CN103401331B - 多旋翼无人飞行器用盘型多磁极永磁电动机 - Google Patents

多旋翼无人飞行器用盘型多磁极永磁电动机 Download PDF

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Abstract

多旋翼无人飞行器用盘型多磁极永磁电动机，属于电动机和无人飞行器动力装置领域，解决了齿槽电机齿槽效应和定位力矩大、气隙磁场波形不平滑均匀的问题，包括上轴承盖，与上轴承盖间隙配合的转子轭；以N、S极或N、N、S、S极间隔粘接在转子轭内壁上的多个永磁体；与转子轭过盈配合或一体化加工的下轴承盖；安装在下轴承盖上的支撑轴；过盈配合安装在支撑轴上的上下轴承，上下轴承盖压紧上下轴承外圈，支撑轴的两个台阶顶住上下轴承内圈；与支撑轴一体化加工或分体机械式连接的定子轭；安装在定子轭上的定子铁芯；缠在定子齿上的绕组，定子齿与永磁体之间存在不等距气隙。本发明工作效率高，气隙波形接近正弦波，绕组电流密度小。

Description

多旋翼无人飞行器用盘型多磁极永磁电动机
技术领域
本发明涉及电动机和无人飞行器动力装置技术领域，具体涉及一种多旋翼无人飞行器用盘型多磁极永磁电动机。
背景技术
目前小型多旋翼无人飞行器（UAV）的动力装置多以电动机驱动螺旋桨为主，如德国Microdrone公司、美国Draganfly公司、国内Xaircraft系列产品。
多旋翼无人飞行器通过调节电动机的端电压使其频繁的加减速变化，驱动旋翼产生所需的升力和扭矩，完成飞行器姿态的变化。目前，多旋翼无人飞行器用电动机多采用齿槽结构电机，这种电机的齿槽效应和定位力矩较大，导致空载电流和工作电流相应增大，电机效率下降，飞行器续航时间减小，另外，齿槽结构电机气隙磁场波形的不平滑和不均匀，使电动机稳态工作时存在转速波动，较大的转速波动会导致飞行器悬停时出现抖动、飞行器控制频率加大、能量损耗增加等问题，另外，由于多旋翼无人飞行器用电动机质量和体积的限制，电动机的绕组往往处于大电流密度的工作模式下，严重影响电动机的使用寿命。因此，迫切需要研制出一种具有正弦波气隙波形的理想形式的永磁电动机。
发明内容
为了解决现有齿槽结构电机存在的齿槽效应和定位力矩较大、气隙磁场波形不平滑和不均匀的问题，本发明提供一种工作效率高、气隙波形接近正弦波、绕组电流密度小的多旋翼无人飞行器用盘型多磁极永磁电动机。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
多旋翼无人飞行器用盘型多磁极永磁电动机，包括：
上轴承盖；
与所述上轴承盖通过间隙配合固定的转子轭；
粘接在所述转子轭内壁上的永磁体，多个永磁体以N、S极或N、N、S、S极间隔设置；
与所述转子轭通过过盈配合固定或一体化加工成型的下轴承盖；
安装在所述下轴承盖中心通孔内的支撑轴；
均通过过盈配合安装在所述支撑轴上的上轴承和下轴承，所述上轴承盖通过其内侧中心的圆环结构与弹性垫圈压紧上轴承外圈，所述下轴承盖通过其内侧中心的圆环结构压紧下轴承外圈，所述支撑轴的两个台阶分别顶住上轴承内圈和下轴承内圈；
与所述支撑轴通过一体化加工成型或分体机械式连接加工的定子轭；
位于所述永磁体与定子轭之间并安装在定子轭上的定子铁芯；
缠绕在所述定子铁芯的定子齿上的绕组，所述定子铁芯的定子齿与永磁体之间存在不等距气隙。
所述上轴承盖和下轴承盖均为弯曲辐条式结构，弯曲方向与旋转方向相反，所述上轴承盖和下轴承盖的内侧边缘圆周上均设置有向内凸起的台阶，所述上轴承盖的台阶和所述下轴承盖的台阶分别与所述永磁体的上端面和下端面接触。
所述上轴承盖和下轴承盖均采用铝合金、镁合金、钛合金、碳纤维、高强度塑料、不锈钢或低碳钢制成。
所述转子轭采用导磁材料制成。
