CN209200783U - 一种轴向外转子低速大转矩永磁电机 - Google Patents

Abstract

一种轴向外转子低速大转矩永磁电机，属于永磁电机技术领域。本申请为了提供一种转矩输出较大、转矩波动较小的永磁同步电机。本实用新型包括空心机壳，空心机壳内设有与空心壳体同轴布置的外转子，外转子内安装有内定子部分，外转子内壁上安装有若干表贴式永磁体，永磁体沿外转子内侧轴向和周向均匀布置，永磁体上通过气隙凹槽分成第一磁体和第二磁体。本申请改进的电机结构减小电机平稳运行时的转矩波动，使电机在实际运行中更加稳定可靠。

Description

一种轴向外转子低速大转矩永磁电机

技术领域

本申请所描述的一种电机结构，属于永磁电机技术领域。尤其是涉及一种轴向外转子低速大转矩永磁电机。

背景技术

低速大转矩驱动系统一般指转速低于500r/min，传递力矩大于500N·m的驱动系统，在机床、矿山、油田、电力、化工、起重和电梯领域中被广泛的使用，长期以来，人们使用减速机来降低转速、增大转矩、以及增加转矩/惯量比，减速机依靠大小齿轮的减速比来工作，所以它存在着可靠性和驱动系统的效率低、噪声和体积大的缺点，带来润滑油造成的环境污染问题，增加了制造难度和工艺成本；而永磁电机采用永磁体励磁，更容易实现多极，在很宽的负载率范围内存在较好的效率和功率因数特性，相对于异步电机，永磁电机的效率和功率因数相对较高，而异步电机在极数较多时，电机励磁电流所占的比例较大，为实现低速大转矩直驱提供了可能性；但低速大转矩永磁同步电动机设计的关键是保证低速运行的同时输出大的转矩，并且在这个过程中要消除各种谐波引起的转矩脉动，现有技术中的低速大转矩电机通常为了保持大转矩的输出而牺牲了电机的效率，并且转矩波动过大，电机性能得不到保证。

发明内容

本发明的实施例可提供一种永磁电机结构，减小电机平稳运行时的转矩波动，电机平稳运行下的转矩波动大大减小，提高了电机的效率，使电机在实际运行中更加稳定可靠。

本发明的一种轴向外转子低速大转矩永磁电机，包括空心机壳，空心机壳内设有与空心壳体同轴布置的外转子，外转子内安装有内定子部分，所述外转子内壁上安装有若干表贴式永磁体，永磁体沿外转子内侧轴向和周向均匀布置，永磁体上通过气隙凹槽分成第一磁体和第二磁体。

进一步的，所述外转子为空心杯形圆筒式结构，内定子部分同轴安装在外转子内部。

进一步的，所述定子部分包括定子支架和套设在定子支架外部的定子，定子外壁上开有沿定子轴向方向延伸的定子槽。

进一步的，所述定子槽的横截面为梨形平底槽结构。

进一步的，所述定子支架包括固定轴，固定轴周向侧壁上安装有若干均匀周向阵列布置的固定叶片，固定叶片的外侧边缘与定子内壁固定连接。

进一步的，所述空心机壳的两侧包括前端盖和后端盖，后端盖与定子支架固定连接。

进一步的，所述后端盖上开设有通风孔，通风孔围绕端盖的中心均匀周向阵列排布。

进一步的，所述外转子和定子均由硅钢片叠加而成，硅钢片的厚度为0.35mm。

本发明具有如下有益效果，本发明替代传统感应电机外加机械减速装置实现低速大转矩输出的方法，提供了一种轴向外转子卧式低速大转矩永磁同步电机，本发明提供的电机转子永磁体采用分段式表贴结构，目的是减小电机空载气隙磁密和反电势的谐波含量以及齿槽转矩，进而减小电机平稳运行时的转矩波动，电机平稳运行下的转矩波动大大减小，使电机在实际运行中更加稳定可靠；对端盖和内定子的结构进行改进，使电机散热均匀，散热速度提高了3倍以上。

附图说明

图1为本发明实施例的一种轴向外转子低速大转矩永磁电机的局部主剖视图；

图2为外转子的整体结构示意图；

图3为图2中A端面的结构示意图；

图4a为图3中B部分的结构示意图；

图4b为本申请实施例的永磁体具体结构参数示意图；

图5为内定子部分的结构示意图；

图6a为定子槽的截面示意图；

图6b为定子槽填充后结构示意图；

图6c为定子槽的结构尺寸示意图；

图7为定子支架的三维示意图；

图8为电机后端盖的结构示意图；

图9为电机机壳的三维示意图；

图10为本申请电机转矩波形与传统电机转矩波形的对比波形图，图中虚线表示不具有永磁体分段结构的外加减速装置的感应电机转矩波形，直线表示本实施例的电机转矩波形，横坐标代表时间，纵坐标代表转矩。

