CN221058071U - 一种转矩稳定的两相无刷直流电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种转矩稳定的两相无刷直流电机。它包括定子和转子，所述定子包括定子铁芯以及环绕于定子铁芯上的4*n个定子绕组，所述转子包括转子铁芯以及环绕于转子铁芯上的6*n个永磁极，n为正整数，所述相邻永磁极的极性相反。本实用新型定子绕组的利用效率高，降低了无刷直流电机的重量，且转矩脉动小，适合连续动力输出的应用场景。

Description

一种转矩稳定的两相无刷直流电机

技术领域

本实用新型涉及无刷直流电机技术领域，尤其涉及一种转矩稳定的两相无刷直流电机。

背景技术

无刷直流电机应用广泛，各行各业都有应用，尤其是多旋翼无人机，基本上都是使用无刷直流电机作为动力源。常用的无刷直流电机主要是三相无刷直流电机。

现有的三相无刷直流电机以三相定子绕组和两个永磁极组成一个基本单元，即定子绕组与永磁极是3：2的组合，工作时，由电子调速器模拟产生三相交流电并通过定子绕组产生交变磁场，与永磁极产生推拉作用，从而将电能转化为机械转动能，但是存在如下缺点：磁场本身只有两个极，因此在任一时间，三个定子绕组中总会有一个绕组不工作，绕组的利用效率不高于67％，由于无刷直流电机的重量主要来自于定子铁芯和缠绕在定子铁芯上的定子绕组，因此，定子绕组的利用效率低，显著降低了电机的功重比。

也有定子绕组与永磁极数量一致的两相无刷直流电机的技术方案，虽然定子绕组的利用效率高，但是存在如下缺点：转矩脉动大，每前进一个步距角，在步距角开始的位置，转矩达到最大，而到了步距角结束的位置，转矩接近零，对于多旋翼无人机这种需要连续动力输出的应用场景，非常不适用。

发明内容

本实用新型为了解决上述技术问题，提供了一种转矩稳定的两相无刷直流电机，其定子绕组的利用效率高，降低了无刷直流电机的重量，且转矩脉动小。

为了解决上述问题，本实用新型采用以下技术方案予以实现：

本实用新型的一种转矩稳定的两相无刷直流电机，包括定子和转子，所述定子包括定子铁芯以及环绕于定子铁芯上的4*n个定子绕组，所述转子包括转子铁芯以及环绕于转子铁芯上的6*n个永磁极，n为正整数，所述相邻永磁极的极性相反。

在本方案中，每4个依次相邻的定子绕组构成一组，电子调速器控制每组定子绕组中相邻定子绕组的电流相位差为90°，配合定子绕组数量和永磁极数量之比为4：6这样的特定组合，当其中一个定子绕组产生的转矩减小时，相邻的定子绕组产生的转矩增加，任意相邻的两个定子绕组产生的转矩处于互补的工作状态，从而产生稳定的转矩输出，解决了其它两相无刷直流电机转矩脉动大的技术问题，适合连续动力输出的应用场景。

本方案中定子绕组数量和永磁极数量之比为4：6，相比于传统三相无刷直流电机降低了定子绕组数量，本方案中的定子绕组在任一时间都处于正常工作状态，提高了定子绕组的利用效率。本方案中使用的定子绕组数量只有传统三相无刷直流电机的三分之二，虽然相应增加了永磁极的数量，但是永磁极的重量比定子绕组的重量轻得多，所以降低了无刷直流电机的重量，提高了功重比。

作为优选，所述4*n个定子绕组围成圆形且沿圆形等间距设置，所述6*n个永磁极围成圆形且沿圆形等间距设置。

作为优选，所述转子铁芯设置在定子铁芯内侧，所述永磁极设置在转子铁芯的外侧壁上，所述定子绕组设置在定子铁芯的内侧壁上；或者，所述定子铁芯设置在转子铁芯内侧，所述定子绕组设置在定子铁芯的外侧壁上，所述永磁极设置在转子铁芯的内侧壁上。

转子在定子外侧构成外转子无刷直流电机，转子在定子内侧构成内转子无刷直流电机。

作为优选，所述4*n个定子绕组划分为n组，每组定子绕组包括4个依次相邻的定子绕组，所述4个依次相邻的定子绕组按顺时针方向依次记为A定子绕组、B定子绕组、C定子绕组、D定子绕组，所有A定子绕组依次顺向串联组成第一串联电路，所有B定子绕组依次顺向串联组成第二串联电路，所有C定子绕组依次顺向串联组成第三串联电路，所有D定子绕组依次顺向串联组成第四串联电路。

