CN109639085A - 一种大功率永磁无刷直流电机 - Google Patents

一种大功率永磁无刷直流电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大功率永磁无刷直流电机，包括转子、定子、套设在定子外侧的壳体和后端盖，转子和定子之间设有径向气隙，转子包括空心转轴和套设在所述转轴上的磁钢，磁钢包括两个磁极，所述磁极沿周向按N‑S分布在所述转轴的外周，定子包括定子铁心和设置在定子铁心两端的绕组，定子铁心包括一组层叠的定子冲片，定子冲片内圈设置有沿周向均匀分布的六个齿槽。本发明公开的永磁无刷直流电机采用整数槽配比，磁拉力对称故，使电机运行平稳，设置散热筋和风道，保证了电机长期可靠工作。

Description

一种大功率永磁无刷直流电机
技术领域
本发明属于电机的技术领域，具体涉及一种大功率永磁无刷直流电机。
背景技术
永磁无刷直流电机以其优越的调速性能和较高的能量转换效率已广泛应用在电子信息、自动化领域和国防装备中。永磁无刷直流电机主要由永磁无刷直流电机本体、位置传感器装置和电子驱动器三部分组成。电机本体由定子和转子构成，结构与交流永磁同步电机相似，其与交流永磁同步电机的主要区别是转子省去了永磁同步电机异步启动的鼠笼绕组。
目前，市场上常见的永磁无刷直流电机都是一些小功率低转速的，满足不了特殊需求用途。而且，当电机高速运转时，转子上的磁钢受磁钢抗拉强度和紧固强度的限制容易碎裂、散架，磁钢受温度的作用容易退磁，使电机的寿命严重缩短。
发明内容
本发明的目的是提供一种大功率永磁无刷直流电机，解决现有永磁无刷直流电机功率小的缺点。
本发明采用的技术方案是，一种大功率永磁无刷直流电机，包括转子、定子、套设在定子外侧的壳体和后端盖，转子和定子之间设有径向气隙，转子包括空心转轴和套设在所述转轴上的磁钢，磁钢包括两个磁极，所述磁极沿周向按N-S分布在所述转轴的外周，定子包括定子铁心和设置在定子铁心两端的绕组，定子铁心包括一组层叠的定子冲片，定子冲片内圈设置有沿周向均匀分布的六个齿槽。
本发明的技术特征还在于，
其中，气隙的宽度为3mm。
电机的定子齿磁密和定子轭磁密均小于1T。
绕组为三相星形绕组。
齿槽为对称的五边形，五边形的底边远离轴心，所述五边形的底边与相邻两边夹角为锐角，相邻两边与其余两边的夹角为钝角。
定子靠近转子的一侧侧面上设置有定子护套，定子护套(12)采用钛合金TC4加工制作。
转轴靠近一端端部的外侧面上沿周相设置有凹槽，磁钢嵌入所述凹槽内部，磁钢外侧设置有转子护套，转子护套采用钛合金TC4加工制作。
定子冲片采用44V6铁镍钼合金带制作。
磁钢为钕铁硼磁体制作的环形整体磁钢。
定子铁心与壳体之间设置有散热筋和风道。
本发明的有益效果是，采用两个磁极，磁钢为钕铁硼磁体N45UH制作的环形整体磁钢，避免了拼块磁钢带来的转子同轴度不易保证的缺点，使磁钢整体强度大大提高，也能够确保电机在高温下安全工作；定子冲片内圈设置有沿周向均匀分布的六个齿槽，整数槽配比，磁拉力对称故不存在单边磁拉力，使其运行平稳；电机气隙为3mm，使齿槽转矩极低，将电机铁心涡流频率降至最低(2000Hz)；通过在定子铁心与壳体之间设置有散热筋和四条风道，风道掠过定子铁心外圆，定子铁芯和定子绕组集中了电机铁损和电机铜损，是电机热源，风道掠过定子铁心外圆是最为有效的散热方式；电机工作中在尾端连接散热风机进行散热，使电机温升满足使用要求，从而保证电机长期可靠工作；本发明永磁无刷直流电机的转速可达到12.5万转左右，在转速为11万转～12.5万转时，电机效率处于极高值范围，额定点转速为12万转时，电机的效率最高；本发明电机能广泛应用于超高速工业设备及军用设备领域中，电机性能稳定。
附图说明
图1是本发明永磁无刷直流电机的结构示意图；
图2是本发明永磁无刷直流电机的左视图；
图3是图2的E-E剖视图；
图4是本发明永磁无刷直流电机的内部结构示意图；
图5是本发明永磁无刷直流电机中定子冲片的结构示意图；
图6是本发明永磁无刷直流电机中的绕组形式图；
图7是本发明永磁无刷直流电机的右视图；
图8是本发明实施例中电机的电流-转速曲线；
图9是本发明实施例中电机的效率-转速曲线；
图10是本发明实施例中电机转矩常数-转速曲线；
图11是本发明实施例中电机输出功率-转速曲线；
图12是本发明实施例中电机输出转矩-转速曲线；
图13是本发明实施例中电机齿槽转矩曲线；
图14是本发明实施例中电机气隙磁密曲线。
图中，1.转子，2.定子，3.壳体，4.后端盖，5.气隙，6.转轴，7.磁钢，8.定子铁心，9.绕组，10.定子冲片，11.齿槽，12.定子护套，13.转子护套，14.风道。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不局限于该具体实施方式。
参照图1和图2，本发明一种大功率永磁无刷直流电机，包括转子1、定子2、套设在定子2外侧的壳体3和后端盖4，转子1和定子2之间设有径向气隙5，气隙的宽度为3mm，使齿槽转矩极低；转子1包括空心转轴6和套设在所述转轴6上的磁钢7，磁钢7包括两个磁极，磁极沿周向按N-S分布在所述转轴6的外周，磁钢7为钕铁硼磁体N45UH制作的环形整体磁钢，避免了拼块磁钢带来的转子同轴度不易保证的缺点，使磁钢整体强度大大提高，该材料居里温度达到180℃，能够确保电机在高温下安全工作；磁钢沿轴向充磁，其气隙磁密平顶占到波长的80％以上，对方波驱动电机来说，能够获得2％以下的电机运行转矩波动，性能优异。