图中，1、定子，1-1、第一槽体，1-2、第二槽体，1-3、槽口、1-4、槽底，1-5、定子绕组，2、永磁体，2-1、第一磁体，2-2、第二磁体，2-3、气隙凹槽，3、外转子，4、机壳，5、后端盖，5-1、固定螺孔，5-2、通风孔，6、前端盖，7、传动转轴，8、定子支架，8-1、固定叶片，8-2、固定环。

具体实施方式

为了更加清楚的说明本申请的具体技术方案，下面结合附图对本申请进行描述。

如图1所示，本实施例提供一种额定转速60r/min、额定转矩3183N/m的轴向外转子3低速大转矩永磁电机，主要用在起重机以及抽油机等需要低速大转矩输出的场合，由于本实施例的电机体积较大，所以需要采用卧式结构，具体包括空心机壳4，卧式的电机空心机壳4如图9所示，空心机壳4内由外向内依次同轴安装有外转子3、定子1和定子支架8，空心机壳4的两侧分别通过前端盖6和后端盖5建立连接；

本实施例属于调速永磁同步电机的类别，调速永磁同步电机的主要尺寸可以由所需的最大转矩和动态响应性能指标确定，当调速永磁同步电机最大电磁转矩指标为T_emmax(N·m)，则最大转矩与电磁负荷和电机主要尺寸有如下方法确定：

其中：B_δ1—气隙磁密基波幅值(T)；

A—定子电负荷有效值(A/cm)；

L_ef—铁心有效长度；

如图2所示，本实施例的外转子3为空心杯形圆筒式结构，外转子3内壁凹陷形成若干磁极槽，磁极槽内安装有表贴式永磁体2，若干永磁体2沿外转子3内侧轴向和周向均匀布置，本实施例的永磁体2采用径向充磁的方式，采用表贴式结构，均匀分布贴在转子内圆的磁极槽内；

为了减小电机稳定运行时的转矩波动、气隙磁密的谐波分量以及提升空载的波形的正弦度，本实施例的永磁体2结构如图3和图4a所示，永磁体2的中部向下凹陷形成气隙凹槽2-3，气隙凹槽2-3将永磁体 2分成第一磁体2-1和第二磁体2-2，第一磁体2-1和第二磁体2-2的结构、形状、大小完全相等，因为永磁体2易碎，再加上电机运转时会有较高的温升，实际的转配工艺磁极若分成多块，永磁体2分段过多会使得永磁体2产生退磁，本实施例通过参数化仿真以1mm-2mm为区间0.2mm为变量进行仿真得出1mm处转矩波动最小，因此第一永磁体2和第二永磁体2之间的距离L4为1mm，相邻两大块的永磁体2之间的距离＝1/40(转子内圆的周长-40*每大块永磁体2的宽度)，转子上的磁极槽数和永磁体2个数相同；

永磁体的尺寸选择连同电动机的转子磁路，便决定了电机的磁负荷，而磁负荷决定着电机的功率密度和损耗，对于表贴式转子磁路结构的调速永磁同步电机，其永磁体尺寸可由如下方法确定：

b_M＝α_pτ₂(永磁体宽度)；δ_i—电机的计算气息长度；B_r/B_δ一般取1.1—1.35之间；τ₂电机转子极矩；本实施例与现有技术中的拼接结构的永磁体式的分段结构不同，本实施例将一块永磁体中间开了一个气隙凹槽，气隙凹槽的延伸方向与转子的中轴线共线，并且永磁体外侧边缘和内侧边缘为偏心的结构，削减对齿槽转矩产生作用的气隙磁密傅里叶分解系数，从而削弱齿槽转矩，具体如图4b所示，永磁体2外侧的宽度为L1为35.26mm，永磁体2内侧宽度为L2为33.66mm，永磁体的气隙宽度L4为1mm，气隙的深度为 3mm，永磁体的外侧边缘和内侧边缘为圆弧形结构，其外侧边缘所在圆弧的圆心为O1，其内侧边缘所在圆弧的圆心为O2，两圆心之间的距离L3为0.5mm，与传统的不等厚永磁体结构不同，本实施例的永磁体的两圆心之间的存在的偏心角度α为3.5°，这样可以削减电机平稳运行时的转矩波动以及空载反电势的波形使其正弦度更高，也可以使得永磁电机的齿槽转矩幅值减小，齿槽转矩减小可以减少电机的振动效应同时也可以减缓电机的转矩波动，同时电机的启动过程也更加的平稳，考虑到磁极的加工和通用性，本实施例永磁体形状是瓦片形，材料是钕铁硼NDF30的材料。

