CN219268578U - 一种空心杯电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种空心杯电机，一种空心杯电机，包括定子、外转子和内转子；所述定子位于外转子和内转子之间；所述定子包括电枢绕组和线圈支架，电枢绕组绕制于线圈支架上；所述外转子包括永磁体和外转子铁芯；所述内转子包括内转子铁芯，其特征在于：所述内转子铁芯的径向厚度T表示为与圆心角θ相关的极坐标函数：T＝T₀+T₆cos(6pθ+φ₆)+T_icos(ipθ+φ_i)；其中T₀、T₆和T_i为正数，且0≤T_i＜0.2T₆＜0.1T₀；p为永磁体的极对数，i为不等于6的正整数，φ₆和φ_i代表相位，为预设常数。本实用新型改进了空心杯电机内转子铁芯的径向厚度，可以有效调节气隙磁密的谐波含量，从而抑制电机的转矩波动，提升电机的性能。

Description

一种空心杯电机

技术领域

本实用新型属于电机领域，尤其是涉及一种空心杯电机。

背景技术

传统的永磁同步电机通常由单个定子和单个转子组成，定子上存在铁芯，电枢绕组位于定子铁芯构成的槽中，永磁体位于转子上。由于定子铁芯存在齿槽结构，使得永磁同步电机会产生周期性的齿槽转矩，从而增大转矩波动，影响电机性能。

采用无齿槽结构的定子铁芯可以消除齿槽效应，改善电机转矩的平稳性，但是定子铁芯和转子上的永磁体依旧存在相对运动，定子铁芯中的磁场处于交变状态，从而产生铁芯损耗，使定子组件温度升高。为解决上述问题，可以采用空心杯电机结构。空心杯电机由一个定子和两个转子组成，定子位于两个转子之间，定子外侧的转子一般称为外转子，定子内侧的转子一般称为内转子。定子上存在电枢绕组，没有定子铁芯，电枢绕组绕制在线圈支架上。永磁体和转子轭位于外转子上，内转子仅含有转子轭。当两个转子同步旋转时，由铁芯构成的转子轭和永磁体之间无相对运动，故可以大大降低铁芯中的磁场交变程度，达到抑制铁芯损耗的目的。

然而，空心杯电机中的瓦片形永磁体会在气隙中产生一、三、五、七等奇数次磁动势谐波成分。传统空心杯电机包括定子1’、外转子2’和内转子3’；定子位于外转子和内转子之间；定子包括电枢绕组11’和线圈支架12’，电枢绕组11’绕制于线圈支架12’上；外转子包括永磁体21’和外转子铁芯22’，内转子3’仅包括内转子铁芯，参见图1所示。由于内转子铁芯径向厚度均匀，所以气隙磁导只含有直流分量。气隙磁密可由气隙磁动势与气隙磁导相乘得到。因此空心杯电机的气隙磁密具有一、三、五、七等奇数次谐波成分。其中三次气隙磁密谐波的幅值大于五次和七次气隙磁密谐波，是造成气隙磁密波形畸变的首要原因，但是其不会引起电机的转矩波动。而五次和七次气隙磁密谐波会导致电枢绕组中感应出五次和七次反电动势谐波，而五次和七次反电动势谐波与正弦电流相互作用会产生六次转矩谐波，最终导致电机的转矩波动增加，影响电机性能。

在现有改进后的空心杯电机中，采用了不同的永磁体结构，以缓解上述问题。如公开号为CN113346650A的中国专利公开了一种空心杯电机，包括转子组件和定子组件，转子组件包括线圈和电机轴，定子组件包括磁钢组件，磁钢组件套设在电机轴上，电机轴穿过线圈，且电机轴可带动线圈以电机轴的中轴线为转动轴相对磁钢组件转动，磁钢组件的极性按照海尔贝克阵列组合排列，且磁钢组件沿电机轴的中轴线方向两端的磁力线将磁钢组件沿电机轴的中轴线方向中部的磁力线约束在线圈的磁力线切割的有效区域内。

