CN210985768U - 一种拥有外聚磁特性的高性能永磁无刷电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种拥有外聚磁特性的高性能永磁无刷电机，包括定子组件、电枢组件和转子组件，定子组件包括底座及主轴承，电枢组件包括电枢骨架和环形绕组，转子组件包括转轴、外壳和环形永磁体，环形永磁体包括多个瓦片磁铁A和多个瓦片磁铁B；对于任意相邻的两个瓦片磁铁A而言，其中一个瓦片磁铁A充磁方向为内弧面指向外弧面，另一个瓦片磁铁A充磁方向为外弧面指向内弧面；每个瓦片磁铁B的充磁方向均为连接面C指向连接面D，连接面C与充磁方向为外弧面指向内弧面的瓦片磁铁A连接，连接面D与充磁方向为内弧面指向外弧面的瓦片磁铁A连接。本实用新型能够提供较大的气隙磁密，使无刷电机拥有极高的输出效率和功率密度。

Description

一种拥有外聚磁特性的高性能永磁无刷电机

技术领域

本实用新型属于永磁领域，更具体地，涉及一种永磁无刷电机。

背景技术

随着电力电子技术的发展，以电子换向为依托的无刷电机广泛用于社会生活的各个方面，尤其是环形永磁体作为磁源的永磁无刷电机以其高输出效率、长寿命、结构形式多样等优点受到工程应用领域的工程师们的青睐。随着智能制造、5G应用等新技术的不断推进，各个领域对永磁无刷电机的效率、体积、寿命、噪声等性能需求提出来更高的要求，因此，新型的电机设计迫在眉睫。

具体而言，在传统的微特电机(行业内指额定功率在750W以内或直径小于160mm)领域，通常输出效率能够达到80％的无刷电机就可以认定为设计良好，能够达到85％～90％输出效率的无刷电机比例较少，而且通常电机直径在比较大的情况才能达到。与此同时，对于直径小于42mm甚至更小的无刷电机，要想获得90％以上的输出效率似乎成为了一个难以逾越的技术障碍。

为了让电机效率提高，除了使用高性能稀土永磁材料外，通常设计出具有聚磁效应的永磁电机，以减少漏磁现象来达到提高电机输出效率的目的。目前，在提高无刷电机的聚磁效果方面，大多通过在磁路中设置所需形状的导磁磁轭，将磁力线导引进入预期的“路径”内，这种导磁磁轭结构不仅结构复杂还对设计人员的理论水平提出更高的要求，不利于广泛推广使用，而且这种导磁磁轭也占用了一定的空间，不利于小型化。

实用新型内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种拥有外聚磁特性的高性能永磁无刷电机，其结构简单，无需导磁磁轭，在外形尺寸较小的情况依然具有较高输出效率。

为实现上述目的，按照本实用新型，提供了一种拥有外聚磁特性的高性能永磁无刷电机，其特征在于，包括定子组件、电枢组件和转子组件，所述定子组件包括底座及设置在该底座上的主轴承，所述电枢组件包括电枢骨架和环形绕组，所述电枢骨架固定安装在该底座上，所述环形绕组安装在该电枢骨架上，所述转子组件包括转轴、外壳和环形永磁体，所述转轴通过该主轴承安装在该底座上，所述外壳的下端固定安装在该转轴的上端并且两者同轴设置，所述环形永磁体固定套装在该外壳的内壁上并且与该转轴同轴设置，该环形绕组围住该外壳并且该环形绕组外露于大气中，该电枢骨架安装在该底座的上端并且位于该外壳的下方，该环形绕组的上端和下端分别超出该环形永磁体的上端和下端，其中：

所述环形永磁体包括多个瓦片磁铁A和多个瓦片磁铁B，它们交替布置并固定连接在一起，从而形成具有内柱面和外柱面的所述环形永磁体，每个瓦片磁铁A和每个瓦片磁铁B均采用平行磁场充磁而成，并且每个瓦片磁铁B的弧度均小于每个瓦片磁铁A的弧度；

对于任意相邻的两个瓦片磁铁A而言，其中一个瓦片磁铁A充磁方向为内弧面指向外弧面，而另一个瓦片磁铁A充磁方向为外弧面指向内弧面；

对于每个所述瓦片磁铁B而言，其具有连接面C和连接面D，其充磁方向为连接面C指向连接面D，并且所述连接面C与充磁方向为外弧面指向内弧面的瓦片磁铁A连接，所述连接面D与充磁方向为内弧面指向外弧面的瓦片磁铁A连接。

优选地，对于每个瓦片磁铁A而言，其内弧面和外弧面在垂直于该环形永磁体的平面上的投影分别为圆弧E和圆弧F，瓦片磁铁A进行充磁的平行磁场的方向平行于圆弧E和圆弧F的中点的连线。

