CN112865459B - 具有弓形永磁体的空心杯结构电机 - Google Patents

具有弓形永磁体的空心杯结构电机 Download PDF

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Abstract

本公开涉及电机技术领域，尤其涉及一种具有弓形永磁体的空心杯结构电机。本公开提供的具有弓形永磁体的空心杯结构电机包括：机壳、空心杯定子、外转子铁心、多个永磁体、内转子铁心和转子轴；沿所述转子轴的径向截面，所述永磁体包括弧形边，一字型边和两侧边，所述弧形边的对边为所述一字型边，所述弧形边和所述一字型边的两端分别与所述侧边连接，所述弧形边与所述外转子铁心的内廓抵接，所述内转子铁心的外廓与所述一字型边之间形成电机气隙，改善了电机气隙磁密波形，减小气隙磁场中谐波含量，使气隙磁场接近正弦波，从而改善了空心杯型电机反电动势波形，降低了转矩脉动，提升了电机性能。

Description

具有弓形永磁体的空心杯结构电机
技术领域
本公开涉及电机技术领域，尤其涉及一种具有弓形永磁体的空心杯结构电机。
背景技术
空心杯型永磁电机多应用与高转速场合，需要较高的调速精度，因此多具有正弦波相电流驱动控制，正弦波相电流需要与正弦波相反电动势相互作用，以减小电磁转矩脉动。而传统的空心杯型永磁电机，其反电动势波形中3、5、7次谐波含量较大，使电机产生电磁转矩脉动，影响电机性能与效率。空心杯型永磁电机反电动势波形谐波含量较大的主要原因是电机气隙磁场波形的正弦型较差，混入了较多的奇次谐波，使电机的气隙磁场接近梯形，因此反电动势波形的谐波含量较大。由此看来，优化电机结构，降低气隙磁场波形谐波含量，使气隙磁场波形接近正弦波是至关重要的。
传统的空心杯电机由于其气隙径向厚度均一，导致径向气隙磁阻一致，影响气隙磁场分布，使得气隙磁场谐波含量较大，正弦性较差，影响电机性能。
发明内容
为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开提供了一种具有弓形永磁体的空心杯结构电机。
本公开提供了一种具有弓形永磁体的空心杯结构电机，包括：机壳、空心杯定子、外转子铁心、多个永磁体、内转子铁心和转子轴；
所述外转子铁心、所述内转子铁心和所述转子轴由外向内依次同轴设置，且所述外转子铁心和所述内转子铁心均与所述转子轴固定连接，所述外转子铁心的径向内侧设有所述多个永磁体，多个所述永磁体沿所述外转子铁心的径向内侧依次设置，相邻两个所述永磁体的极性相反，相邻两个所述永磁体的侧面相抵接，所述内转子铁心的外侧与所述永磁体之间形成电机气隙，所述空心杯定子设置于所述电机气隙内并与机壳固定连接；
其中，沿所述转子轴的径向截面，所述永磁体包括弧形边，一字型边和两侧边，所述弧形边的对边为所述一字型边，所述弧形边和所述一字型边的两端分别与所述侧边连接，所述弧形边与所述外转子铁心的内廓抵接，所述内转子铁心的外廓与所述一字型边之间形成电机气隙。
进一步的，沿所述转子轴的径向截面，所述内转子铁心的外廓呈圆形。
进一步的，沿所述转子轴的径向截面，所述外转子铁心的外侧与所述转子轴固定连接；
所述外转子铁心的内侧与所述多个永磁体的外侧固定连接；
所述内转子铁心的内侧与所述转子轴的外侧固定连接。
进一步的，沿所述转子轴的径向截面，所述外转子铁心呈形状为圆环形；多个所述永磁体的内廓呈正多边形，多个所述永磁体的外廓呈圆形，所述内转子铁心的内廓和外廓均呈圆形。
进一步的：所述永磁体的两侧边间夹角αp满足：
其中，p为电机极对数。
进一步的：所述弧形边与所述一字型边径向的最大距离Hmax满足：Rw[1-cos(αp/2)]≤Hmax≤1.5Rw[1-cos(αp/2)]；
其中，Rw为所述外转子铁心的内径。