上述空心杯电机采用了按照海尔贝克阵列组合排列的磁钢组件，加强了聚磁效果，提升了磁钢的利用率，同时也可以减少五次和七次气隙磁动势谐波成分，有利于降低转矩波动。但是该空心杯电机的永磁体数量较多，且各块永磁体的充磁方向不同，永磁体的加工与装配过程较为复杂，电机成本较高，并且容易出现加工误差，劣化电机性能。

在现有改进后的空心杯电机中，也有采用不同的内转子结构。如公开号为CN113098162A(申请号为202110389758.9)的中国专利公开了一种具有葵花形内转子的空心杯结构电机，包括：外转子铁心、多个永磁体、偏心内转子铁心和转子轴；沿所述转子轴的径向截面，所述偏心内转子铁心的外廓包括多个朝向所述永磁体凸出的偏心圆弧，所述偏心圆弧的个数与所述永磁体的个数一致，且所述偏心圆弧与所述永磁体一一对应，所述偏心圆弧的两端点在对应的所述永磁体两侧边与所述转子轴的中心的连线上，所述偏心圆弧的圆心在对应的所述永磁体弧形边中点与所述转子轴的中心的连线上。

上述空心杯电机的内转子铁芯的径向厚度函数仅含有二次谐波分量。二次气隙磁导谐波和一次永磁体磁动势谐波相互作用，只能产生额外的三次气隙磁密谐波。因此无法调整五次和七次气隙磁密谐波的幅值与相位，即无法有效降低电机的转矩波动。五次和七次气隙磁密谐波会导致电枢绕组中感应出五次和七次反电动势谐波，而五次和七次反电动势谐波与正弦电流相互作用会产生六次转矩谐波，最终导致电机的转矩波动增加，影响电机性能。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术现状提出一种在不改变传统永磁体结构的情况下可抑制转矩波动的空心杯电机。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种空心杯电机，包括定子、外转子和内转子；所述定子位于外转子和内转子之间；所述定子包括电枢绕组和线圈支架，电枢绕组绕制于线圈支架上；所述外转子包括永磁体和外转子铁芯；所述内转子包括内转子铁芯，其特征在于：所述内转子铁芯的径向厚度T表示为与圆心角θ相关的极坐标函数：T＝T₀+T₆cos(6pθ+φ₆)+T_icos(ipθ+φ_i)；其中T₀、T₆为正数，且0≤T_i＜0.2T₆＜0.1T₀；p为永磁体的极对数，i为不等于6的正整数，φ₆和φ_i代表相位，为预设常数；以空心杯电机径向横切面中内转子铁芯的中心点为原点，以水平向右方向为X轴正方向，在空心杯电机径向横切面中，内转子铁芯外侧壁上任意一点与原点之间的连线与X轴正向之间逆时针方向的夹角即为圆心角θ。

本实用新型通过改变内转子铁芯的径向厚度，使气隙磁导在周向上不再均匀，出现谐波分量，这些气隙磁导谐波和气隙磁动势谐波相互作用，可以改变原本气隙磁密中各次谐波的含量，进而达到降低电机转矩波动的目的。在一对磁极的范围之内，假设气隙磁导含有n次谐波成分，则其和一、三、五、七次气隙磁动势谐波作用可产生n±1、n±3、n±5、n±7次气隙磁密谐波成分。由于1次气隙磁动势谐波的幅值远大于3、5、7次气隙磁动势谐波的幅值，所以n±1次气隙磁密谐波幅值最大，可以有效调节原有的气隙磁密谐波含量。本实用新型对内转子铁芯的径向厚度进行了改进，径向厚度函数含有T₆cos(6pθ+φ₆)，即在气隙磁导中增加了六次谐波分量，六次气隙磁导谐波和一次永磁体磁动势谐波相互作用，可以产生额外的五次和七次气隙磁密谐波。通过调整T₆与φ₆的大小，即可改变六次气隙磁导谐波的幅值与相位，进而调节五次和七次气隙磁密谐波的幅值与相位，使得五次和七次反电动势谐波的幅值与相位得到调整，从而达到减小电机转矩波动的目的。