优选地，对于每个所述瓦片磁铁B而言，其连接面C和连接面D在垂直于该环形永磁体的平面上的投影分别为线段G和线段H，瓦片磁铁B进行充磁的平行磁场的方向平行于线段G和线段H的中点的连线。

优选地，所述定子组件还包括预紧弹簧，所述预紧弹簧的一端压在所述主轴承上而另一端压在所述底座内部的台阶上。

优选地，所述转轴具有环形槽，所述转子组件还包括设置在所述环形槽上的轴挡圈，所述主轴承位于所述预紧弹簧和所述轴挡圈之间并且所述轴挡圈与所述主轴承接触。

优选地，每个瓦片磁铁B的弧度分别为每个瓦片磁铁A的弧度的40％～60％。

优选地，所述外壳采用铝合金或塑胶制成。

优选地，所述环形永磁体通过粘结剂粘贴在所述外壳的内壁上，所述电枢骨架通过粘结剂粘贴在所述底座上。

优选地，所述底座上还设置有辅助轴承，所述转轴穿过所述辅助轴承。

优选地，所述环形绕组的一端的内壁固定套接在所述电枢骨架上。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1)本实用新型提供的拥有外聚磁特性的高性能永磁无刷电机，不存在铁芯损耗，在取消了导磁磁轭的前提下，依然能够提供较大的气隙磁密，使电机拥有极高的输出效率和功率密度。

2)本实用新型提供的拥有外聚磁特性的高性能永磁无刷电机，电机结构简单且电机内部闲置空间较多，能够与不同应用场景下的产品深度融合，可以达到使终端产品结构紧凑的目的，适合小尺寸结构产品的需要(但不限于小尺寸结构)。

附图说明

图1是本实用新型的剖视示意图；

图2是本实用新型的其中一个瓦片磁铁A在平行磁场中进行充磁的示意图；

图3是本实用新型的其中一个瓦片磁铁B在平行磁场中进行充磁的示意图；

图4是本实用新型中环形永磁铁的瓦片磁铁的排列及各自充磁方向的示意图；

图5是本实用新型中环形永磁体的磁力线分布示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1～图5所示，一种拥有外聚磁特性的高性能永磁无刷电机，包括定子组件1、电枢组件2和转子组件3，所述定子组件1包括底座11及设置在该底座11上的主轴承12，所述电枢组件2包括电枢骨架21和环形绕组22，所述电枢骨架21固定安装在该底座11上，所述环形绕组22安装在该电枢骨架21上，环形绕组22上连接有导线23，可以与外部的电源连接，所述转子组件3包括转轴31、外壳32和环形永磁体33，所述转轴31通过该主轴承12安装在该底座11上，所述外壳32的下端固定安装在该转轴31的上端并且两者同轴设置，所述环形永磁体33固定套装在该外壳32的内壁上并且与该转轴31同轴设置，该环形绕组22围住该外壳32并且该环形绕组22外露于大气中，使得发热的环形绕组22能够直接与外界进行热交换(包括风冷)，这样使得无刷电机能够在大负载电流条件下可靠工作，提高了无刷电机持续输出大功率的能力，该电枢骨架21安装在该底座11的上端并且位于该外壳32的下方，该环形绕组22的上端和下端分别超出该环形永磁体33的上端和下端，其中：

所述环形永磁体33包括多个瓦片磁铁A331和多个瓦片磁铁B332，它们交替布置并固定连接在一起，从而形成具有内柱面和外柱面的所述环形永磁体33，每个瓦片磁铁A331和每个瓦片磁铁B332均采用平行磁场充磁而成(参照图2、图3中的箭头，箭头表示充磁方向，充磁方向即平行磁场的方向)，并且每个瓦片磁铁B332的弧度β₁均小于每个瓦片磁铁A331的弧度β₂，这样可以使瓦片磁铁A331能够提供更多的磁源，使电机的气隙磁密尽可能大，优选每个瓦片磁铁B332的弧度β₁分别为每个瓦片磁铁A331的弧度β₂的40％～60％，该百分比明确了瓦片磁铁A和瓦片磁铁B的弧度比例关系，为瓦片磁铁A和瓦片磁铁B的快速设计提供依据，同时，在该百分比范围内能够找到最佳的比例关系，使得电机气隙区域内的外聚磁效果达到最佳，最佳取值依赖环形永磁体33尺寸与材料特性等因素，须根据实际情况确定，以达到最佳的外聚磁效果。