定子绕组具有线圈起始端和线圈终止端，按顺时针方向将所有A定子绕组依次编号为1，2，3……n，1≤i≤n-1，将编号为i的A定子绕组的线圈终止端与编号为i+1的A定子绕组的线圈起始端相连，串联组成第一串联电路。同理，分别对B定子绕组、C定子绕组、D定子绕组进行连接，得到第二串联电路、第三串联电路、第四串联电路。

因为相邻定子绕组的电流相位差为90°，则间隔一个位置的两个定子绕组(如：A定子绕组和C定子绕组，B定子绕组和D定子绕组)的相位差为O°或180°，将间隔一个位置的两个定子绕组结合成一个磁极对，有多种方法可以做到这一点。

作为优选，所有定子绕组的绕线方向一致，所述第一串联电路与第三串联电路反向并联组成第一并联电路，所述第二串联电路与第四串联电路反向并联组成第二并联电路。

将第一串联电路中编号为1的A定子绕组的线圈起始端与第三串联电路中编号为n的C定子绕组的线圈终止端相连，将第一串联电路中编号为n的A定子绕组的线圈终止端与第三串联电路中编号为1的C定子绕组的线圈起始端相连，组成第一并联电路。将第二串联电路中编号为1的B定子绕组的线圈起始端与第四串联电路中编号为n的D定子绕组的线圈终止端相连，将第二串联电路中编号为n的B定子绕组的线圈终止端与第四串联电路中编号为1的D定子绕组的线圈起始端相连，组成第二并联电路。

第一串联电路、第三串联电路反向并联为第一并联电路后，可以共用电子调速器的同一个控制回路，由于A定子绕组、C定子绕组中的电流方向相反且绕线方向一致，A定子绕组与C定子绕组的电流相位差为180°，同一时间电磁极性正好相反；第二串联电路、第四串联电路反向并联为第二并联电路后，可以共用电子调速器的同一个控制回路，由于B定子绕组、D定子绕组中的电流方向相反且绕线方向一致，B定子绕组与D定子绕组的电流相位差为180°，同一时间电磁极性正好相反。

作为优选，所述一种转矩稳定的两相无刷直流电机还包括电子调速器，所述第一并联电路的两端分别与电子调速器的第一输入端、第一输出端电连接，所述第二并联电路的两端分别与电子调速器的第二输入端、第二输出端电连接。

作为优选，所述A定子绕组与B定子绕组的绕线方向一致，所述C定子绕组与D定子绕组的绕线方向一致，所述A定子绕组与C定子绕组的绕线方向相反，所述B定子绕组与D定子绕组的绕线方向相反，所述第一串联电路与第三串联电路顺向串联组成第五串联电路，所述第二串联电路与第四串联电路顺向串联组成第六串联电路。

第一串联电路、第三串联电路顺向串联成第五串联电路后，可以共用电子调速器的同一个控制回路，由于A定子绕组、C定子绕组的绕线方向相反且电流方向一致，A定子绕组与C定子绕组在同一时间电磁极性正好相反；第二串联电路、第四串联电路顺向串联成第六串联电路后，可以共用电子调速器的同一个控制回路，由于B定子绕组、D定子绕组的绕线方向相反且电流方向一致，B定子绕组与D定子绕组在同一时间电磁极性正好相反。

作为优选，所述一种转矩稳定的两相无刷直流电机还包括电子调速器，所述第五串联电路的两端分别与电子调速器的第一输入端、第一输出端电连接，所述第六串联电路的两端分别与电子调速器的第二输入端、第二输出端电连接。

