CN113098162A - 具有葵花形内转子的空心杯结构电机 - Google Patents

具有葵花形内转子的空心杯结构电机 Download PDF

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Abstract

本公开涉及电机技术领域，尤其涉及一种具有葵花形内转子的空心杯结构电机。本公开提供的具有葵花形内转子的空心杯结构电机包括：外转子铁心、多个永磁体、偏心内转子铁心和转子轴；沿所述转子轴的径向截面，所述偏心内转子铁心的外廓包括多个朝向所述永磁体凸出的偏心圆弧，所述偏心圆弧的个数与所述永磁体的个数一致，且所述偏心圆弧与所述永磁体一一对应，所述偏心圆弧的两端点在对应的所述永磁体两侧边与所述转子轴的中心的连线上，所述偏心圆弧的圆心在对应的所述永磁体弧形边中点与所述转子轴的中心的连线上，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

具有葵花形内转子的空心杯结构电机
技术领域
本公开涉及电机技术领域，尤其涉及一种具有葵花形内转子的空心杯结构电机。
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葵花形内转子的空心杯结构电机。
本公开第一方面提供了一种具有葵花形内转子的空心杯结构电机，包括：外转子铁心、多个永磁体、偏心内转子铁心和转子轴；
所述外转子铁心、所述偏心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偏心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，所述偏心内转子铁心的外侧与所述永磁体之间形成电机气隙；
其中，沿所述转子轴的径向截面，所述偏心内转子铁心的外廓包括多个朝向所述永磁体凸出的偏心圆弧，所述偏心圆弧的个数与所述永磁体的个数一致，且所述偏心圆弧与所述永磁体一一对应，所述偏心圆弧的两端点在对应的所述永磁体两侧边与所述转子轴的中心的连线上，所述偏心圆弧的圆心在对应的所述永磁体弧形边中点与所述转子轴的中心的连线上。
进一步的，沿所述转子轴的径向截面，所述永磁体包括同心的第一圆弧和第二圆弧，所述第二圆弧与所述外转子铁心的内廓抵接，所述第一圆弧和所述第二圆弧的两端分别与所述侧边连接。
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；
所述偏心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；所述多个永磁体呈圆环形排列，所述偏心内转子铁心的内侧呈圆形。
进一步的，所述偏心圆弧的个数i满足：i＝2p；
其中，p为电机极对数。
进一步的，所述偏心圆弧的圆心与所述转子轴的中心之间的距离λ满足：
Figure BDA0003016110980000031
其中，Rw为外转子铁心外径的半径，Rn为外转子铁心内径的半径，b为永磁体厚度。
进一步的，所述偏心圆弧的半径r满足：Rn-λ-3b≤r≤Rn-λ-2b；
其中，λ为偏心圆弧的圆心与转子轴的中心之间的距离，Rn为外转子铁心内径的半径，b为永磁体厚度。
进一步的，所述的偏心内转子铁心的圆形内侧半径rn满足：
Figure BDA0003016110980000032
其中，Rw为外转子铁心外径的半径。
进一步的，具有葵花形内转子的空心杯结构电机还包括机壳和空心杯定子；
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。
进一步的，所述空心杯定子包括绕组和骨架，所述绕组缠绕于所述骨架，所述骨架上开设有三个凹槽，所述三个凹槽的电角度为120°，所述凹槽内设有霍尔元件。
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葵花形内转子的空心杯结构电机沿转子轴的径向截面，偏心内转子铁心的外廓包括多个朝向永磁体凸出的偏心圆弧，偏心圆弧的个数与永磁体的个数一致，且偏心圆弧与永磁体一一对应，偏心圆弧的两端点在对应的永磁体两侧边与转子轴的中心的连线上，偏心圆弧的圆心在对应的永磁体弧形边中点与转子轴的中心的连线上。采用基于内转子铁心偏心结构设计后，即在偏心内转子铁心的外廓设置多个偏心圆弧后，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电机径向截面的结构示意图；
图2为本公开实施例所述电机轴向截面的结构示意图；
图3为本公开实施例所述电机与传统空心杯型电机气隙磁场对比示意图；
图4为图1中的偏心内转子铁心局部结构示意图；
图5为本公开实施例所述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、偏心内转子铁心；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和图5所示，本公开实施例提供的具有葵花形内转子的空心杯结构电机包括：外转子铁心1、多个永磁体2、偏心内转子铁心4和转子轴5，外转子铁心1、偏心内转子铁心4和转子轴5由外向内依次同轴设置，且外转子铁心1和偏心内转子铁心4均与转子轴5固定连接，可使外转子铁心1与偏心内转子铁心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形状为瓦型，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，相邻的两块永磁体2充磁方向相反，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，偏心内转子铁心4的外侧与永磁体2之间形成电机气隙，永磁磁路经过外转子铁心1、偏心内转子铁心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，其中，沿转子轴5的径向截面，偏心内转子铁心4的外廓包括多个朝向永磁体2凸出的偏心圆弧，偏心圆弧的个数与永磁体2的个数一致，且偏心圆弧与永磁体2一一对应，偏心圆弧的两端点在对应的永磁体2两侧边与转子轴5的中心的连线上，偏心圆弧的圆心在对应的永磁体2弧形边中点与转子轴5的中心的连线上。