进一步的：所述永磁体两侧边长度l1满足：l1＝Rw-(Rw-Hmax)sec(αp/2)；
其中，Rw为所述外转子铁心的内径，Hmax为所述弧形边与所述一字型边径向的最大距离。
进一步的：所述一字型边长度l2满足：l2＝2(Rw-l1)sin(αp/2)；
其中，Rw为所述外转子铁心的内径，l1为所述永磁体两侧边长度。
进一步的：所述永磁体的充磁方式为平行充磁，充磁方向满足xi＝(-1)(i+1)·sin[(i-1)αp]，yi＝(-1)(i+1)·cos[(i-1)αp]，其中i为第i块永磁体，i取值为1、2、3....2p。
进一步的：所述永磁体包括钐钴、铁氧体或钕铁硼永磁材料。
本公开实施例提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：
本公开实施例提供的具有弓形永磁体的空心杯结构电机沿转子轴的径向截面，永磁体包括弧形边，一字型边和两侧边，弧形边的对边为一字型边，弧形边和一字型边的两端分别与侧边连接，弧形边与外转子铁心的内廓抵接，内转子铁心的外廓与一字型边之间形成电机气隙。
与传统的空心杯永磁电机相比，本公开实施例采用永磁体与内转子铁心的外廓相对的一边为一字型时，即气隙侧边设计成一字型时，节省了永磁材料，电机的径向气隙厚度边的不均匀，使气隙径向厚度变化更为合理，改善了电机气隙磁密波形，减小气隙磁场中谐波含量，使气隙磁场接近正弦波，从而改善了空心杯型电机反电动势波形，降低了转矩脉动，提升了电机性能。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本公开实施例所述具有弓形永磁体的空心杯结构电机的径向截面的结构示意图；
图2为本公开实施例所述具有弓形永磁体的空心杯结构电机的轴向截面的结构示意图；
图3为本公开实施例所述具有弓形永磁体的空心杯结构电机气隙磁场对比示意图；
图4为图1中的永磁体结构示意图；
图5为图1中的永磁体充磁方向示意图；
图6为本公开实施例所述具有弓形永磁体的空心杯结构电机中的空心杯定子结构示意图。
附图标记：1、外转子铁心；2、永磁体；3、空心杯定子；31、绕组；32、骨架；33、环氧树脂；34、霍尔元件；4、内转子铁心；5、转子轴。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面将对本公开的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，但本公开还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。
结合图1、图2、图4、图5和图6所示，本公开实施例提供的具有弓形永磁体的空心杯结构电机包括：机壳、空心杯定子3、外转子铁心1、多个永磁体2、内转子铁心4和转子轴5，外转子铁心1、内转子铁心4和转子轴5由外向内依次同轴设置，且外转子铁心1和内转子铁心4均与转子轴5固定连接，可使外转子铁心1与内转子铁心4同转子轴5一同旋转。
外转子铁心1的径向内侧设有多个永磁体2，可选的，永磁体2形状为蝶形，其数量根据极对数确定，永磁体2沿外转子铁心1的径向内侧交替放置，相邻两个永磁体2的极性相反，即相邻两个永磁体2的极性相反，相邻两个永磁体2的侧面相抵接，内转子铁心4的外侧与永磁体2之间形成电机气隙，空心杯定子3设置于电机气隙内并与机壳固定连接，永磁磁路经过外转子铁心1、内转子铁心4以及它们之间的气隙构成闭合回路。
多个永磁体2沿外转子铁心1的径向内侧依次设置，相邻两块永磁体2的极性相反，其中，沿转子轴5的径向截面，永磁体2包括弧形边，一字型边和两侧边，弧形边的对边为一字型边，弧形边和一字型边的两端分别与侧边连接，弧形边与外转子铁心1的内廓抵接，内转子铁心4的外廓与一字型边之间形成电机气隙。一字型边即为弓形的弦，弧形边即为弦所对的弧。