作为优选，所述定子铁芯上设有用于检测转子位置的检测组件，所述检测组件包括沿圆周方向设置的两个以上霍尔传感器。

作为优选，每组定子绕组中相邻定子绕组的电流相位差为90°。定子绕组中通入的控制电流为正弦波或方波。

本实用新型的有益效果是：定子绕组的利用效率高，降低了无刷直流电机的重量，提高了功重比，且转矩脉动小，适合连续动力输出的应用场景。

附图说明

图1是实施例1的结构示意图；

图2是实施例1的各个定子绕组的电流波形图；

图3是实施例2的结构示意图；

图4是实施例2的举例结构示意图。

图中：1、定子铁芯，2、定子绕组，3、转子铁芯，4、永磁极。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：本实施例的一种转矩稳定的两相无刷直流电机，如图1所示，包括定子和转子，定子包括定子铁芯1以及环绕于定子铁芯1上的4*n个定子绕组2，4*n个定子绕组2围成圆形且沿圆形等间距设置，转子包括转子铁芯3以及环绕于转子铁芯3上的6*n个永磁极4，n为正整数，6*n个永磁极4围成圆形且沿圆形等间距设置，相邻永磁极4的极性相反。

转子铁芯3设置在定子铁芯1内侧，永磁极4设置在转子铁芯3的外侧壁上，定子绕组2设置在定子铁芯1的内侧壁上，定子铁芯3上设有用于检测转子位置的检测组件，检测组件包括沿圆周方向设置的两个以上霍尔传感器。

在本方案中，转子在定子内侧构成内转子无刷直流电机，每4个依次相邻的定子绕组构成一组，电子调速器控制每组定子绕组中相邻定子绕组的电流相位差为90°，控制电流的理想波形为正弦波，考虑到成本因素方波(梯形波)亦可，永磁极按N-S极性交错排列，结合定子绕组数量和永磁极数量之比为4∶6这样的特定组合，当其中一个定子绕组产生的转矩减小时，相邻的定子绕组产生的转矩增加，反之亦然，任意相邻的两个定子绕组产生的转矩处于互补的工作状态，从而产生稳定的转矩输出，解决了其他两相无刷直流电机转矩脉动大的技术问题，适合连续动力输出的应用场景。

以4个定子绕组、6个永磁极构成的两相无刷直流电机为例，如图1所示，4个定子绕组按顺时针方向依次记为A定子绕组、B定子绕组、C定子绕组、D定子绕组，4个定子绕组的绕线方向一致，图1是两相无刷直流电机在t时刻的状态，4个定子绕组的电流如图2所示，相邻定子绕组的电流相位差为90°，A定子绕组与C定子绕组的电流相位差为180°，B定子绕组与D定子绕组的电流相位差为180°，在t时刻，A定子绕组、C定子绕组的电流达到最大值且A定子绕组、C定子绕组分别处在两个永磁极的中间位置，对转矩的贡献最大，B定子绕组、D定子绕组的电流正好为O且B定子绕组、D定子绕组分别面对一个永磁极，对转矩的贡献为零，当转子继续转动时，A定子绕组、C定子绕组对转矩的贡献逐渐减少，B定子绕组、D定子绕组对转矩的贡献逐渐增加，当B定子绕组、D定子绕组对转矩的贡献达到最大时，A定子绕组、C定子绕组对转矩的贡献刚好减少到零，相邻两个定子绕组产生的转矩处于互补的工作状态，减小了转矩脉动，从而产生稳定的转矩输出。

本方案中定子绕组数量和永磁极数量之比为4：6，相比于传统三相无刷直流电机降低了定子绕组数量，本方案中的定子绕组在任一时间都处于正常工作状态，定子绕组的工作效率提高了50％。本方案中使用的定子绕组数量只有传统三相无刷直流电机的三分之二，虽然相应增加了永磁极的数量，但是永磁极的重量比定子绕组的重量轻得多，所以降低了无刷直流电机的重量，提高了功重比。

定子绕组的接线方式有如下两种：

方式(1)：

4*n个定子绕组2划分为n组，每组定子绕组包括4个依次相邻的定子绕组，4个依次相邻的定子绕组2按顺时针方向依次记为A定子绕组、B定子绕组、C定子绕组、D定子绕组，所有A定子绕组依次顺向串联组成第一串联电路，所有B定子绕组依次顺向串联组成第二串联电路，所有C定子绕组依次顺向串联组成第三串联电路，所有D定子绕组依次顺向串联组成第四串联电路，所有定子绕组的绕线方向一致，第一串联电路与第三串联电路反向并联组成第一并联电路，第二串联电路与第四串联电路反向并联组成第二并联电路；