对于任意相邻的两个瓦片磁铁A331而言，其中一个瓦片磁铁A331充磁方向为内弧面指向外弧面，而另一个瓦片磁铁A331充磁方向为外弧面指向内弧面，这样的设计保证了拼接成整体的环形永磁体33能够产生磁极N和磁极S交替布置的效果，使无刷电机能正常运行。

对于每个所述瓦片磁铁B332而言，其具有连接面C和连接面D，其充磁方向为连接面C指向连接面D，并且所述连接面C与充磁方向为外弧面指向内弧面的瓦片磁铁A331连接，所述连接面D与充磁方向为内弧面指向外弧面的瓦片磁铁A331连接。

通过上述的结构设计，使得瓦片磁铁B332与瓦片磁铁A331拼接成整体环形永磁体后，可以形成磁场外聚的效果。

进一步，对于每个瓦片磁铁A331而言，其内弧面和外弧面在垂直于该环形永磁体33的平面上的投影分别为圆弧E3311和圆弧F3312，瓦片磁铁A331进行充磁的平行磁场的方向平行于圆弧E3311和圆弧F3312的中点的连线(参见图2中的箭头)，从而使拼接成整体的环形永磁体33的气隙磁密更大。

进一步，对于每个所述瓦片磁铁B332而言，其连接面C和连接面D在垂直于该环形永磁体33的平面上的投影分别为线段G3321和线段H3322，瓦片磁铁B332进行充磁的平行磁场的方向平行于线段G3321和线段H3322的中点的连线(参见图3中的箭头)，从而使拼接成整体的环形永磁体33的气隙磁场的外聚磁效果更佳。

进一步，所述定子组件1还包括预紧弹簧14，所述预紧弹簧14的一端压在所述主轴承12上而另一端压在所述底座11内部的台阶上，这样可以对主轴承12进行沿轴向的定压预紧。

进一步，所述转轴31具有环形槽，所述转子组件3还包括设置在所述环形槽上的轴挡圈15，所述主轴承12位于所述预紧弹簧14和所述轴挡圈15之间并且所述轴挡圈15与所述主轴承12接触。优选地，所述底座11上还设置有辅助轴承13，所述转轴31穿过所述辅助轴承13，通过主轴承12和辅助轴承13，可以保证转轴31转动的平稳性，而且轴挡圈15与预紧弹簧14配合使用，可以保证主轴承12的安装到位和合理预紧，有助于提高主轴承12的精度、寿命和使用性能。

本实用新型的底座11沿轴向设置两个轴承室，分别为主轴承室和辅助轴承室，用于安装主轴承12和辅助轴承13，其中主轴承室上的预紧弹簧14外紧贴主轴承室的内壁，转轴31的一端与具有中心安装孔的外壳32同轴连接，转轴31与外壳32的连接处采用过盈配合或过盈配合+激光焊接，转轴31的另一端的环形槽与轴挡圈15配合，可实现整个转子组件3轴向固定。

参照图4，本实用新型的环形永磁体33由两种尺寸规格的瓦片磁铁A331和瓦片磁铁B332依据一定的排列方式连接而成，图4中瓦片磁铁A331和瓦片磁铁B332中的箭头分别表示各自的充磁方向(充磁方向也是进行充磁的平行磁场的方向)，其突出特点表现为较好的外聚磁特性。图5示出了在与环形永磁体33的轴线垂直的XY平面上的磁力线分布情况，在无任何导磁磁轭的条件下，环形永磁体33形成的磁力线主要分布于环形永磁体33的内侧，即环形永磁体33具有外聚性，而环形永磁体33外侧的磁力线分布极少(磁场强度弱，且往外延伸方向磁场强度迅速下降)，这样可以使无刷电机的气隙磁密更大，无刷电机通电后环形绕组22切割磁力线产生的安培力更大，也就是无刷电机能够承受更大的负载力矩，而且这样的设计可以让本实用新型不需要使用导磁磁轭。

得益于环形永磁体33的外聚磁特性，电机无需设置导磁磁轭，所以外壳32可选用不导磁的金属或非金属材料，出于减轻转子组件3惯量的目的，外壳32可选用密度较轻的铝合金或塑胶，可采用机械加工或者开模工艺制作而成，同时，外壳32能够支撑瓦片磁铁A331和瓦片磁铁B332组合而成的环形永磁体33，避免环形永磁体33在高速旋转过程中因离心力而脱落，环形永磁体33优选通过高强度的粘接剂粘贴在外壳32内壁上。