所述永磁体上的一组对立的侧面均为圆弧面，另一组对立的侧面均为平面，平面与圆弧面的交汇处均具有圆角特征，所述永磁体上与转子轭粘结的圆弧面的圆弧半径等于转子轭的内圆半径，所述永磁体采用钕铁硼或铁氧体材料制成。
所述上轴承和下轴承均为深沟球轴承或角接触球轴承。
所述定子轭为工字梁的辐条式结构，所述定子轭和支撑轴均采用铝合金、钛合金或镁合金制成。
所述永磁体面对气隙的圆弧面的圆弧半径满足气隙最大间隙δ2与气隙最小间隙δ1比值范围为1.4～2.2。
所述定子铁芯面对气隙的圆周面为圆形面，所述定子铁芯外径与定子铁芯轴向长度比值范围为6～13，所述定子铁芯齿数与该永磁电动机的转子磁极数的比值为3∶4。
该永磁电动机为低KV值电机，KV值范围为70～500转/分/伏，该永磁电动机的转子磁极数与定子磁极数之比为1、2、4或6。
本发明的有益效果如下：
1、本发明通过永磁体和定子铁芯的结构设计，使永磁电动机具有不等距气隙，可产生近似正弦波的气隙磁通密度，减小其齿槽效应和定位力矩，提高电动机工作效率；
2、本发明的永磁电动机的转子磁极数与定子铁芯齿数的比值是4:3，绕组系数是0.866，基波齿槽转矩系数是72，可减小其齿槽转矩和转矩波动，提高电动机工作效率；
3、本发明的永磁电动机的磁极数和齿数增多，可减小其定位力矩和电磁噪声，提高电动机工作效率；
4、本发明中的上轴承盖、下轴承盖是弯曲辐条结构，可有效引导旋翼尾流，增大永磁电动机的空气流动性，提高散热效果，对于处在大电流工作模式下的飞行器用电动机，可延长其使用寿命；
5、本发明中的定子铁芯外径与定子铁芯轴向长度比值在6～13之间，永磁电动机的KV值在70～500转/分/伏之间，永磁电动机单位体积输出力矩大，工作电流减小，因此永磁电动机绕组的电流密度小，延长其使用寿命。
附图说明
图1为本发明的多旋翼无人飞行器用盘型多磁极永磁电动机的立体结构示意图；
图2为本发明的多旋翼无人飞行器用盘型多磁极永磁电动机沿直径方向的剖面图；
图3为下轴承盖的结构示意图；
图4为支撑轴、定子铁芯、定子轭之间的连接关系示意图；
图5为永磁体与定子铁芯上的定子齿之间形成的不等距气隙的示意图。
图中：1、上轴承盖，2、下轴承盖，3、转子轭、4、永磁体，5、支撑轴，6、定子铁芯，61、定子齿，7、定子轭，8、上轴承，9、下轴承，10、绕组，11、弹性垫圈。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图2所示，本发明的多旋翼无人飞行器用盘型多磁极永磁电动机，主要由上轴承盖1、下轴承盖2、转子轭3、永磁体4、支撑轴5、定子铁芯6，定子轭7、上轴承8、下轴承9、绕组10和弹性垫圈11组成，该永磁电动机磁路结构为：转子轭3-永磁体4-不等距气隙-定子铁芯6-不等距气隙-永磁体4-转子轭3。
如图1和图3所示，上轴承盖1与下轴承盖2均为弯曲辐条式结构，弯曲方向跟旋转方向相反，辐条个数根据永磁电动机的整体尺寸而定，至少为四个，上轴承盖1和下轴承盖2的内侧边缘圆周上均设置有向内凸起的台阶，上轴承盖1上的台阶与永磁体4上端面接触，下轴承盖2的台阶与永磁体4下端面接触，台阶用于永磁体4的轴向定位，上轴承盖1和下轴承盖2的内侧中间圆周上均设置有向内凸起的圆环结构，上轴承盖1上的圆环结构用于固定上轴承8，下轴承盖2上的圆环结构用于固定下轴承9，下轴承盖2的中心带有通孔，上轴承盖1和下轴承盖2均采用铝合金、镁合金、钛合金、碳纤维、高强度塑料、不锈钢或低碳钢等材料制成。
如图1所示，上轴承盖1与转子轭3采用间隙量较小的过渡配合并通过侧面均布的螺钉拧紧固定，本实施方式中采用6个或者8个沉头螺钉固定上轴承盖1与转子轭3，为了有利于上轴承盖1与转子轭3的安装，在设计安装时两者之间需要留有一定的间隙量，间隙量的范围可以通过过渡配合规定的公差等级来确定。