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，当内转子铁心径向外侧与永磁体2对应的位置做偏心圆弧设计时，气隙的径向厚度沿永磁体2径向内侧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，本公开实施例采用基于内转子铁心偏心结构设计后，即在偏心内转子铁心4的外廓设置多个偏心圆弧后，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，永磁体2包括同心的第一圆弧和第二圆弧，第二圆弧与外转子铁心1的内廓抵接，第一圆弧和第二圆弧的两端分别与侧边连接。第一圆弧和第二圆弧在径向上的距离为永磁体2的厚度。由于第一圆弧的弧度与偏心圆弧的弧度不同，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，各个偏心圆弧的弧度相同，即各个偏心圆弧的形状相同，，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，偏心内转子铁心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呈圆环形排列，偏心内转子铁心4的内侧呈圆形。换言之，外转子铁心1的内外廓、永磁体2的内外廓、偏心内转子铁心4的圆形内廓同心，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。
在一些具体的实施方式中，偏心圆弧的个数i满足：i＝2p，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，偏心圆弧的圆心与转子轴5的中心之间的距离λ满足：
Figure BDA0003016110980000081
其中，Rw为外转子铁心1外径的半径，Rn为外转子铁心1内径的半径，b为永磁体2厚度，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A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，偏心圆弧的半径r满足：Rn-λ-3b≤r≤Rn-λ-2b，其中，λ为偏心圆弧的圆心与转子轴5的中心之间的距离，Rn为外转子铁心1内径的半径，b为永磁体2厚度，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，的偏心内转子铁心4的圆形内侧半径rn满足：
Figure BDA0003016110980000082
其中，Rw为外转子铁心1外径的半径，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，转子外径Rw为75mm，内径Rn为65mm，永磁体2厚度b为4mm，极对数p为4的基于内转子铁心偏心结构设计的空心杯电机为例，对偏心内转子铁心4进行设计，由式
Figure BDA0003016110980000091
求得其偏心值λ满足28mm≤λ≤46.7mm，为便于加工制作，其偏心值λ优选取值为34mm，由式Rn-λ-3b≤r≤Rn-λ-2b，求得其单个偏心圆弧的半径为r满足19mm≤r≤23mm，为便于加工制作，其单个偏心圆弧的半径为r优选取值为22mm，由式
Figure BDA0003016110980000092
求得其内径的半径rn满足为rn≤18.5mm，为便于加工制作，其内径的半径rn优选取值为18mm。传统空心杯型电机，其电机参数为外转子外径75mm，内径65mm，极对数p为4对，内转子外径56mm，内转子内径18mm，永磁体2外径65mm，厚度4mm，内径61mm。
如图4所示，偏心内转子铁心4的外廓由一组偏心圆弧构成，偏心圆弧的个数与永磁体2的个数一致，位置与永磁体2一一对应，内廓为圆形。构成偏心内转子铁心4外廓的偏心圆弧中单个偏心圆弧的两端点A、B在对应的永磁体2两侧边与电机几何中心O的连线上，单个偏心圆弧的圆心O’在对应的永磁体2弧形边中点H与电机几何中心O的连线上。
在一些具体的实施方式中，本公开实施例提供的具有葵花形内转子的空心杯结构电机还包括机壳和空心杯定子3和，空心杯定子3设置于电机气隙内并与机壳固定连接。与传统的空心杯永磁电机相比，本公开实施例采用基于内转子铁心偏心结构设计后，即在偏心内转子铁心4的外廓设置多个偏心圆弧后，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，空心杯定子3包括绕组31和骨架32，绕组31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5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，基于内转子铁心偏心结构设计的空心杯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
Figure BDA0003016110980000111
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THD 25.02％，与基于内转子铁心偏心结构设计的空心杯电机的气隙磁场波形THD 9.43％，基于内转子铁心偏心结构设计的空心杯电机THD降低了62.31％。
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)

