專利名稱：高磁密永磁無刷電動機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬一種具有高磁通密度磁路的永磁無刷電動機，包括有槽和無槽的永磁無刷電動機。
隨著半導(dǎo)體器件、計算技術(shù)和釹鐵硼永磁材料的長足進展，永磁電機已廣泛用于自動控制系統(tǒng)中。作為快速響應(yīng)的驅(qū)動元件，永磁電機的大功率化、智能化和小型輕量化是主要發(fā)展方向。圖1為現(xiàn)有技術(shù)中的幾種電機剖面結(jié)構(gòu)示意圖，圖1-1為無極靴永磁有槽無刷電動機，這種結(jié)構(gòu)磁極無聚磁效應(yīng)，氣隙磁密較低，出力也較低，圖1-2是有極靴結(jié)構(gòu)，該轉(zhuǎn)子每極由兩塊切向磁鋼和夾在磁鋼中間的極靴組成，可提高氣隙磁密和電機出力，但由于氣隙磁密的增加會引起定子齒磁路飽和，因此不得不把定子齒加寬，而定子齒加寬又會導(dǎo)致定子槽的變窄，繞組容量減少，降低電機出力。圖1-3是一種無槽結(jié)構(gòu)的無刷電動機，這種結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點是定子鐵芯不易飽合，但由于其定子繞組貼在定子鐵芯的內(nèi)表面，對磁路而言，定子與轉(zhuǎn)子之間的“磁路”氣隙除空氣氣隙4外，還要包括定子繞組所占的空間，所以貼在鐵心內(nèi)表面的定子繞組會導(dǎo)致磁路氣隙過大，使轉(zhuǎn)子磁極產(chǎn)生的氣隙磁密過低，降低出力和快速響應(yīng)，因而使無槽結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢不能得以充分發(fā)揮。提高氣隙磁密是電動機獲得良好的動態(tài)特性，提高出力和實現(xiàn)小型輕量化的有效途徑，而提高氣隙磁密主要有三種方法①、提高磁鋼磁密；②、增加磁鋼鋼截面積；③、減小漏磁通。目前傳統(tǒng)作法多數(shù)是不改變結(jié)構(gòu)，用優(yōu)質(zhì)磁性材料來提高氣隙磁密，這樣就導(dǎo)致了電機成本的大幅提高，影響了其大規(guī)模的推廣應(yīng)用。
本發(fā)明旨在克服上述缺陷，提供一種具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、工作可靠、氣隙磁通密度高的永磁無刷電動機，特別是包括無槽結(jié)構(gòu)的永磁無刷電動機。
實現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案是本發(fā)明在機殼內(nèi)設(shè)置的定子部分包括定子鐵芯(1)，定子繞組(2)，轉(zhuǎn)子部分包括主軸(6)和固定在其上的主磁極(5)，轉(zhuǎn)子主磁極與定子之間設(shè)有徑氣隙(4)，其特征在于在所述轉(zhuǎn)子圓周向的相鄰主磁極之間，或主磁極內(nèi)部設(shè)有磁通方向與主磁極磁通方向不相同、呈一夾角、并對主磁極有向氣隙方向聚磁作用的輔助磁極(3)。
上面所述的聚磁就是與主磁極方向呈一角度的輔助磁極的磁通與主磁極的磁通一起向主磁極所對的氣隙方向收縮，本發(fā)明采用輔助磁極可同時實現(xiàn)磁鋼截面積的增加和漏磁的減少，輔助磁極不僅可以頂?shù)舸艠O間的漏磁通，使漏磁通變?yōu)橹鞔磐?，同時自身還產(chǎn)生主磁通，因此，使以不同角度通過主、輔磁極的磁通同時擠向氣隙(4)，這種很強的聚磁效應(yīng)可以使氣隙磁通密度大增。
本發(fā)明能有效地增加定子與轉(zhuǎn)子之間氣隙的磁通密度，提高出力和快速響應(yīng)，克服了永磁無刷無槽電機鐵芯內(nèi)表面繞組所造成電機電氣氣隙過大，氣隙磁密過低影響電機性能的缺陷，從而能夠使無槽電動機轉(zhuǎn)矩波動小、線性度高、熱時間常數(shù)大、電感小等優(yōu)勢得以充分發(fā)揮，而且本發(fā)明的磁路結(jié)構(gòu)同樣能有效地適用于有槽的永磁交直流電機。本發(fā)明性能好，結(jié)構(gòu)簡單，造價低，體積小，重量輕，工作可靠，便于大規(guī)模推廣應(yīng)用。