参照图3和图4，转轴6靠近一端端部的外侧面上沿周相设置有凹槽，磁钢7嵌入凹槽内部，磁钢7外侧设置有转子护套13，转子护套13采用钛合金TC4加工制作，钛合金具有极高的密度强度比，能够保护转子永磁体安全运行；磁钢与转子护套之间通过DG-2胶粘剂固定连接，DG-2胶粘剂的粘接强度优异且能够耐受250℃高温。
转轴选用30CrMnSi制作，该材料导磁性能优异，能够确保转子磁路不饱和，同时该材料抗弯强度极高，适用于超高速电机的转轴加工。
参照图5，定子2包括定子铁心8和设置在定子铁心8两端的绕组9，定子铁心8包括一组层叠的定子冲片10，定子冲片10内圈设置有沿周向均匀分布的六个齿槽11，齿槽11为对称的五边形，五边形的底边远离轴心，五边形的底边与相邻两边夹角为锐角，相邻两边与其余两边的夹角为钝角。
定子冲片10采用德国ULTRAVAC 44V6铁镍钼合金带制作，其铁损系数仅为普通硅钢片的1/3，饱和磁密也较低，为1.35T，普通硅钢片饱和磁密为1.7T。定子绕组9为三相星形绕组，绕组选用耐温等级220℃的QY-2聚酰亚胺漆包铜圆线，使电机能够耐受220℃的高温不损坏(见图6)。定子冲片加工时在内外圆皆留有加工余量，以冲片外圆定位整体叠压后进行绕组嵌线和整形，之后进行绕组浸漆以强化定子绝缘并固化电机绕组。最后分别以定子铁芯内、外圆定位磨加工定子铁芯外圆和内圆，使定子铁芯具有极高的内外圆同轴度，尽可能减少由于机械加工误差产生的定转子单边磁拉力，进而可能造成的颤动、噪声等现象。定子冲片采用高精度慢走丝线切割进行加工，尽可能减少由于机械加工误差产生的定转子单边磁拉力，进而可能造成的颤动、噪声等现象。
定子2靠近转子的一侧侧面上设置有定子护套12，定子护套为薄壁零件，加工时先在定子护套内壁留出加工余量，护套外圆与铁心内孔采用过盈配合，护套安装到位后采用车加工将定子护套壁厚加工到位；定子护套12采用钛合金TC4加工制作，钛合金材料不导磁，在转子高速旋转时，护套内部不产生涡流损耗，采用定子护套支撑定子内孔可以使电机定子内孔形成光滑桶壁，防止电机转子带起的气流在定子齿部无序流动，阻碍风冷气流通过，第三钛合金导热系数较低，能够将定子产生的热量阻挡，防止电机转子过热，永磁体磁性能下降。
参照图7，定子铁心8与壳体3之间设置有散热筋和四条风道14，风道掠过定子铁心外圆，定子铁芯和定子绕组集中了电机铁损和电机铜损，是电机热源，因此风道掠过定子铁心外圆是最为有效的散热方式。电机工作中在尾端连接散热风机进行散热，使电机温升满足使用要求，从而保证电机长期可靠工作。
定子外圆与壳体内孔的配合公差选用过盈配合，装配时加热电机壳体至180℃，并将定子组件降温至-10℃，借助工装保证定子组件滑入电机壳体内孔，避免挤压操作，简便可行，装配效果好。
机壳采用铝合金材料，利于散热。由于机壳和定子铁芯分属不同材料，热膨胀系数不同，公差选取需能够保证电机在-60℃～250℃的温度范围内，定子组件不松动，电机可靠运行。后端盖外圆与机壳内孔采用小过盈配合，由于两者采用相同材料的铝合金加工并且后端盖不起支撑或承受扭矩，该配合能够简化安装步骤，保证装配可靠。
电机的定子齿磁密和定子轭磁密均小于1T，铁损较小。
通过Maxwell 2D软件仿真平台对本实施例中电机的磁路以及电机工作过程中各磁路的磁密进行仿真分析，分析结果如下：
(1)对该电机定子磁密图以及电机定子磁密平均值进行分析计算，结果显示，该电机在负载运行状态下，最大磁感应强度出现于定子齿部，约为1.2T，同时定子轭部最大磁感应强度约为1T，各磁路磁密均处于非饱和状态，以避免电机高磁密导致的漏磁现象，电机定子齿磁密平均值为0.914T，电机定子轭磁密平均值为0.917T。
(2)对电机性能进行核算，核算结果如表1所示：
表1本实施例中电机的电性能核算结果
另外，由核算结果可得电机铁损164瓦，电机铜损148瓦，两者接近。
(3)电机的电流-转速曲线如图8所示，从该图上可看出，电机在50000rpm～125000rpm范围内，电流随负载变化与转速呈严格线性关系，电机性能稳定、可靠，未工作在电流畸变区。
(4)电机的效率-转速曲线如图9所示，可见电机在110000rpm～125000rpm范围内，效率处于极高值范围，额定点转速120000rpm恰为电机效率最高点，电机额定点设置合理。
(5)电机的转矩常数-转速曲线如图10所示，可见电机在50000rpm～125000rpm范围内，转矩常数随负载变化与转速呈严格线性关系，电机性能稳定、可靠，未工作在转矩常数畸变区。
(6)电机的输出功率-转速曲线如图11所示，可见电机在110000rpm～125000rpm范围内，输出功率随负载变化与转速呈严格线性关系，电机性能稳定、可靠，未工作在输出功率畸变区。
(7)电机的输出转矩-转速曲线如图12所示，可见电机在100000rpm～125000rpm范围内，输出转矩与转速呈严格线性关系，电机性能稳定、可靠，未工作在转矩畸变区。
(8)电机的齿槽转矩曲线如图13所示，可见电机的齿槽转矩峰值为0.00224N.m与额定转矩的比值仅为0.43％，该电机采用直槽设计，同时采用了大气隙设计，削弱了电机气隙磁密，从而降低了电机齿槽转矩，不会造成电机运行过程中的抖动和额外扰动，进而造成轴承测试出现附加负载。
(9)电机的气隙磁密曲线如图14所示，可见电机的气隙磁密为接近方波的波形。该电机为大功率直流无刷电动机，其气隙磁密方波特性越好，则运行转矩波动越低。该电机气隙磁密接近方波，是由正弦波削顶产生的波形。