如图2所示，下轴承盖2与转子轭3采用两种不同材料过盈配合安装或者采用同一种材料一体化加工成型，当下轴承盖2与转子轭3采用两种不同材料过盈配合安装时，下轴承盖2采用铝合金、镁合金或者钛合金等；当下轴承盖2与转子轭3采用同一种材料一体化加工成型时，下轴承盖2采用不锈钢或者低碳钢等。
本实施方式中的转子轭3采用不锈钢、低碳钢等导磁材料制成。
本实施方式中的永磁体4采用钕铁硼或铁氧体材料制成，表面做电镀处理，为两面弧形结构，永磁体4的四个侧面中，两个对立的侧面均为圆弧面，另外两个对立的侧面均为平面，平面与圆弧面的交汇处均具有圆角特征，圆角半径根据永磁体4的尺寸而定，永磁体4的N、S极间隔设置在转子轭3周边，或者N、N、S、S极间隔设置在转子轭3周边，如图2所示，采用环氧树脂胶将永磁体4的一个圆弧面粘接在转子轭3的内壁上，因此，永磁体4上与转子轭3粘结的圆弧面的圆弧半径等于转子轭3的内圆半径。
如图2所示，上轴承盖1通过其上的圆环结构和弹性垫圈11压紧上轴承8外圈，下轴承盖2通过其上的圆环结构压紧下轴承9外圈，上轴承8和下轴承9分别为深沟球轴承或者角接触球轴承，深沟球轴承具有一定的轴向力，可减小电动机质量，角接触球轴承具有一定的轴向力和径向力，适合驱动产生较大升力的旋翼，上轴承8和下轴承9的个数分别为一个即可。
如图2和图4所示，支撑轴5为圆柱式结构，支撑轴5上端设置成中心带有大直径通孔的薄壁圆柱体，薄壁圆柱体外侧设置有向上和向下两组台阶，上轴承8和下轴承9均通过过盈配合安装到支撑轴5上，支撑轴5的上下两组台阶分别顶住上轴承8和下轴承9内圈，支撑轴5下端设置成中心带有小直径通孔的厚壁圆柱体，厚壁圆柱体安装在下轴承盖2的中心通孔内，厚壁圆柱体上设置有用于将永磁电动机安装在飞行器上的安装孔。
如图4所示，定子轭7为工字梁的辐条式结构，辐条个数根据支撑轴5的尺寸而定，至少为三个，保证结构强度基础上减轻永磁电动机质量，定子轭7与支撑轴5采用小型一体化加工成型或者采用大型分体机械式连接加工，后者更有利于减轻质量，定子轭7和支撑轴5均采用铝合金、钛合金或者镁合金等材料制成，当两者采用小型一体化加工成型，定子轭7和支撑轴5采用相同的材料制成，当两者采用大型分体机械式连接加工时，定子轭7和支撑轴5可以采用相同或者不同的材料制成。
如图2所示，定子铁芯6位于永磁体4与定子轭7之间，并安装在定子轭7上，绕组10缠绕在定子铁芯6的定子齿61上，采用四股并绕的星形缠绕方式或者三角形缠绕方式，可提高槽满率和工作效率，如图5所示，定子铁芯6的定子齿61与永磁体4之间存在气隙，气隙在圆周方向是不等距的，与永磁体4上与转子轭3粘结的圆弧面所对应的另一个圆弧面面对气隙，当永磁体4的几何中心线与定子齿61的几何中心线重合时，永磁体4面对气隙的圆弧面的圆弧半径满足气隙最大间隙δ2与气隙最小间隙δ1比值范围为1.4～2.2，如图5所示，气隙最大间隙δ2和气隙最小间隙δ1分别指的是在永磁体4面对气隙的圆弧面与定子齿61的圆形面互相面对的重叠曲面中，沿几何中心线方向两曲面最大距离AB和最小距离CD，定子铁芯6面对气隙的圆周面为圆形面，定子铁芯6外径与定子铁芯6轴向长度比值范围为6～13，转子磁极数与定子铁芯6齿数的比值为4:3，优选的，转子磁极数为48极而定子铁芯6齿数为36齿，优选的，转子磁极数为72极而定子铁芯6齿数为54齿，定子铁芯6采用0.35mm硅钢片叠压成36齿或者采用0.2mm硅钢片缠绕成54齿。
本发明的多旋翼无人飞行器用盘型多磁极永磁电动机为低KV值电机，KV值范围为70～500转/分/伏，转子磁极数与定子磁极数之比是整数，为1、2、4或6。
本实施方式中的永磁体4的个数根据转子磁极数与定子铁芯6齿数的比值以及设计时永磁电动机的性能要求来确定。