本实用新型的进一步改进为：在相邻两块永磁体交界处，T₆cos(6pθ+φ₆)取得最大值。此时五次和七次反电动势谐波分别与正弦电流相互作用产生的六次转矩谐波相位相反，两者可以相互抵消，从而进一步降低电机的转矩波动。

本实用新型的进一步改进为：i＝4。在内转子铁芯的径向厚度函数上增加四次谐波分量，可以使气隙磁导增加四次谐波分量。四次气隙磁导谐波和一次永磁体磁动势谐波相互作用，可以产生额外的五次气隙磁密谐波，以达到调节五次气隙磁密谐波的目的。

本实用新型的进一步改进为：i＝8。在内转子铁芯的径向厚度函数上增加八次谐波分量，可以使气隙磁导增加八次谐波分量。八次气隙磁导谐波和一次永磁体磁动势谐波相互作用，可以产生额外的七次气隙磁密谐波，以达到调节七次气隙磁密谐波的目的。

本实用新型的进一步改进为：所述外转子和内转子同步旋转。由于本实用新型的内转子铁芯径向厚度不再沿周向均匀，因此外转子和内转子应同步旋转，以产生特定的五次和七次气隙磁密谐波。同时，外转子和内转子同步旋转可以使铁芯和永磁体相对静止，以减少铁芯损耗。

本实用新型的进一步改进为：所述线圈支架不导磁。本实用新型的定子不含导磁材料，可以消除由齿槽效应带来的齿槽转矩，从而降低电机的转矩波动。

本实用新型的进一步改进为：所述电枢绕组为整距绕组或短距绕组。本实用新型的电枢绕组可采用整距绕组，以获得较大的基波反电动势绕组系数，提高电机的功率密度。另外，本实用新型的电枢绕组也可采用短距绕组，以降低高次谐波反电动势的绕组系数，改善反电动势的正弦性。

本实用新型的进一步改进为：所述电枢绕组表面为正弦形。对于空心杯电机，电机的磁链是气隙磁密关于绕组形状的积分，而电机的反电动势是磁链关于时间的微分。因此，调整电枢绕组的形状，有助于降低反电动势的谐波含量，改善反电动势波形的正弦性。

本实用新型的进一步改进为：所述永磁体存在两种极性，且永磁体的极性在周向上交替分布。永磁体极性周向上交替分布可保证气隙磁场正负对称，减少谐波含量，有利于降低电机的转矩波动。

本实用新型的进一步改进为：所述永磁体为交替极结构，永磁体只存在一种极性，永磁体和外转子铁芯在周向上交替分布。因此，可大幅降低永磁体用量，有利于降低电机的成本，提升性价比。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：本实用新型对内转子铁芯径向厚度进行了改进，在一对磁极的范围内，内转子铁芯的径向厚度函数含有六次谐波分量，即在气隙磁导中增加了六次谐波分量。六次气隙磁导谐波和一次永磁体磁动势谐波相互作用，可以产生额外的五次和七次气隙磁密谐波。通过调整内转子铁芯径向厚度函数的谐波幅值与相位，即可改变六次气隙磁导谐波的幅值与相位，进而调节五次和七次气隙磁密谐波的幅值与相位，使得五次和七次反电动势谐波的幅值与相位得到调整。最终，五次和七次反电动势谐波分别与正弦电流相互作用产生的六次转矩谐波相位相反，两者相互抵消，从而达到减小电机转矩波动的目的。

附图说明

图1为传统空心杯电机的截面示意图；

图2为本实用新型空心杯电机的截面示意图；

图3为本实用新型空心杯电机、传统空心杯电机和葵花形内转子空心杯电机的转矩波形对比图；

图4为本实用新型空心杯电机采用正弦形绕组的截面示意图；

图5为本实用新型空心杯电机采用交替极永磁体的截面示意图；

图6为本实用新型空心杯电机的内转子铁芯径向厚度函数增加四次谐波分量后的截面示意图；

图7为本实用新型空心杯电机的内转子铁芯径向厚度函数增加八次谐波分量后的截面示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。