一种转矩稳定的两相无刷直流电机还包括电子调速器，第一并联电路的两端分别与电子调速器的第一输入端、第一输出端电连接，第二并联电路的两端分别与电子调速器的第二输入端、第二输出端电连接。

定子绕组具有线圈起始端和线圈终止端，按顺时针方向将所有A定子绕组依次编号为1，2，3……n，1≤i≤n-1，将编号为i的A定子绕组的线圈终止端与编号为i+1的A定子绕组的线圈起始端相连，串联组成第一串联电路。同理，分别对B定子绕组、C定子绕组、D定子绕组进行连接，得到第二串联电路、第三串联电路、第四串联电路。

将第一串联电路中编号为1的A定子绕组的线圈起始端与第三串联电路中编号为n的C定子绕组的线圈终止端相连，将第一串联电路中编号为n的A定子绕组的线圈终止端与第三串联电路中编号为1的C定子绕组的线圈起始端相连，组成第一并联电路。将第二串联电路中编号为1的B定子绕组的线圈起始端与第四串联电路中编号为n的D定子绕组的线圈终止端相连，将第二串联电路中编号为n的B定子绕组的线圈终止端与第四串联电路中编号为1的D定子绕组的线圈起始端相连，组成第二并联电路。

第一串联电路、第三串联电路反向并联为第一并联电路后，可以共用电子调速器的同一个控制回路，由于A定子绕组、C定子绕组中的电流方向相反且绕线方向一致，A定子绕组与C定子绕组的电流相位差为180°，同一时间电磁极性正好相反；第二串联电路、第四串联电路反向并联为第二并联电路后，可以共用电子调速器的同一个控制回路，由于B定子绕组、D定子绕组中的电流方向相反且绕线方向一致，B定子绕组与D定子绕组的电流相位差为180°，同一时间电磁极性正好相反。

方式(2)：

4*n个定子绕组2划分为n组，每组定子绕组包括4个依次相邻的定子绕组，4个依次相邻的定子绕组2按顺时针方向依次记为A定子绕组、B定子绕组、C定子绕组、D定子绕组，所有A定子绕组依次顺向串联组成第一串联电路，所有B定子绕组依次顺向串联组成第二串联电路，所有C定子绕组依次顺向串联组成第三串联电路，所有D定子绕组依次顺向串联组成第四串联电路，A定子绕组与B定子绕组的绕线方向一致，C定子绕组与D定子绕组的绕线方向一致，A定子绕组与C定子绕组的绕线方向相反，B定子绕组与D定子绕组的绕线方向相反，第一串联电路与第三串联电路顺向串联组成第五串联电路，所述第二串联电路与第四串联电路顺向串联组成第六串联电路；

一种转矩稳定的两相无刷直流电机还包括电子调速器，第五串联电路的两端分别与电子调速器的第一输入端、第一输出端电连接，第六串联电路的两端分别与电子调速器的第二输入端、第二输出端电连接。

定子绕组具有线圈起始端和线圈终止端，按顺时针方向将所有A定子绕组依次编号为1，2，3……n，1≤i≤n-1，将编号为i的A定子绕组的线圈终止端与编号为i+1的A定子绕组的线圈起始端相连，串联组成第一串联电路。同理，分别对B定子绕组、C定子绕组、D定子绕组进行连接，得到第二串联电路、第三串联电路、第四串联电路。

将第一串联电路中编号为n的A定子绕组的线圈终止端与第三串联电路中编号为1的C定子绕组的线圈起始端相连，组成第五串联电路，将第二串联电路中编号为n的B定子绕组的线圈终止端与第四串联电路中编号为1的D定子绕组的线圈起始端相连，组成第六串联电路。

第一串联电路、第三串联电路顺向串联成第五串联电路后，可以共用电子调速器的同一个控制回路，由于A定子绕组、C定子绕组的绕线方向相反且电流方向一致，A定子绕组与C定子绕组在同一时间电磁极性正好相反；第二串联电路、第四串联电路顺向串联成第六串联电路后，可以共用电子调速器的同一个控制回路，由于B定子绕组、D定子绕组的绕线方向相反且电流方向一致，B定子绕组与D定子绕组在同一时间电磁极性正好相反。

4个定子绕组、6个永磁极组成的两相无刷直流电机只是一种最基本的组合，在实际使用中，可根据需求等比例扩展，演化出定子绕组与永磁极数量比为4：6的组合，如8：12、12：18、16：24等等一系列产品，以适应不同要求的应用场合。

