CN214045195U - 一种具有环形冲片和多极磁环的电机结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有环形冲片和多极磁环的电机结构，一种环形冲片、多极磁环及电机，所述的电机主体包含机壳、环形定子铁芯、环形定子绕组、多极环形磁环和转子磁轭，环形定子铁芯、多极环形磁环、电机气隙和转子磁轭组成电机的主磁场回路。多极环形磁环采用HALBACH结构整体多极充磁，确保绕组耦合部分的气隙磁密波形为正弦形。本实用新型产品结构紧凑、尺寸小、体积小、重量轻、损耗小、效率高、功率和转矩密度大、反电势正弦高，波形畸变率低、运行噪音和振动低，转矩波动小，控制运转平稳、控制精度高等优点。

Description

一种具有环形冲片和多极磁环的电机结构

技术领域

本实用新型涉及电机技术领域，更具体的说，它涉及一种在定子和转子结构上具有改进的电机结构。

背景技术

空心杯无刷电机属于直流永磁伺服微特电机，与普通无刷直流电机的主要区别在于电枢铁芯上没有齿槽，电机绕组按照特殊的绕制工艺制作成杯型的一类电机。与传统的齿槽电机相比有以下优点：1、效率高：空心杯电机的效率大多在70％以上，部分产品甚至接近90％，而相同的体积和重量下传统齿槽类电机的效率均在70％以下；2、体积小、重量轻、功率和转矩密度高：由于工作效率提高、损耗降低，空心杯电机的功率密度大幅提高，与传统齿槽类电机相比，体积重量可减小30％左右；3、控制性能好：无齿槽效应导致的转矩波动小，电机运转平稳；机电时间常数低，动态响应好，电机的电感非常低，常规电气时间常数在0.1ms以内，机电时间常数在2ms左右，电机响应迅速，控制精确，适合应用于高精密驱动系统中，例如通讯、机器人、安防、航空航天、舵控系统等领域。

但是，随着航模、无人机、机器人、云台等产品随着应用的范围的拓展，对驱动动力电机提出了重量轻、小型化、高功率密度、高转矩密度、高效率、高动态响应、高可靠性、安全性等要求。目前空心杯无刷电机因工艺所限，多采用1对极、六边形绕组结构以及三角形接线方法，此种结构电机的转速偏高，反电势及电机转矩系数偏低，导致无法开发大扭力密度和功率密度空心杯无刷直流电机。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术中的上述不足之处，提供一种具有环形冲片和多极磁环的电机结构，其结构简单、设计合理、体积小、重量轻、损耗小、效率高、安全可靠的一种环形冲片、多极磁环的电机。

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案如下：

一种具有环形冲片和多极磁环的电机结构，包括机壳，所述机壳内设有环形定子铁芯，所述环形定子铁芯内设有环形定子绕组，所述环形定子绕组内设有多极环形磁环和转子磁轭，所述电极结构还包括电机气隙g，所述环形定子铁芯、多极环形磁环、电机气隙g以及转子磁轭构成电机的主磁场回路，所述环形定子绕组与主磁场回路耦合，随着多极环形磁环和转子磁轭构成的转子的回转运动得到正弦度高反电势波形，所述环形定子铁芯、定子绕组、多极环形磁环和转子磁轭共心。

进一步地，所述多极环形磁环的极数为p，p值介于4～12之间，且为2的整数倍，所述多极环形磁环采用HALBACH结构整体多极充磁，表磁和电机气隙得到正弦度较高的气隙磁密，确保绕组耦合部分的气隙磁密波形为正弦形。

进一步地，所述环形定子铁芯的外径为D_o，优选地D_o值介于10～60mm，所述环形定子铁芯的内径为D_i，优选地D_i值介于6～52mm，所述环形定子铁芯的厚度为t，优选地t值介于15～80mm。