在磁路中，永磁体2提供磁动势，磁通通过导磁材料会产生磁压降，由于材料科学的发展，各类导磁材料的相对磁导率很低，磁通经过导磁材料产生的磁压降往往很小。在气隙中，磁钢产生的磁场与励磁线圈通电产生的磁场相互作用，使电机正常工作，气隙中磁阻较大，因此在气隙中磁势较大，产生的磁通也较大，气隙磁通与气隙的径向厚度成反比，因此，当永磁体2与内转子铁心4的外廓相对的一边为一字型时，即气隙侧边设计成一字型时，气隙的径向厚度沿侧边中点向两端逐渐增大，使气隙磁通沿中点向两端逐渐减小，可以有效改善气隙磁场波形，使其气隙磁场接近正弦波。
本公开实施例具有转矩脉动小的优点，这是由于：与传统的空心杯永磁电机相比，本公开实施例采用永磁体2与内转子铁心4的外廓相对的一边为一字型时，即气隙侧边设计成一字型时，节省了永磁材料，电机的径向气隙厚度边的不均匀，使气隙径向厚度变化更为合理，改善了电机气隙磁密波形，减小气隙磁场中谐波含量，使气隙磁场接近正弦波，从而改善了空心杯型电机反电动势波形，降低了转矩脉动，提升了电机性能。
在一些具体的实施方式中，沿转子轴5的径向截面，内转子铁心4的外廓呈圆形。由于内转子铁心4的外廓呈圆形，永磁体2与内转子铁心4的外廓相对的一边为一字型，使电机的径向气隙厚度边的不均匀，使气隙径向厚度变化更为合理，改善了电机气隙磁密波形，减小气隙磁场中谐波含量，使气隙磁场接近正弦波，从而改善了空心杯型电机反电动势波形，降低了转矩脉动，使具有转矩脉动小的优点，提升了电机性能。
在一些具体的实施方式中，沿转子轴5的径向截面，外转子铁心1的外侧与转子轴5固定连接，外转子铁心1的内侧与多个永磁体2的外侧固定连接，内转子铁心4的内侧与转子轴5的外侧固定连接。
在一些具体的实施方式中，沿转子轴5的径向截面，外转子铁心1呈形状为圆环形，多个永磁体2的内廓呈正多边形，多个永磁体2的外廓呈圆形，，内转子铁心4的内廓和外廓均呈圆形。换言之，外转子铁心1的内外廓、永磁体2的外廓、内转子铁心4的圆形内廓和外廓同心，其圆心作为电机的几何中心，可以有效改善气隙磁场波形，使其气隙磁场接近正弦波。
需要说明的是，当永磁体2个数是几个时，多个永磁体2的内廓呈正几边形。如图5所示，12块永磁体2组成的内廓呈正十二边形。
在一些具体的实施方式中：永磁体2的两侧边间夹角αp满足：其中，p为电机极对数，使气隙径向厚度变化更为合理，改善了电机气隙磁密波形，减小气隙磁场中谐波含量，使气隙磁场接近正弦波，从而改善了空心杯型电机反电动势波形，降低了转矩脉动，提升了电机性能。
在一些具体的实施方式中：弧形边与一字型边径向的最大距离Hmax满足：Rw[1-cos(αp/2)]≤Hmax≤1.5Rw[1-cos(αp/2)]，其中，Rw为外转子铁心1的内径，使气隙径向厚度变化更为合理，改善了电机气隙磁密波形，减小气隙磁场中谐波含量，使气隙磁场接近正弦波，从而改善了空心杯型电机反电动势波形，降低了转矩脉动，提升了电机性能。
在一些具体的实施方式中：永磁体2两侧边长度l1满足：l1＝Rw-(Rw-Hmax)sec(αp/2)，其中，Rw为外转子铁心1的内径，Hmax为弧形边与一字型边径向的最大距离，使气隙径向厚度变化更为合理，改善了电机气隙磁密波形，减小气隙磁场中谐波含量，使气隙磁场接近正弦波，从而改善了空心杯型电机反电动势波形，降低了转矩脉动，提升了电机性能。
在一些具体的实施方式中：一字型边长度l2满足：l2＝2(Rw-l1)sin(αp/2)，其中，Rw为外转子铁心1的内径，l1为永磁体2两侧边长度，使气隙径向厚度变化更为合理，改善了电机气隙磁密波形，减小气隙磁场中谐波含量，使气隙磁场接近正弦波，从而改善了空心杯型电机反电动势波形，降低了转矩脉动，提升了电机性能。