实施例2：本实施例的结构与实施例1基本相同，不同之处在于，如图3所示，定子铁芯1设置在转子铁芯3内侧，定子绕组2设置在定子铁芯3的外侧壁上，永磁极4设置在转子铁芯3的内侧壁上。

在本方案中，转子在定子外侧构成外转子无刷直流电机。

以28个定子绕组、42个永磁极构成的两相无刷直流电机为例，定子如图4所示，28个定子绕组划分为7组，每组定子绕组包括4个依次相邻的定子绕组，4个依次相邻的定子绕组按顺时针方向依次记为A定子绕组、B定子绕组、C定子绕组、D定子绕组，由42个永磁极组成的转子可直接采用现有的三相无刷直流电机的转子，节省开发成本。

Claims (10)

1.一种转矩稳定的两相无刷直流电机，包括定子和转子，其特征在于，所述定子包括定子铁芯(1)以及环绕于定子铁芯(1)上的4*n个定子绕组(2)，所述转子包括转子铁芯(3)以及环绕于转子铁芯上的6*n个永磁极(4)，n为正整数，所述相邻永磁极(4)的极性相反。

2.根据权利要求1所述的一种转矩稳定的两相无刷直流电机，其特征在于，所述4*n个定子绕组(2)围成圆形且沿圆形等间距设置，所述6*n个永磁极(4)围成圆形且沿圆形等间距设置。

3.根据权利要求1所述的一种转矩稳定的两相无刷直流电机，其特征在于，所述转子铁芯(3)设置在定子铁芯(1)内侧，所述永磁极(4)设置在转子铁芯(3)的外侧壁上，所述定子绕组(2)设置在定子铁芯(1)的内侧壁上；或者，所述定子铁芯(1)设置在转子铁芯(3)内侧，所述定子绕组(2)设置在定子铁芯(1)的外侧壁上，所述永磁极(4)设置在转子铁芯(3)的内侧壁上。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种转矩稳定的两相无刷直流电机，其特征在于，所述4*n个定子绕组(2)划分为n组，每组定子绕组包括4个依次相邻的定子绕组，所述4个依次相邻的定子绕组按顺时针方向依次记为A定子绕组、B定子绕组、C定子绕组、D定子绕组，所有A定子绕组依次顺向串联组成第一串联电路，所有B定子绕组依次顺向串联组成第二串联电路，所有C定子绕组依次顺向串联组成第三串联电路，所有D定子绕组依次顺向串联组成第四串联电路。

5.根据权利要求4所述的一种转矩稳定的两相无刷直流电机，其特征在于，所有定子绕组(2)的绕线方向一致，所述第一串联电路与第三串联电路反向并联组成第一并联电路，所述第二串联电路与第四串联电路反向并联组成第二并联电路。

6.根据权利要求5所述的一种转矩稳定的两相无刷直流电机，其特征在于，还包括电子调速器，所述第一并联电路的两端分别与电子调速器的第一输入端、第一输出端电连接，所述第二并联电路的两端分别与电子调速器的第二输入端、第二输出端电连接。

7.根据权利要求4所述的一种转矩稳定的两相无刷直流电机，其特征在于，所述A定子绕组与B定子绕组的绕线方向一致，所述C定子绕组与D定子绕组的绕线方向一致，所述A定子绕组与C定子绕组的绕线方向相反，所述B定子绕组与D定子绕组的绕线方向相反，所述第一串联电路与第三串联电路顺向串联组成第五串联电路，所述第二串联电路与第四串联电路顺向串联组成第六串联电路。

8.根据权利要求7所述的一种转矩稳定的两相无刷直流电机，其特征在于，还包括电子调速器，所述第五串联电路的两端分别与电子调速器的第一输入端、第一输出端电连接，所述第六串联电路的两端分别与电子调速器的第二输入端、第二输出端电连接。

9.根据权利要求1或2或3所述的一种转矩稳定的两相无刷直流电机，其特征在于，所述定子铁芯(1)上设有用于检测转子位置的检测组件，所述检测组件包括沿圆周方向设置的两个以上霍尔传感器。

10.根据权利要求4所述的一种转矩稳定的两相无刷直流电机，其特征在于，每组定子绕组中相邻定子绕组的电流相位差为90°。