实施例一

由图2～6所示，为本实用新型的优选实施例。如图2所示，一种空心杯电机，包括定子1、外转子2和内转子3；定子1位于外转子2和内转子3之间；定子1包括电枢绕组11和线圈支架12，电枢绕组11绕制于线圈支架12上，电枢绕组11为整距绕组或短距绕组；外转子2包括永磁体21和外转子铁芯22，外转子铁芯22为圆环形，永磁体21位于圆环形外转子铁芯22表面，永磁体21的极性在周向上交替分布；内转子3仅包括内转子铁芯，内转子铁芯的径向厚度T表示为与圆心角θ相关的极坐标函数：

T＝T₀+T₆cos(6pθ+φ₆)+T_icos(ipθ+φ_i)；

其中T₀、T₆为正数，且0≤T_i＜0.2T₆＜0.1T₀；

p为永磁体21的极对数，i为不等于6的正整数，φ₆和φ_i代表相位，为预设常数；

本实施例中，T_i＝0；T＝T₀+T₆cos(6pθ+φ₆)；T₆＝0.25T₀，φ₆＝180^°，T₀＝10mm；

以空心杯电机径向横切面中内转子铁芯的中心点为原点，以水平向右方向为X轴正方向，在空心杯电机径向横切面中，内转子铁芯外侧壁上任意一点与原点之间的连线与X轴正向逆时针方向之间的夹角即为圆心角θ。

在相邻两块所述永磁体21交界处，T₆cos(6pθ+φ₆)取得最大值。其中六次谐波分量有助于调节五次和七次气隙磁密谐波的幅值与相位，使电机的六次转矩谐波分量被抑制，达到降低电机转矩波动的目的。

如图1所示，现有的传统空心杯电机，其内转子铁芯的径向厚度均匀，无法调节五次和七次气隙磁密谐波的幅值与相位，导致电机的转矩波动较大。将本实用新型空心杯电机与传统空心杯电机以及葵花形内转子空心杯电机进行对比，分析三者在相同电流下的转矩波动，如图3所示，可以看出，本实用新型空心杯电机的转矩波动明显小于传统空心杯电机和葵花形内转子空心杯电机。

实施例二

与实施例一不同的是，空心杯电机的电枢绕组11的表面为正弦形，以达到抑制反电动势谐波的目的，参见图4所示。

实施例三

与实施例一不同的是，空心杯电机的永磁体21为交替极结构，此时所有永磁体21的极性均相同，且在周向上和外转子铁芯22交替分布，有助于降低永磁体21用量，提升电机的性价比，参见图5所示。此时由于永磁体正负不对称，磁动势中将含有二次和四次谐波，导致产生二次和四次气隙磁密谐波，最终引起三次转矩波动。因此，可令内转子铁芯的径向厚度T函数为：

T＝T₀+T₆cos(6pθ+φ₆)+T₃cos(3pθ+φ₃)；

其中T₃＝0.1T₆，T₆＝0.25T₀，φ₆＝180^°，φ₃＝90^°；T₀＝10mm；

p为永磁体21的极对数，φ₆和φ₃代表相位，为预设常数；

以空心杯电机径向横切面中内转子铁芯的中心点为原点，以水平向右方向为X轴正方向，在空心杯电机径向横切面中，内转子铁芯外侧壁上任意一点与原点之间的连线与X轴正向逆时针方向之间的夹角即为圆心角θ。此时气隙磁导将存在三次谐波分量，和1次气隙磁动势谐波相互作用可以产生额外的二次和四次气隙磁密谐波，可以调节二次和四次气隙磁密谐波的幅值与相位，降低三次转矩波动。