在一些具体的实施方式中：永磁体2的充磁方式为平行充磁，充磁方向满足xi＝(-1)(i+1)·sin[(i-1)αp]，yi＝(-1)(i+1)·cos[(i-1)αp]，其中i为第i块永磁体2，i取值为1、2、3....2p，使气隙径向厚度变化更为合理，改善了电机气隙磁密波形，减小气隙磁场中谐波含量，使气隙磁场接近正弦波，从而改善了空心杯型电机反电动势波形，降低了转矩脉动，提升了电机性能。
在一些具体的实施方式中：永磁体2包括钐钴、铁氧体或钕铁硼永磁材料。
在一些具体的实施方式中，外转子内径Rw为90mm，极对数p为6对具有弓形永磁体的空心杯结构电机为例，对碟形永磁体2进行设计，由式求得其跨角αp为30°，由Rw[1-cos(αp/2)]≤Hmax≤1.5Rw[1-cos(αp/2)]求得其弧形边与其对边一字型边间最大距离Hmax满足3.07mm≤Hmax≤4.60mm，为便于加工制作，其弧形边与其对边一字型边间最大距离Hmax优选取值为4mm，由式l1＝Rw-(Rw-Hmax)sec(αp/2)求得其两侧边长度l1为0.97mm，由式l2＝2(Rw-l1)sin(αp/2)求得其一字型边长度l2为46.09mm。由式xi＝(-1)(i+1)·sin[(i-1)αp]，yi＝(-1)(i+1)·cos[(i-1)αp]求得12块碟形永磁体2充磁方向/>分别为：
其余电机参数为外转子外径105mm，内转子外径80mm，内转子内径70mm。传统空心杯型电机，其电机参数为外转子外径105mm，内径90mm，极对数p为6对，内转子外径80mm，内转子内径70mm，永磁体2外径90mm，厚度4mm，内径86mm。
如图4所示，为单块永磁体2的结构示意图，从图4中可以看出，永磁体2由弧形边，一字型边以及两侧边组成，按电机设计确定极对数数量，其弧形边侧沿圆周交替安装在外转子铁心1径向内侧上。
如图5所示，图5为本实施例所述实施例的12块碟形永磁体2的结构示意图，图5中永磁体2为径向充磁或平行充磁，从图5中可以看出，相邻的两块永磁体2充磁方向相反，弧形边对边为一字型边。
在一些具体的实施方式中，空心杯定子3包括绕组31和骨架32，绕组3131缠绕于骨架32，骨架32上开设有三个凹槽，三个凹槽的电角度为120°，凹槽内设有霍尔元件34。
如图6所示，空心杯形定子由绕组31和骨架32组成，骨架32上开有槽，绕组31绕成链式缠绕在骨架32上，并用环氧树脂33灌封，三个霍尔元件34置于电角度为120度的槽内，用于检测转子位置；温控元件置于其余的任意一个槽中，用于检测绕组31的温度。
本实施例提供的电机的气隙磁场通过气隙磁场自动测试平台测试。气隙磁场自动测试平台测试包括夹紧机构、旋转电机、磁强计、机械臂与操作面板。
其中，夹紧机构由三爪定心卡盘组成三爪卡盘上，三个卡爪沿径向移动，由螺纹连接在卡盘上，可调节径向位置。三个卡爪啮合在齿轮上，气源推动齿轮转动，三个卡爪沿径向移动，以夹紧不同直径的工件，夹紧工件直径范围为10～300mm，承重上限为10kg。
旋转电机与三爪卡盘固联，带动三爪卡盘旋转，转速由软件控制以满足不同测试需求，转速范围为1r/min～30r/min。
磁强计应用霍尔效应测量磁场大小与方向，测量精度为0.001T，工件每旋转一周，最大可采样36000点，磁强计上有刻度尺可记录Z向深度。
机械臂夹持磁强计，可沿径向与Z向调节位置，其中径向位置通过伸缩气缸与调节旋钮调节，Z向位置由步进电机调节。
操作面板用于设置测量参数，控制测试平台，测量数据输出为角度点位与磁场强度值的二维数组。
测试流程为安装实验样机，调节磁强计探头位置，设置测量参数，进行测试，输出测试数据。