如图6a、6b、6c 所示，本实施例的定子部分包括定子支架8和套设在定子支架8外部的定子1，定子1外壁上开有沿定子1轴向方向延伸的定子槽，为了减少漏磁使磁力线走最简捷的路径，提升硅钢片的材料利用率，本实施例的定子槽的横截面为梨形平底槽结构，如图5所示，本实施例的定子槽的槽口1-3至槽底1-4之由连通的第一槽体1-1和第二槽体1-2构成，第一槽体1-1宽度自槽口1-3至第二槽口1-3的处依次增大，第二槽体1-2的宽度自上端开口自槽底1-4处依次减小，槽口1-3的宽度小于槽底1-4的宽度，定子1绕组1-5填装在第二槽体1-2内，第一槽体1-1内磁极槽楔1-6，如图6b所示；

本实施例的电机采用内定子结构为使电机磁力线走向路径简洁，同时也考虑提升定子槽的利用率、槽满率达到73％，因此定子1采用梨形平底槽，现有技术中的定子槽通常采用梨形槽、梯形槽等，通常根据电机应用场合不同，其形状选择也不尽相同，在电机工作过程中，齿槽转矩跟定子的形状有着密切的关系，本实施例的定子槽的槽形参数如图6c所示，本实施例中的定子槽的槽口1-3宽度D1、第一槽体1-1底宽 D2、槽底1-4宽D3、槽口1-3高度为H1和第二槽体1-2的高度为H2如图6c所示，本实施例的定子槽具体参数为：D1：D2＝1:6，D2：D3＝5:3，第一槽体1-1的高度与第二槽体1-2高度比在10-12之间，本实施例的D1为位2.5mm，D2为15mm，D3为9mm，H1为2mm，H2为46.1mm，可见本实施例的定子槽与传统的定子槽相比，其第二槽体的高度与第一槽体的高度比较大，在电机允许的情况下增大了电机槽面积，也使槽内放置的绕组匝数与导线的线径，有利于减小同好，提高电机的效率；并且槽口的开口较小，这种结构应用到本实施例的大转矩的永磁同步电机中不仅利于嵌入绕组，而且有利于削弱齿槽转矩，减小电机的转矩波动，提高电机的效率。

如图7所示，所述定子支架8包括固定轴和固定环8-2，固定轴周向侧壁上安装有八片均匀周向阵列布置的固定叶片8-1，固定叶片8-1呈矩形，固定叶片8-1的一短边侧与固定环8-2嵌插连接，所述定子 1内壁上开有若干槽道，槽道的位置和大小与固定叶片8-1匹配对应，固定叶片8-1的长边侧边缘与嵌插在定子1内壁的槽道内，使定子支架8与定子1固定连接，当定子1支通过槽道建立连接形成一个稳定的整体，不仅起到固定定子1的作用，还可以使电机整体结构稳固，提高了电机的机械强度；

进一步的，本申请中的定子绕组采用48槽40极的分数槽集中绕组结构，可以削弱磁极磁场非正弦分布所产生的高次谐波电势，有效地削弱齿谐波电势的幅值，改善电动势的波形；减小了因气隙磁导变化引起的每极磁通的脉振幅值，减少了磁极表面的脉振损耗；并且采用分数槽集中绕组结构可以使电机定子绕组端部缩短节省电机的空间，减少导线用量，绕组线圈的电阻降低，铜耗减少，电机的效率增高，电机效率达到92.66％。

为了减少旋转磁场在铁芯中所产生的涡流和磁滞损耗，本实施例的外转子3和定子1均由硅钢片叠加而成，硅钢片的厚度为0.35mm，使硅钢片损耗涡流损耗会很低。

气隙指的是静止的磁极和旋转的电枢之间的间隙，即，δ_i＝D_i2-D₁，D_i2外转子的内径(包括永磁体的厚度)D₁内定子的外径；气隙通过气隙的大小，决定磁通量的大小，如果气隙较大的话，漏磁就多，那么电机的效率就会降低，如果气隙太小，就容易扫定子膛。因此，需要将气隙控制到一个合理的数值，才能达到最佳效果，本实施例的气隙为2mm，使电机在高效的前提下能够稳定运行。