1.一种具有葵花形内转子的空心杯结构电机，其特征在于，包括：外转子铁心(1)、多个永磁体(2)、偏心内转子铁心(4)和转子轴(5)；
所述外转子铁心(1)、所述偏心内转子铁心(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)和所述偏心内转子铁心(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，所述偏心内转子铁心(4)的外侧与所述永磁体(2)之间形成电机气隙；
其中，沿所述转子轴(5)的径向截面，所述偏心内转子铁心(4)的外廓包括多个朝向所述永磁体(2)凸出的偏心圆弧，所述偏心圆弧的个数与所述永磁体(2)的个数一致，且所述偏心圆弧与所述永磁体(2)一一对应，所述偏心圆弧的两端点在对应的所述永磁体(2)两侧边与所述转子轴(5)的中心的连线上，所述偏心圆弧的圆心在对应的所述永磁体(2)弧形边中点与所述转子轴(5)的中心的连线上。
2.根据权利要求1所述的具有葵花形内转子的空心杯结构电机，其特征在于，沿所述转子轴(5)的径向截面，所述永磁体(2)包括同心的第一圆弧和第二圆弧，所述第二圆弧与所述外转子铁心(1)的内廓抵接，所述第一圆弧和所述第二圆弧的两端分别与所述侧边连接。
3.根据权利要求1所述的具有葵花形内转子的空心杯结构电机，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；
所述偏心内转子铁心(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所述的具有葵花形内转子的空心杯结构电机，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；所述多个永磁体(2)呈圆环形排列，所述偏心内转子铁心(4)的内侧呈圆形。
5.根据权利要求1至4任一项所述的具有葵花形内转子的空心杯结构电机，其特征在于，所述偏心圆弧的个数i满足：i＝2p；
其中，p为电机极对数。
6.根据权利要求5所述的具有葵花形内转子的空心杯结构电机，其特征在于，所述偏心圆弧的圆心与所述转子轴(5)的中心之间的距离λ满足：
Figure FDA0003016110970000021
其中，Rw为外转子铁心(1)外径的半径，Rn为外转子铁心(1)内径的半径，b为永磁体(2)厚度。
7.根据权利要求5所述的具有葵花形内转子的空心杯结构电机，其特征在于，所述偏心圆弧的半径r满足：Rn-λ-3b≤r≤Rn-λ-2b；
其中，λ为偏心圆弧的圆心与转子轴(5)的中心之间的距离，Rn为外转子铁心(1)内径的半径，b为永磁体(2)厚度。
8.根据权利要求5所述的具有葵花形内转子的空心杯结构电机，其特征在于，所述的偏心内转子铁心(4)的圆形内侧半径rn满足：
Figure FDA0003016110970000031
其中，Rw为外转子铁心(1)外径的半径。
9.根据权利要求1至4任一项所述的具有葵花形内转子的空心杯结构电机，其特征在于，还包括机壳和空心杯定子(3)；
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。
10.根据权利要求9所述的具有葵花形内转子的空心杯结构电机，其特征在于，所述空心杯定子(3)包括绕组(31)和骨架(32)，所述绕组(31)缠绕于所述骨架(32)，所述骨架(32)上开设有三个凹槽，所述三个凹槽的电角度为120°，所述凹槽内设有霍尔元件(34)。
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