电枢组件2的环形绕组22的一端的内壁套接在绝缘的电枢骨架21上，两者的结合处采用高强度的粘结剂粘贴在一起，电枢骨架21可套接在定子组件1中底座11上并胶结固定，环形绕组22置于环形永磁体33内侧壁的附近，环形永磁体33的内侧聚集的磁场形成较高的磁场强度区域，通电的环形绕组22置于环形永磁体33的高强度磁场中做切割磁力线运动，从而产生较高的转矩输出。因为本实用新型的环形永磁体33具有外聚磁特性，所以本实用新型可以不用导磁磁轭，依然能够提供很高的气隙磁密，并且导磁磁轭通常不便使用模具工艺成型，制造成本高；此外，环形永磁体33作为无刷电机中的转子组件3的一部分，其是可转动的，转子组件3上与环形永磁体33相对静止的金属零件的内部不存在N极或S极交替变化的情况，也就使得本无刷电机没有铁损，因而具有比普通无刷电机更高的输出效率。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种拥有外聚磁特性的高性能永磁无刷电机，其特征在于，包括定子组件、电枢组件和转子组件，所述定子组件包括底座及设置在该底座上的主轴承，所述电枢组件包括电枢骨架和环形绕组，所述电枢骨架固定安装在该底座上，所述环形绕组安装在该电枢骨架上，所述转子组件包括转轴、外壳和环形永磁体，所述转轴通过该主轴承安装在该底座上，所述外壳的下端固定安装在该转轴的上端并且两者同轴设置，所述环形永磁体固定套装在该外壳的内壁上并且与该转轴同轴设置，该环形绕组围住该外壳并且该环形绕组外露于大气中，该电枢骨架安装在该底座的上端并且位于该外壳的下方，该环形绕组的上端和下端分别超出该环形永磁体的上端和下端，其中：

所述环形永磁体包括多个瓦片磁铁A和多个瓦片磁铁B，它们交替布置并固定连接在一起，从而形成具有内柱面和外柱面的所述环形永磁体，每个瓦片磁铁A和每个瓦片磁铁B均采用平行磁场充磁而成，并且每个瓦片磁铁B的弧度均小于每个瓦片磁铁A的弧度；

对于任意相邻的两个瓦片磁铁A而言，其中一个瓦片磁铁A充磁方向为内弧面指向外弧面，而另一个瓦片磁铁A充磁方向为外弧面指向内弧面；

对于每个所述瓦片磁铁B而言，其具有连接面C和连接面D，其充磁方向为连接面C指向连接面D，并且所述连接面C与充磁方向为外弧面指向内弧面的瓦片磁铁A连接，所述连接面D与充磁方向为内弧面指向外弧面的瓦片磁铁A连接。

2.根据权利要求1所述的一种拥有外聚磁特性的高性能永磁无刷电机，其特征在于，对于每个瓦片磁铁A而言，其内弧面和外弧面在垂直于该环形永磁体的平面上的投影分别为圆弧E和圆弧F，瓦片磁铁A进行充磁的平行磁场的方向平行于圆弧E和圆弧F的中点的连线。

3.根据权利要求1所述的一种拥有外聚磁特性的高性能永磁无刷电机，其特征在于，对于每个所述瓦片磁铁B而言，其连接面C和连接面D在垂直于该环形永磁体的平面上的投影分别为线段G和线段H，瓦片磁铁B进行充磁的平行磁场的方向平行于线段G和线段H的中点的连线。

4.根据权利要求1所述的一种拥有外聚磁特性的高性能永磁无刷电机，其特征在于，所述定子组件还包括预紧弹簧，所述预紧弹簧的一端压在所述主轴承上而另一端压在所述底座内部的台阶上。

5.根据权利要求4所述的一种拥有外聚磁特性的高性能永磁无刷电机，其特征在于，所述转轴具有环形槽，所述转子组件还包括设置在所述环形槽上的轴挡圈，所述主轴承位于所述预紧弹簧和所述轴挡圈之间并且所述轴挡圈与所述主轴承接触。

6.根据权利要求1所述的一种拥有外聚磁特性的高性能永磁无刷电机，其特征在于，每个瓦片磁铁B的弧度分别为每个瓦片磁铁A的弧度的40％～60％。

7.根据权利要求1所述的一种拥有外聚磁特性的高性能永磁无刷电机，其特征在于，所述外壳采用铝合金或塑胶制成。

8.根据权利要求1所述的一种拥有外聚磁特性的高性能永磁无刷电机，其特征在于，所述环形永磁体通过粘结剂粘贴在所述外壳的内壁上，所述电枢骨架通过粘结剂粘贴在所述底座上。

9.根据权利要求1所述的一种拥有外聚磁特性的高性能永磁无刷电机，其特征在于，所述底座上还设置有辅助轴承，所述转轴穿过所述辅助轴承。

10.根据权利要求1所述的一种拥有外聚磁特性的高性能永磁无刷电机，其特征在于，所述环形绕组的一端的内壁固定套接在所述电枢骨架上。

Images