圖1、現(xiàn)有技術(shù)中的幾種電動機結(jié)構(gòu)示意圖1-1、現(xiàn)有無極靴的永磁無刷有槽電機結(jié)構(gòu)示意圖1-2、現(xiàn)有有極靴的永磁無刷有槽電機結(jié)構(gòu)示意圖1-3、現(xiàn)有永磁無刷無槽電機結(jié)構(gòu)示意圖1-定子鐵芯 2-定子繞組3-定子齒4-氣隙5-主磁極 6-主軸7-定子槽8-極靴圖2、本發(fā)明實施例1無極靴永磁無刷無槽電機剖面結(jié)構(gòu)示意圖9-輔助磁極圖3、本發(fā)明實施例2有極靴永磁無刷無槽電機剖面結(jié)構(gòu)示意4、本發(fā)明實施例3有極靴永磁無刷無槽電機剖面結(jié)構(gòu)示意5、帶有輔助磁極9的實施例3與其不帶輔助磁極時的功率電流曲線對比圖A—實施例3帶輔助極的(4極2P＝4)有極靴永磁無刷無槽電機的曲線B—不帶輔助極的(12極2P＝12)有極靴永磁無槽無刷電機的曲線。
K—電機運行點M—電機額定電流(6.62A)N—電機額定功率(51W)圖6、本發(fā)明實施例4拼塊結(jié)構(gòu)的無極靴永磁無刷無槽電機剖面結(jié)構(gòu)示意7、本發(fā)明實施例5拼塊結(jié)構(gòu)的無極靴永磁無刷無槽電機剖面結(jié)構(gòu)示意8、現(xiàn)有技術(shù)每極為單塊徑向磁鋼的無極靴永磁無刷無槽電機剖面結(jié)構(gòu)示意9、實施例4與實施例5同圖8所示電機的空載氣隙磁場波形對比圖Br—磁鋼剩磁密度曲線a—對應(yīng)圖8所示電機的曲線曲線b—對應(yīng)圖6所示本發(fā)明實施例4電機的曲線曲線c—對應(yīng)圖7所示本發(fā)明實施例5電機的曲線實施例1(見圖2)本例為無極靴永磁無刷無槽電動機，定子鐵芯1為圓筒形，定子繞組2均勻地粘貼在其內(nèi)表面上，轉(zhuǎn)子部分包括套有轉(zhuǎn)子軛的主軸6(圖中未示轉(zhuǎn)子軛)，轉(zhuǎn)子上固定的主磁極5是凸極，由徑向磁鋼組成，定子與轉(zhuǎn)子之間設(shè)有徑向氣隙4，在轉(zhuǎn)子圓周向的相鄰主磁極5之間設(shè)有貼在相鄰兩主磁極側(cè)面的切向磁鋼的輔助磁極9。
本例若不設(shè)輔助磁極9，相鄰主磁極間將存在較大的漏磁通，并且所有主磁通都要通過轉(zhuǎn)子主軸軛部，為避免軛部飽和，就要增加其截面積，使電機體積重量增加。增加輔助磁極后，輔助磁極的切向磁通不但頂?shù)袅讼噜徶鞔艠O間的漏磁通，并使漏磁通變?yōu)橹鞔磐?，同時自身還產(chǎn)生主磁通，這樣，分別以徑向和切向不同方向通過主磁極和輔助磁極的磁通即會同時擠向氣隙4，使氣隙磁密顯著增加，此外，由于輔助磁極的切向磁通存在，使部分主磁通經(jīng)輔助磁極而閉合，減少了經(jīng)過轉(zhuǎn)子軛部的磁通，使軛部不易飽和，其體積、重量可減小，這種凸隱極的混合式磁路結(jié)構(gòu)，能有效地克服永磁無刷無槽電機電氣氣隙過大，氣隙磁密過低影響電機性能的缺陷(對有槽電機同樣有效)。
實施例2(圖3)本例是有極靴永磁無刷無槽電機，本例的主磁極5是由相鄰兩塊切向磁鋼及兩磁鋼端頭之間的高導(dǎo)磁軟鋼極靴8組成，在所述相鄰兩塊切向磁鋼側(cè)壁之間嵌有徑向磁鋼的輔助磁極9，工作原理與實施例1基本相同。本例這種凸隱極組合，每極沿充磁方向的兩塊切向(磁鋼)，一塊徑向(輔助磁極)磁鋼表面發(fā)出的磁通同時通過極靴8擠向氣隙4，具有更高的聚磁作用，其氣隙磁密的提高幅度比實施例1更顯著。
實施例3(圖4)本例與實施例2結(jié)構(gòu)基本相同，只是所述組成主磁極5的相鄰兩塊切向磁鋼橫截面為內(nèi)小外大的梯形，極靴8嵌在兩磁鋼端頭部位的側(cè)壁之間，輔助磁極9嵌在兩磁鋼靠近主軸部位的兩側(cè)壁之間。
圖5為功率—電流曲線P＝f(I)。A為本例帶輔助磁極的(4極2P＝4)有極靴永磁無刷無槽電機的曲線，B為不帶輔助磁極的(12極2p＝12)有極靴永磁無槽無刷電機的曲線。由該圖可看出本例帶輔肋磁極的4極電機可達到不帶輔助極的12極電機同樣的功率(K點)，因此，采用本發(fā)明輔助磁極“聚磁”的途徑提高氣隙磁密，比現(xiàn)有技術(shù)增加極數(shù)(增加磁鋼用量)的途徑更有效，更經(jīng)濟，結(jié)構(gòu)更簡單。
實施例4(圖6)及實施例5(圖7)實施例4和實施例5是本發(fā)明無極靴拼塊結(jié)構(gòu)的永磁無刷無槽電動機，其每一磁極是由瓦形的主磁極5同兩側(cè)與主磁極取向不同、呈一夾角且對稱于主磁極瓦形極截面中線，對主磁極有向氣隙方向聚磁作用的瓦形輔助磁極9拼接而成。
