技术相比有以下显著优点： 

1、电机运转过程中，由于将同一磁极的磁钢分成长度和宽度较小的多块小磁钢，能减少磁钢的涡流发热，磁钢的温升明显降低，在正常使用中磁钢不会退磁，电机的功率损耗和温升都将降低。

2、由于每块小磁钢的极面为平面或弧度很小的弧面，所述转子磁钢可用切片机和磨床加工，加工效率明显高于电加工，材料损耗也大大减少。 

3、转子磁钢和转子铁心上设置对应配合的凹槽或凸起，可以避免粘错，并大大提高装配效率，同时使转子磁钢与转子铁心连接牢固。 

4、高强度金属丝缠绕加固转子可以保证转子有较高的整体强度，工艺性更好比金属套筒加固和高模高强纤维缠绕的效果更好，金属丝因表面绝缘其涡流比较小可以忽略。同时，金属丝可选择热膨胀系数与转子磁钢膨胀系数接近的材料，可以减小因温度升高，转子磁钢被迫承受的额外应力。 

5、转子前端板、转子后端板的V字形槽保证了金属丝缠绕工艺简单、快速、可靠。 

6、安装在电机上的位置传感器装置采用三根以下的导线与电子驱动器相连，位置传感器装置提供dc（直流）电源，位置传感器装置通过载波以高速数字串行通信方式或频分多路调制方式将测得的位置信号以及转子各部位的温度等信息传送给无刷电机的控制电路；最大程度地减少位置传感器装置引出导线的数量、增加位置传感器装置的信息量，提高传输的可靠性。 

7、陶瓷球轴承、陶瓷滚柱轴承、陶瓷圈轴承或抗电腐蚀的非金属轴瓦彻底免除了轴承的电腐蚀、使电机的使用寿命显著提高。 

总之，本实用新型的大功率永磁无刷电机克服了面极式磁钢内转子在高速运转时转子磁钢容易发热及碎裂、使用钕铁硼磁钢容易退磁、位置传感器装置信号的引出连接繁琐、轴承容易损坏和弧面磁钢加工浪费大等不足，使大功率永磁无刷直流电机的制造成本降低，可靠性提高、寿命增长。 

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明： 

图1为本实用新型大功率永磁无刷电机的结构示意图；

图2为本实用新型转子的结构示意图；

图3为第一种转子磁钢的结构示意图；

图4为第二种转子磁钢的结构示意图；

图5为转子磁钢与转子铁心配合的结构示意图；

图6为位置传感器装置采用数字串行通信的结构示意图；

图7为位置传感器装置采用频分多路调制载波通信的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。 

如图1-7之一所示，本实用新型一种新型大功率永磁无刷电机，其包括机座1、定子2、转子3、轴承4和位置传感器装置5，机座1两端分别设有前、后端盖6；定子2、转子3、轴承4和位置传感器装置5分别设于机座1内，转子3前后两端分别设有前端板7和后端板8，所述转子3还包括转子磁钢31、转子铁心32和转轴33，转子铁心32套设在转轴33外，转子磁钢31套设在转子铁心32外；所述转子磁钢31由若干块不同极性的磁钢组成，每一磁极的磁钢为分块式结构，其在圆周方向上由两块以上的小磁钢34组成。 

本实用新型中，所述每块小磁钢34的极面长度或宽度都在40mm以下。由于每块小磁钢34的极面长度或宽度在40mm以下，这样转子磁钢31在电机运转过程中，因磁场的变化产生涡流发热量小，转子磁钢31的温升明显降低，在正常使用中转子磁钢31不会退磁，也不会发生碎裂现象；电机的功率损耗和温升都将降低。 

如图3所示，第一种小磁钢34的结构为：所述小磁钢34的极面35为弧面，小磁钢34与转子铁心32结合的底面36也为弧面。 

如图4所示，第二种小磁钢34的结构为：所述小磁钢34的极面35为平面，小磁钢34与转子铁心32结合的底面36也为平面,便于同一磁极的小磁钢34进行安装。由于将同一磁极的磁钢采用分块式结构，由两块以上的小磁钢34组成，且每块小磁钢34的极面35、与转子铁心32结合的底面36均为平面，这样平面的小磁钢34可用切片机和磨床加工，加工效率明显高于电加工，材料损耗也大大减少。 

如图5所示，所述每块小磁钢34与转子铁心32结合的底面35上设有一个以上的凹槽或凸起37，所述转子铁心32为多棱柱形，每个棱柱面38的宽度与每块小磁钢34的底面35长度对应，每个棱柱面38上设有与每块小磁钢底面35上的凸起或凹槽37相配合固定的凹槽或凸起39。这样可以使转子磁钢31与转子铁心32固定牢固，也便于快速进行安装。 