进一步地，所述多极环形磁环的外径为d_o，优选地d_o值介于5～45mm；所述多极环形磁环的内径为d_i，优选地d_i值介于2～40mm。

上述的电机关键参数D₀、D_i、d₀、d_i和p应满足公式：

优选地

进一步地，所述电机气隙g是指环形定子铁芯的内壁到多极环形磁环的外壁的之间的间隙，其中包括环形定子绕组的内壁到多极环形磁环的外壁之间的运动气隙g₀；优选地，g值介于1.3～4mm，优选地，g₀值介于0.25～0.6mm。

进一步地，电机关键参数d₀、d_i与气隙值g之间应满足公式：

结合前述电机关键参数D₀、D_i、d₀、d_i和p应满足的公式，可获得较优的磁场分布。

进一步地，所述环形定子绕组采用同心绕法绕制而成，优选地径向绕组层数为2～6层，优选地同心绕法的同心圆中心跨距为一个极距τ，τ＝πD/p。

进一步地，所述环形定子铁芯通过过盈及外壁涂抹胶水的方式粘接在机壳内侧，所述环形定子绕组固定在所述环形定子铁芯内侧，所述环形定子铁芯与所述环形定子绕组之间设有至少一层绝缘纸，用于隔绝；所述环形定子绕组由自粘性漆包线绕制，然后卷圆成圆筒状结构；在机壳、环形定子绕组和环形定子绕组固定完成后，对其进行整体灌封处理，用树脂填充绕组间及绕组与铁芯间安装缝隙，提高定子组件强度和散热。

进一步地，所述的转子包括多极环形磁环、转子轴或转子磁轭及其余附件组成，所述多极环形磁环为整体加工和充磁，可满足≥10000rpm条件下运行。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型的电机对定子中的环形冲片和转子中的多极磁环进行了改进，实现产品尺寸小、体积小、重量轻、效率高、损耗小、功率和转矩密度大、反电势正弦高，波形畸变率低、控制运行平稳、精度高。

2、本实用新型通过结构和参数的设计，优化了电机中的磁场分布，优选了铁芯轭部厚度、气隙长度、磁钢厚度、转子轭厚，有效的提高了单位体积内磁通通量，从而提高了电机单位匝数的反电势和转矩系数大，进一步地降低了单位转矩系数下的电阻，降低的电机铜损耗，有效的提高了电机效率、转矩密度及功率密度。

3、本实用新型通过参数选择，优化了气隙磁场，使电机反电势正弦度高、波形畸变率低，电机运行平稳、噪音和振动低，转矩波动小，控制运转平稳、精度高。

4、本实用新型的定子铁芯采用同心式绕组绕线和布局，绕组过线无重叠部分，有效匝数下气隙短，在有限电机气隙下可实现多层绕线布局，从而提高了绕组空间利用率，单位反电势下电阻的低，电机铜损小，降低的电机铜损耗，有效的提高了电机效率、转矩密度及功率密度。

5、本实用新型的转子多极磁环采用HALBACH结构整体多极充磁磁环，通过合理布局磁环极数、气隙长度、定子磁轭厚度等关键参数，使得电机气隙磁密波形正弦性好，反电势正弦性好、波形畸变率低，电机反电势正弦度高、波形畸变率低，电机运行平稳、噪音和振动低，转矩波动小，控制运转平稳、精度高。

附图说明

图1为本实用新型的电机径向剖面示意图。

图2为本实用新型的电机径向剖面主要尺寸布局示意图。

图3为某四极电机同心式绕组平面展开示意图。

图4为电机磁场分布云图。

图5为电机气隙磁密曲线示意图。

图6为某型号电机反电势示意图。

图中标号：

机壳01；环形定子铁芯02；定子绕组03；多极环形磁环04；转子磁轭05；电机气隙g；运动气隙g₁；环形定子铁芯外径D_o；环形定子铁芯内径D_i；多极环形磁钢外径d_o；多极环形磁钢内径d_i。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进一步说明。应当说明的是，实施例只是对本实用新型的具体阐述，其目的是为了让本领域技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，不应视为对本实用新型的限定，本实用新型的保护范围仍以权利要求书所描述的为准。