圖6所示實施例4的主磁極5是一塊徑向的瓦形磁鋼，圖7所示實施例5的主磁極5是由兩塊取向不同且對稱的瓦形磁鋼拼接成的瓦形極，其左右兩側(cè)對稱設(shè)置的瓦形輔助極9取向與主磁極不相同且對稱于主磁極截面中線。
本例不但能提高氣隙磁密，還能改善氣隙磁場波形，改善電機運行性能。
需要說明的是本發(fā)明拼塊結(jié)構(gòu)的相鄰磁極之間沒有空隙，其相鄰磁極的輔助極是貼在一起的，當(dāng)去掉輔助極時，就需要填補空隙重新排列成圖8所示的無空隙結(jié)構(gòu)。而實施例1～3所示結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子在去掉輔肋極后，主磁極依然為獨立的磁極。
圖9是實施例4與實施例5同圖8所示每極為單塊徑向磁鋼的無極靴永磁無刷無槽電機的空載氣隙磁場波形對比圖，從該圖可看出對應(yīng)圖8的電機曲線a氣隙峰值磁密低于Br，無聚磁效應(yīng)，曲線呈矩形波；曲線b對應(yīng)圖6帶輔助磁極的實施例4，曲線呈梯形波(減小電機力矩波動)，且氣隙峰值磁密高于Br，有聚磁作用，提高了電機出力和快速響應(yīng)；曲線c對應(yīng)圖7帶輔助磁極的實施例5，曲線呈正弦波(顯著減小電機力矩波動)，且氣隙峰值磁密更高，有效地改善了電機的運行性能和提高出力。
前述實施例4、5拼塊結(jié)構(gòu)的永磁無刷無槽電機可使一部分主磁通通過輔助磁極閉路，不再經(jīng)轉(zhuǎn)子軛部，使軛部不易飽和，從而可減少轉(zhuǎn)子軛部的體積和重量。
權(quán)利要求
1.高磁密永磁無刷電動機，其機殼內(nèi)設(shè)置的定子部分包括定子鐵芯(1)，定子繞組(2)，轉(zhuǎn)子部分包括主軸(6)和固定在其上的主磁極(5)，轉(zhuǎn)子主磁極與定子之間設(shè)有徑氣隙(4)，其特征在于在所述轉(zhuǎn)子圓周向的相鄰主磁極之間，或主磁極內(nèi)部設(shè)有磁通方向與主磁極磁通方向不相同、呈一夾角、并對主磁極有向氣隙方向聚磁作用的輔助磁極(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動機，其特征在于所述的主磁極(5)是凸極，由徑向磁鋼組成，在轉(zhuǎn)子圓周向的相鄰主磁極(5)之間設(shè)有貼在相鄰兩主磁極側(cè)面的切向磁鋼的輔助磁極(9)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動機，其特征在于所述主磁極(5)是由相鄰兩塊切向磁鋼及兩磁鋼端頭之間的高導(dǎo)磁軟鋼極靴(8)組成，在所述相鄰兩塊切向磁鋼側(cè)壁之間嵌有徑向磁鋼的輔助磁極(9)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動機，其特征在于所述轉(zhuǎn)子的每一磁極是由瓦形的主磁極(5)同兩側(cè)與主磁極取向不同、呈一夾角且對稱于主磁極瓦形極截面中線，對主磁極有向氣隙方向聚磁作用的瓦形輔助磁極(9)拼接而成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電動機，其特征在于所述主磁極(5)是由兩塊取向不同且對稱的瓦形磁鋼拼接成的瓦形極，其左右兩側(cè)對稱設(shè)置的瓦形輔助磁極(9)取向與主磁極不相同且對稱于主磁極截面中線。
全文摘要
高磁密永磁無刷電動機,現(xiàn)有電機多用優(yōu)質(zhì)磁鋼提高氣隙磁密,造成電機成本的大幅增加。本電機在轉(zhuǎn)子圓周向的相鄰主磁極之間或主磁極內(nèi)部設(shè)有磁通方向與主磁極磁通方向不相同、呈一夾角、并對主磁極有向氣隙方向聚磁作用的輔助磁極,該輔助磁極可使氣隙磁通密度大幅增加,提高電機出力和快速響應(yīng),結(jié)構(gòu)簡單,成本低,工作可靠,特別是用于無槽電機時可使其無槽優(yōu)勢得以充分發(fā)揮。
文檔編號H02K1/27GK1255761SQ9912465
公開日2000年6月7日 申請日期1999年12月22日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月22日
發(fā)明者林德芳 申請人:南海匯泉科技工業(yè)園有限公司