本发明的组装过程如下：将定子支架8沿着槽道伸入定子1内组装形成内定子部分，内定子部分伸入外转子3内，外转子3的两侧设有转轴轴承，定子支架8的传动转轴7的两端分别通过转轴轴承与外转子 3建立连接，使内定子部分外侧边缘与外转子3的永磁体2之间留有气隙；将组装好的定子部分和外转子 3安装在机壳4内，前后两侧分别通过前端盖6和后端盖5扣合，并且定子支架8的传动转轴7前后两端分别伸出前端盖6和后端盖5。

普通的外转子3电机使用法兰盘固定电机定子1，不能有效的满足电机的冷却要求，所以，本实施例的后端盖5通过穿过固定螺孔5-1的螺钉与定子支架8固定连接，并且，后端盖5上开设有通风孔5-2，通风孔5-2围绕端盖的中心均匀周向阵列排布，通风孔5-2与八片固定叶片8-1的缝隙之间构成散热通道，在电机运行过程中通过风冷方式对电机降温，散热效果均匀，散热速度提高了三倍以上。

现有技术中的低速大转矩的永磁同步电机速度通常要大于60r/min，额定转矩通常远远小于本实施例的3183N/m这一额定转矩数值，因此要达到本实施例的这一参数要求，就不得不使用减速齿轮配合感应电机这一传动系统来实现，将本实施例的电机与现有技术中的不具有永磁体2分段结构的外加减速装置的感应电机组合而成的传动系统进行比较，其转矩波动效果如图10所示，可见，本实施例的电机的转矩波动减小了约50％。

本实施例的永磁电机与一台15kw的内转子低速大转矩电机进行对比，该电机功率15kw，转速50r/min，转矩2877.87N/m，效率88.2％，与该电机相比较本实施例的电机转距(3183N/m)更大并且电机的效率 (92.66％)也更高，电机的总体性能要优于该电机。

本发明的实施例的上述描述是为了示例和说明的目的而给出的。它们并不是穷举性，也不意于将本发明限制于这些精确描述的内容，在上述教导的指引下，还可以有许多改动和变化。这些实施例被选中和描述仅是为了最好解释本发明的原理以及它们的实际应用，从而使得本领域技术人员能够更好地在各种实施例中并且使用适合于预期的特定使用的各种改动来应用本发明。因此，应当理解的是，本发明意欲覆盖在下面权利要求范围内的所有改动和等同。

Claims (8)

1.一种轴向外转子低速大转矩永磁电机，包括空心机壳，空心机壳内设有与空心壳体同轴布置的外转子，外转子内安装有内定子部分，其特征在于：所述外转子内壁上安装有若干表贴式永磁体，永磁体沿外转子内侧轴向和周向均匀布置，永磁体上通过气隙凹槽分成第一磁体和第二磁体。

2.根据权利要求1所述一种轴向外转子低速大转矩永磁电机，其特征在于：所述外转子为空心杯形圆筒式结构，内定子部分同轴安装在外转子内部。

3.根据权利要求1所述一种轴向外转子低速大转矩永磁电机，其特征在于：所述定子部分包括定子支架和套设在定子支架外部的定子，定子外壁上开有沿定子轴向方向延伸的定子槽。

4.根据权利要求3所述一种轴向外转子低速大转矩永磁电机，其特征在于：所述定子槽的横截面为梨形平底槽结构。

5.根据权利要求3所述一种轴向外转子低速大转矩永磁电机，其特征在于：所述定子支架包括固定轴，固定轴周向侧壁上安装有若干均匀周向阵列布置的固定叶片，固定叶片的外侧边缘与定子内壁固定连接。

6.根据权利要求3所述一种轴向外转子低速大转矩永磁电机，其特征在于：所述空心机壳的两侧包括前端盖和后端盖，后端盖与定子支架固定连接。

7.根据权利要求3所述一种轴向外转子低速大转矩永磁电机，其特征在于：所述后端盖上开设有通风孔，通风孔围绕端盖的中心均匀周向阵列排布。

8.根据权利要求2所述一种轴向外转子低速大转矩永磁电机，其特征在于：所述外转子和定子均由硅钢片叠加而成，硅钢片的厚度为0.35mm。