测试结果如图3所示，与传统空心杯型电机相比，具有弓形永磁体的空心杯结构电机气隙磁场更加接近正弦波。引入总谐波失真率THD来评价气隙磁场波形的正弦性，将气隙磁场波形做傅里叶分解变换，得到各阶谐波的幅值，按式计算THD，THD越小，正弦性越好。如图3所示，分别计算得到传统空心杯型电机的气隙磁场波形THD29.25％，与具有弓形永磁体的空心杯结构电机的气隙磁场波形THD6.15％，具有弓形永磁体的空心杯结构电机THD降低了78.97％。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种具有弓形永磁体的空心杯结构电机，其特征在于，包括：机壳、空心杯定子(3)、外转子铁心(1)、多个永磁体(2)、内转子铁心(4)和转子轴(5)；
所述外转子铁心(1)、所述内转子铁心(4)和所述转子轴(5)由外向内依次同轴设置，且所述外转子铁心(1)和所述内转子铁心(4)均与所述转子轴(5)固定连接，所述外转子铁心(1)的径向内侧设有所述多个永磁体(2)，多个所述永磁体(2)沿所述外转子铁心(1)的径向内侧依次设置，相邻两个所述永磁体(2)的极性相反，相邻两个所述永磁体(2)的侧面相抵接，所述内转子铁心(4)的外侧与所述永磁体(2)之间形成电机气隙，所述空心杯定子(3)设置于所述电机气隙内并与机壳固定连接；
其中，沿所述转子轴(5)的径向截面，所述永磁体(2)包括弧形边，一字型边和两侧边，所述弧形边的对边为所述一字型边，所述弧形边和所述一字型边的两端分别与所述侧边连接，所述弧形边与所述外转子铁心(1)的内廓抵接，所述内转子铁心(4)的外廓与所述一字型边之间形成电机气隙。
2.根据权利要求1所述的具有弓形永磁体的空心杯结构电机，其特征在于，沿所述转子轴(5)的径向截面，所述内转子铁心(4)的外廓呈圆形。
3.根据权利要求1所述的具有弓形永磁体的空心杯结构电机，其特征在于，沿所述转子轴(5)的径向截面，所述外转子铁心(1)的外侧与所述转子轴(5)固定连接；
所述外转子铁心(1)的内侧与所述多个永磁体(2)的外侧固定连接；
所述内转子铁心(4)的内侧与所述转子轴(5)的外侧固定连接。
4.根据权利要求1所述的具有弓形永磁体的空心杯结构电机，其特征在于，沿所述转子轴(5)的径向截面，所述外转子铁心(1)呈形状为圆环形；多个所述永磁体(2)的内廓呈正多边形，多个所述永磁体(2)的外廓呈圆形，所述内转子铁心(4)的内廓和外廓均呈圆形。
5.根据权利要求1至4任一项所述的具有弓形永磁体的空心杯结构电机，其特征在于：所述永磁体(2)的两侧边间夹角αp满足：
其中，p为电机极对数。
6.根据权利要求5所述的具有弓形永磁体的空心杯结构电机，其特征在于：所述弧形边与所述一字型边径向的最大距离Hmax满足：Rw[1-cos(αp/2)]≤Hmax≤1.5Rw[1-cos(αp/2)]；
其中，Rw为所述外转子铁心(1)的内径。
7.根据权利要求5所述的具有弓形永磁体的空心杯结构电机，其特征在于：所述永磁体(2)两侧边长度l1满足：l1＝Rw-(Rw-Hmax)sec(αp/2)；
其中，Rw为所述外转子铁心(1)的内径，Hmax为所述弧形边与所述一字型边径向的最大距离。
8.根据权利要求5所述的具有弓形永磁体的空心杯结构电机，其特征在于：所述一字型边长度l2满足：l2＝2(Rw-l1)sin(αp/2)；
其中，Rw为所述外转子铁心(1)的内径，l1为所述永磁体(2)两侧边长度。
9.根据权利要求5所述的具有弓形永磁体的空心杯结构电机，其特征在于：所述永磁体(2)的充磁方式为平行充磁，充磁方向满足xi＝(-1)(i+1)·sin[(i-1)αp]，yi＝(-1)(i+1)·cos[(i-1)αp]，其中i为第i块永磁体(2)，i取值为1、2、3....2P。
10.根据权利要求5所述的具有弓形永磁体的空心杯结构电机，其特征在于：所述永磁体(2)包括钐钴、铁氧体或钕铁硼永磁材料。
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