Claims (10)

1.一种大功率永磁无刷直流电机，包括转子(1)、定子(2)、套设在定子(2)外侧的壳体(3)和后端盖(4)，所述转子(1)和定子(2)之间设有径向气隙(5)，所述转子(1)包括空心转轴(6)和套设在所述转轴(6)上的磁钢(7)，其特征在于，所述磁钢(7)包括两个磁极，所述磁极沿周向按N-S分布在所述转轴(6)的外周，所述定子(2)包括定子铁心(8)和设置在定子铁心(8)两端的绕组(9)，所述定子铁心(8)包括一组层叠的定子冲片(10)，定子冲片(10)内圈设置有沿周向均匀分布的六个齿槽(11)。
2.根据权利要求1所述的一种大功率永磁无刷直流电机，其特征在于，所述气隙(5)的宽度为3mm。
3.根据权利要求1所述的一种大功率永磁无刷直流电机，其特征在于，所述电机的定子齿磁密和定子轭磁密均小于1T。
4.根据权利要求1所述的一种大功率永磁无刷直流电机，其特征在于，所述绕组(9)为三相星形绕组。
5.根据权利要求1所述的一种大功率永磁无刷直流电机，其特征在于，所述齿槽(11)为对称的五边形，五边形的底边远离轴心，所述五边形的底边与相邻两边夹角为锐角，相邻两边与其余两边的夹角为钝角。
6.根据权利要求1所述的一种大功率永磁无刷直流电机，其特征在于，所述定子(2)靠近转子(1)的一侧侧面上设置有定子护套(12)，定子护套(12)采用钛合金TC4加工制作。
7.根据权利要求1所述的一种大功率永磁无刷直流电机，其特征在于，所述转轴(6)靠近一端端部的外侧面上沿周相设置有凹槽，所述磁钢(7)嵌入所述凹槽内部，磁钢(7)外侧设置有转子护套(13)，转子护套(13)采用钛合金TC4加工制作。
8.根据权利要求1所述的一种大功率永磁无刷直流电机，其特征在于，所述定子冲片(10)采用44V6铁镍钼合金带制作。
9.根据权利要求1所述的一种大功率永磁无刷直流电机，其特征在于，所述磁钢(7)为钕铁硼磁体制作的环形整体磁钢。
10.根据权利要求1所述的一种大功率永磁无刷直流电机，其特征在于，所述定子铁心(8)与壳体(3)之间设置有散热筋和风道(14)。
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