Claims (9)

1.多旋翼无人飞行器用盘型多磁极永磁电动机，其特征在于，包括：
上轴承盖(1)；
与所述上轴承盖(1)通过间隙配合固定的转子轭(3)；
粘接在所述转子轭(3)内壁上的永磁体(4)，多个永磁体(4)以N、S极或N、N、S、S极间隔设置；
与所述转子轭(3)通过过盈配合固定或一体化加工成型的下轴承盖(2)；
安装在所述下轴承盖(2)中心通孔内的支撑轴(5)；
均通过过盈配合安装在所述支撑轴(5)上的上轴承(8)和下轴承(9)，所述上轴承盖(1)通过其内侧中心的圆环结构与弹性垫圈(11)压紧上轴承(8)外圈，所述下轴承盖(2)通过其内侧中心的圆环结构压紧下轴承(9)外圈，所述支撑轴(5)的两个台阶分别顶住上轴承(8)内圈和下轴承(9)内圈；
与所述支撑轴(5)通过一体化加工成型或分体机械式连接加工的定子轭(7)；
位于所述永磁体(4)与定子轭(7)之间并安装在定子轭(7)上的定子铁芯(6)；
缠绕在所述定子铁芯(6)的定子齿(61)上的绕组(10)，所述定子铁芯(6)的定子齿(61)与永磁体(4)之间存在不等距气隙；
所述永磁体(4)上的一组对立的侧面均为圆弧面，另一组对立的侧面均为平面，平面与圆弧面的交汇处均具有圆角特征，所述永磁体(4)上与转子轭(3)粘结的圆弧面的圆弧半径等于转子轭(3)的内圆半径，所述永磁体(4)采用钕铁硼或铁氧体材料制成。
2.根据权利要求1所述的多旋翼无人飞行器用盘型多磁极永磁电动机，其特征在于，所述上轴承盖(1)和下轴承盖(2)均为弯曲辐条式结构，弯曲方向与旋转方向相反，所述上轴承盖(1)和下轴承盖(2)的内侧边缘圆周上均设置有向内凸起的台阶，所述上轴承盖(1)的台阶和所述下轴承盖(2)的台阶分别与所述永磁体(4)的上端面和下端面接触。
3.根据权利要求1所述的多旋翼无人飞行器用盘型多磁极永磁电动机，其特征在于，所述上轴承盖(1)和下轴承盖(2)均采用铝合金、镁合金、钛合金、碳纤维、高强度塑料、不锈钢或低碳钢制成。
4.根据权利要求1所述的多旋翼无人飞行器用盘型多磁极永磁电动机，其特征在于，所述转子轭(3)采用导磁材料制成。
5.根据权利要求1所述的多旋翼无人飞行器用盘型多磁极永磁电动机，其特征在于，所述上轴承(8)和下轴承(9)均为深沟球轴承或角接触球轴承。
6.根据权利要求1所述的多旋翼无人飞行器用盘型多磁极永磁电动机，其特征在于，所述定子轭(7)为工字梁的辐条式结构，所述定子轭(7)和支撑轴(5)均采用铝合金、钛合金或镁合金制成。
7.根据权利要求1所述的多旋翼无人飞行器用盘型多磁极永磁电动机，其特征在于，所述永磁体(4)面对气隙的圆弧面的圆弧半径满足气隙最大间隙δ2与气隙最小间隙δ1比值范围为1.4～2.2。
8.根据权利要求1所述的多旋翼无人飞行器用盘型多磁极永磁电动机，其特征在于，所述定子铁芯(6)面对气隙的圆周面为圆形面，所述定子铁芯(6)外径与定子铁芯(6)轴向长度比值范围为6～13，所述定子铁芯(6)齿数与该永磁电动机的转子磁极数的比值为3∶4。
9.根据权利要求1所述的多旋翼无人飞行器用盘型多磁极永磁电动机，其特征在于，该永磁电动机为低KV值电机，KV值范围为70～500转/分/伏，该永磁电动机的转子磁极数与定子磁极数之比为1、2、4或6。
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