如图1、2所示，本实用新型公开了一种具有环形冲片和多极磁环的电机，包括定子和转子；所述的定子包括机壳01、环形定子铁芯02和定子绕组03，所述的转子包括多极环形磁环04和转子磁轭05；定子和转子中所有的零部件的圆心均为同一轴心，环形定子铁芯02、多极环形磁环04、电机气隙g、转子磁轭05组合成电机主磁场回路，机壳01将环形定子铁芯02包裹，环形定子铁芯02将定子绕组03包裹，定子绕组03将多极环形磁环04包裹，多级环形磁环将转子磁轭05包裹。

所述的电机气隙g是指环形定子铁芯的内壁到多极环形磁环的外壁的之间的间隙，其中包括环形定子绕组的内壁到多极环形磁环的外壁之间的运动气隙g₀；优选地，g值介于1.3～4mm，优选地，g₀值介于0.25～0.6mm。

所述的机壳01呈圆筒状，所述的环形定子铁芯02通过过盈及外壁涂抹胶水粘接在机壳01的内侧。所述的环形定子铁芯02，由至少两个圆环型冲片沿轴向组合叠压而成，优选的环形冲片由厚度为0.1mm至0.5mm高性能硅钢片制成；环形定子铁芯02，环形定子铁芯外径D_o，优选的D_o值为10mm至60mm，环形定子铁芯内径D_i，优选的D_i值为6mm至52mm，所述的定子铁芯的厚度，其优选的值为15mm至80mm；所述的定子绕组03固定在环形定子铁芯02内侧，定子绕组03与环形定子铁芯02之间设有绝缘纸隔绝。

所述定子绕组03采用同心定子绕组03组成，优选的径向定子绕组03层数为2至6层，优选的同心圆中心跨距为一个极距τ，τ＝πD/p；定子绕组03与主磁回路耦合，随着转子回转运动得到正弦度高反电势波形，如图3所示，本实施例提供了一种应用本实用新型的方案的4极6线圈空心杯绕组展开图，按示意图进行绕线整形合格后在整圆及下进行卷圆精整，卷圆成圆筒状结构，进一步的转入的环形定子铁芯02内侧进行预固定；环形定子绕组03由自粘性漆包线绕制，然后卷圆成圆筒状结构，在机壳01、环形定子铁芯02、环形定子绕组03固定完成后，对其进行整体灌封处理，采用树脂填充环形定子绕组03间及环形定子绕组03与环形定子铁芯02之间的安装缝隙。

在本实用新型中，多极环形磁环04采用HALBACH结构整体多极充磁，确保定子绕组03耦合部分的气隙磁密波形为正弦形，所述的多极环形磁环04极数为P，优选的P值为4至12，且为2的公倍数；所述的多极环形磁环04，采用HALBACH结构整体多极取向和充磁，表磁和电机气隙g得到正弦度较高的气隙磁密；所述多极环形磁钢外径d_o，优选的d_o值为5mm至45mm；多极环形磁钢内径d_i，优选的d_i值为2mm至40mm。

所述电机关键参数应满足公式：

优选的

并且磁钢厚度与气隙值之间应满足的

为宜。

所述的转子磁轭05贯穿多级环形磁环04，转子磁轭05可用铸钢，也可用冲片叠压，转子磁轭05的厚度与多极环形磁钢内径d_i一致，优选的厚度为2mm至40mm。所述的多级环形磁环04为整体加工和充磁，可满足≥10000rpm条件下运行。