所述转子铁心32为叠压的硅钢板冲片或实心良导磁材料，用导磁率较高的钢加工而成，以减少转子铁心32的涡流损耗。 

如图2所示，所述转子磁钢31外圆周表面上缠绕有沿圆周方向的高强度金属丝9。高强度金属丝9缠绕加固转子3可以保证转子3有较高的整体强度，工艺性更好比金属套筒加固和高模高强纤维缠绕的效果更好，且涡流比较小可以忽略。同时，金属丝9可选择热膨胀系数与转子磁钢31膨胀系数接近的材料，可以减小因温度升高，转子磁钢31被迫承受的额外应力。金属丝9可选用钛丝或奥氏体不锈钢丝等。 

所述金属丝表面设有绝缘层，金属丝的截面为矩形或圆形，优选为矩形。 

如图2所示，所述转子前端板7及转子后端板8上分别设有一个以上固定金属丝9端头的V形槽10。 

所述V形槽10的深度和宽度大于金属丝9的直径。 

所述转子3的前端板7、后端板8为无磁或弱磁性的金属。 

所述轴承4为陶瓷球轴承、陶瓷滚柱轴承、陶瓷圈轴承或抗电腐蚀的非金属轴瓦，避免轴承4的电腐蚀，提高电机轴承的使用寿命。 

如图6所示，所述位置传感器装置5的输出端连接电子驱动器11的输入端，电子驱动器11的输出端连接定子2，所述位置传感器装置5与电子驱动器11间采用数字串行通信或频分多路调制载波通信。 

所述位置传感器装置5与其供电电源、电子驱动器11的电气连接导线在三根以下。 

如图6所示，所述位置传感器装置5包括单片机51、载波调制器52和一个以上传感器53，当位置传感器装置5使用串行通信技术时，各传感器53接收各传感信号，单片机51将接收的信号转换成高速串行信号后发送给载波调制器52，载波调制器52将接收的高速串行信号调制成高频信号加载到电源线上,或另外使用一根单独的信号线，发送给电子驱动器11，电子驱动器11将接收的高频载波信号还原为各控制量，控制定子绕组的电流方向和大小。串行通信的优点在于容易传输较大量的信息，特别是除了位置还可以精确传递温度等信息。 

如图7所示，所述位置传感器装置5还可以包括一个以上的载波调制器52和一个以上传感器53，采用频分多路调制技术将多个不同的传感器信号通过对应的载波调制器52加载到一根信号线或直接加载到电源线上，使得位置传感器装置5无论传递的信息有多少，电气连接导线都在三根以下。 

Claims (10)

1.一种新型大功率永磁无刷电机，其包括机座、定子、转子、轴承和位置传感器装置，机座两端分别设有前、后端盖；定子、转子、轴承和位置传感器装置分别设于机座内，转子前后两端分别设有前端板和后端板，所述转子还包括转子磁钢、转子铁心和转轴，转子铁心套设在转轴外，转子磁钢套设在转子铁心外；其特征在于：所述转子磁钢由若干块不同极性的磁钢组成，每一磁极的磁钢为分块式结构，其在圆周方向上由两块以上的小磁钢组成。

2.根据权利要求1所述的新型大功率永磁无刷电机，其特征在于：所述每块小磁钢的极面长度或宽度都在40mm以下，其与转子铁心结合的底面为平面或弧面。

3.根据权利要求2所述的新型大功率永磁无刷电机，其特征在于：所述每块小磁钢与转子铁心结合的底面上设有一个以上的凹槽或凸起，所述转子铁心为多棱柱形，每个棱柱面的宽度与每块小磁钢的底面长度对应，每个棱柱面上设有与每块小磁钢底面上的凸起或凹槽相配合固定的凹槽或凸起。

4.根据权利要求1所述的新型大功率永磁无刷电机，其特征在于：所述转子磁钢外圆周表面上缠绕有沿圆周方向的高强度金属丝。

5.根据权利要求4所述的新型大功率永磁无刷电机，其特征在于：所述金属丝表面设有绝缘层，金属丝的截面为矩形或圆形。

6.根据权利要求5所述的新型大功率永磁无刷电机，其特征在于：所述转子前端板及转子后端板上分别设有一个以上固定金属丝端头的V形槽。

7.根据权利要求6所述的新型大功率永磁无刷电机，其特征在于：所述转子的前端板、后端板为无磁或弱磁性的金属。

8.根据权利要求1所述的新型大功率永磁无刷电机，其特征在于：所述轴承为陶瓷球轴承、陶瓷滚柱轴承、陶瓷圈轴承或抗电腐蚀的非金属轴瓦。

9.根据权利要求1所述的新型大功率永磁无刷电机，其特征在于：所述位置传感器装置的输出端连接电子驱动器的输入端，电子驱动器的输出端连接定子，所述位置传感器装置与电子驱动器间采用数字串行通信或频分多路调制载波通信。

10.根据权利要求9所述的新型大功率永磁无刷电机，其特征在于：所述位置传感器装置与其供电电源、电子驱动器的电气连接导线在三根以下。

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