实施例四

与实施例一不同的是空心杯电机的内转子铁芯的径向厚度函数中，加入了四次谐波分量，以达到调节五次反电动势谐波的目的，参见图6所示。

内转子铁芯的径向厚度T函数为：

T＝T₀+T₆cos(6pθ+φ₆)+T₄cos(4pθ+φ₄)；

其中T₄＝0.05T₆，T₆＝0.2T₀，φ₆＝180^°，φ₄＝180^°；T₀＝10mm；

p为永磁体21的极对数，φ₆和φ₄代表相位，为预设常数；

以空心杯电机径向横切面中内转子铁芯的中心点为原点，以水平向右方向为X轴正方向，在空心杯电机径向横切面中，内转子铁芯外侧壁上任意一点与原点之间的连线与X轴正向逆时针方向之间的夹角即为圆心角θ。

实施例五

与实施例一不同的是空心杯电机的内转子铁芯的径向厚度函数中，加入了八次谐波分量，以达到调节七次反电动势谐波的目的，参见图7所示。

内转子铁芯的径向厚度T函数为：

T＝T₀+T₆cos(6pθ+φ₆)+T₈cos(8pθ+φ₈)；

其中T₈＝0.05T₆，T₆＝0.2T₀，φ₆＝180^°，φ₈＝180^°；T₀＝10mm；

p为永磁体21的极对数，φ₆和φ₈代表相位，为预设常数；

以空心杯电机径向横切面中内转子铁芯的中心点为原点，以水平向右方向为X轴正方向，在空心杯电机径向横切面中，内转子铁芯外侧壁上任意一点与原点之间的连线与X轴正向逆时针方向之间的夹角即为圆心角θ。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对实用新型的解释说明，并不是对本实用新型进行限制，本实用新型的保护范围不应当被视为仅限于实施例所述的具体内容，在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、替换和改变等，均包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种空心杯电机，包括定子(1)、外转子(2)和内转子(3)；所述定子(1)位于外转子(2)和内转子(3)之间；所述定子(1)包括电枢绕组(11)和线圈支架(12)，电枢绕组(11)绕制于线圈支架(12)上；所述外转子(2)包括永磁体(21)和外转子铁芯(22)；所述内转子(3)包括内转子铁芯，其特征在于：所述内转子铁芯的径向厚度T表示为与圆心角θ相关的极坐标函数：

T＝T₀+T₆cos(6pθ+φ₆)+T_icos(ipθ+φ_i)；

其中T₀、T₆为正数，且0≤T_i＜0.2T₆＜0.1T₀；

p为永磁体(21)的极对数，i为不等于6的正整数，φ₆和φ_i代表相位，为预设常数；

以空心杯电机径向横切面中内转子铁芯的中心点为原点，以水平向右方向为X轴正方向，在空心杯电机径向横切面中，内转子铁芯外侧壁上任意一点与原点之间的连线与X轴正向之间逆时针方向的夹角即为圆心角θ。

2.根据权利要求1所述的空心杯电机，其特征在于：在相邻两块永磁体交界处，T₆cos(6pθ+φ₆)取得最大值。

3.根据权利要求1所述的空心杯电机，其特征在于：i＝4。

4.根据权利要求1所述的空心杯电机，其特征在于：i＝8。

5.根据权利要求1所述的空心杯电机，其特征在于：所述外转子(2)和内转子(3)同步旋转。

6.根据权利要求1～5中任意一项所述的空心杯电机，其特征在于：所述线圈支架(12)不导磁。

7.根据权利要求1～5中任意一项所述的空心杯电机，其特征在于：所述电枢绕组(11)为整距绕组或短距绕组。

8.根据权利要求1～5中任意一项所述的空心杯电机，其特征在于：所述电枢绕组(11)表面为正弦形。

9.根据权利要求1～5中任意一项所述的空心杯电机，其特征在于：所述永磁体(21)存在两种极性，且永磁体(21)的极性在周向上交替分布。

10.根据权利要求1～5中任意一项所述的空心杯电机，其特征在于：所述永磁体(21)为交替极结构，永磁体(21)只存在一种极性，永磁体(21)和外转子铁芯(22)在周向上交替分布。

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