按上述条件建模组合而成的一种4极电机，在Ansoft软件下进行磁场优化和线圈布线优化，如图4所示，磁场云图，电机的最高磁密为1.65T，磁场分布均匀，效果良好；图5所示，气隙磁场磁密波形为正弦形，波形畸变率低，磁密幅值为0.67T；图6所示，进行动态反电势和力矩系数仿真，得到一款个正弦度高反电势，其幅值为5.1V/Krpm，进一步分析电机气隙磁密和反电势的波形正弦度高，波形畸变率低，电机运行噪音和振动低、控制精度高。采用本发明一种环形冲片、多极磁环的电机，可实现产品结构紧凑、体积小、重量轻、损耗小、效率高、功率和转矩密度大、反电势正弦高，波形畸变率低、运行噪音和振动低，转矩波动小，控制运转平稳、控制精度高等优点

以上所述仅是本实用新型优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型保护范围。

Claims (10)

1.一种具有环形冲片和多极磁环的电机结构，其特征在于，包括机壳(01)，所述机壳(01)内设有环形定子铁芯(02)，所述环形定子铁芯(02)内设有环形定子绕组(03)，所述环形定子绕组(03)内设有多极环形磁环(04)和转子磁轭(05)，电极结构还包括电机气隙g，所述环形定子铁芯(02)、多极环形磁环(04)、电机气隙g以及转子磁轭(05)构成电机的主磁场回路，所述环形定子铁芯(02)、定子绕组(03)、多极环形磁环(04)和转子磁轭(05)共心。

2.根据权利要求1所述的一种具有环形冲片和多极磁环的电机结构，其特征在于，所述多极环形磁环(04)极数为p，p值介于4～12之间，且为2的整数倍，所述多极环形磁环(04)采用HALBACH结构整体多极充磁。

3.根据权利要求1所述的一种具有环形冲片和多极磁环的电机结构，其特征在于：所述环形定子铁芯(02)的外径为D_o，D_o值介于10～60mm，所述环形定子铁芯(02)的内径为D_i，D_i值介于6～52mm，所述环形定子铁芯(02)的厚度为t，t值介于15～80mm。

4.根据权利要求3所述的一种具有环形冲片和多极磁环的电机结构，其特征在于：所述多极环形磁环(04)的外径为d_o，d_o值介于5～45mm；所述多极环形磁环(04)的内径为d_i，d_i值介于2～40mm。

5.根据权利要求4所述的一种具有环形冲片和多极磁环的电机结构，其特征在于：所述电机结构的参数D₀、D_i、d₀、d_i和p满足公式：

6.根据权利要求5所述的一种具有环形冲片和多极磁环的电机结构，其特征在于：所述电机气隙g是指环形定子铁芯(02)的内壁到多极环形磁环(04)的外壁的之间的间隙，其中包括环形定子绕组(03)的内壁到多极环形磁环(04)的外壁之间的运动气隙g₀。

7.根据权利要求6所述的一种具有环形冲片和多极磁环的电机结构，其特征在于：g值介于1.3～4mm，其中，g₀值介于0.25～0.6mm。

8.根据权利要求6或7所述的一种具有环形冲片和多极磁环的电机结构，其特征在于：所述多极环形磁环(04)的厚度与电机气隙值之间应满足公式：

9.根据权利要求2所述的一种具有环形冲片和多极磁环的电机结构，其特征在于：所述环形定子绕组(03)采用同心绕法绕制而成，径向绕组层数为2～6层，同心绕法的同心圆中心跨距为一个极距τ，τ＝πD/p。

10.根据权利要求1所述的一种具有环形冲片和多极磁环的电机结构，其特征在于：所述环形定子铁芯(02)通过过盈及外壁涂抹胶水的方式粘接在机壳(01)内侧，所述环形定子绕组(03)固定在所述环形定子铁芯(02)内侧，所述环形定子铁芯(02)与所述环形定子绕组(03)之间设有至少一层绝缘纸，用于隔绝；所述环形定子绕组(03)由自粘性漆包线绕制，然后卷圆成圆筒状结构；在机壳(01)、环形定子绕组(03)和环形定子绕组(03)固定完成后，对其进行整体灌封处理，用树脂填充绕组间及绕组与铁芯间安装缝隙，形成电极结构的定子部件。

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