CN201118413Y - 盘式三相无刷永磁直流电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及盘式三相无刷永磁直流电机，为解决现有同类电机中绕组数目多、绕组端部较大、绕组利用率低、生产成本高等问题，本实用新型中，两个盘式转子上分别装有多对N、S极相间的永磁体，无铁芯盘式定子的虚槽中安装有三相绕组。所述转子的磁极数2P＝8N，或者2P＝10N；所述定子的虚槽数Z＝9N，其中N为正整数，三相绕组共有9N个线圈，每相有3N个线圈，所述定子的9N个虚槽中的三相绕组线圈的排列次序为A－/A－A－B/B－B－C－/C－C－A，并在圆周内循环N次。本实用新型的方案可使得电机中绕组的数目趋于最少，绕组的端部趋于最小，绕组的利用率趋于最高，从而使电机的铁耗和铜耗趋于最小，电机的生产成本趋于最低。

Description

盘式三相无刷永磁直流电机

技术领域

本实用新型涉及盘式三相无刷直流永磁电机，更具体地说，涉及一种由盘式定子无铁芯及盘式外转子构成的盘式三相无刷直流永磁电机，它可用于低速直接驱动和高速驱动，也可适用于低速和高速发电。

背景技术

传统无定子铁芯盘式无刷直流永磁电机的绕组设计中，通常沿用感应电机或盘式有铁芯永磁电机的设计方法。每极下布置三相绕组的3个边，这种绕组的端部很大，三相绕组的端部还产生重叠交叉，如图1所示。绕组的端部大，铜耗就大；绕组的端部重叠交叉又使得端部进一步变大和变厚，导致生产成本也会变高。而且传统永磁电机的运行效率也没有被充分发挥。

传统三相永磁电机每极每相槽数Z/(2Pm)＞1/2，其中2P为极数，m为相数，Z为槽数。例如：8极24槽和8极36槽，等等。一般来讲，每极每相槽数越大的电机，绕组的端部就会越大，绕组的利用率越低，铜耗会越大，这类电机的制造成本就越高。

在申请号为200610024330.X的“无刷电机槽数与磁钢数组合方案”专利中，公开了21槽(26极)、32槽(38极、40极)、39槽(44极、46极、50极)等方案，这些方案中，三相永磁电机的每极每相槽数Z/(2Pm)≤1/2。这类电机的制造成本比较低，但绕组利用率仍不算最高，其平均绕组系数为0.92左右，个别绕组线圈(或称元件)的绕组系数低于0.9，且绕组的联接方式也显复杂。

在公开号为CN1549432A的“轴向气隙无刷直流电机”专利中，公开了24极(18槽)电机的方案，其中每极每相槽数q＝Z/(2Pm)≤1/2，电机的制造成本比较低。但这种方案的绕组利用率只有0.866，且绕组的联接方式也显复杂。

又例如1997年1月17日公开的日本专利“特开平9-10474”，该专利的持有人是日本东芝株式会社。该专利提出一种外转子结构的三相无刷直流永磁电机方案，该专利齿槽配合为磁极数2P＝24；槽数Z＝36，相应的商业产品已经上市多年，在减小噪声方面取得了很大的成功。但是，由于该专利所采用的定子大小槽结构，电机每极每相槽数又比较大，使该电机的加工工艺变得颇为复杂，生产成本增加很多。

实用新型内容

针对现有技术的上述缺陷，本实用新型要解决的技术问题是如何使得三相无刷直流永磁电机中绕组的数目趋于最少，绕组的端部趋于最小，绕组的利用率趋于最高，从而使电机的铁耗和铜耗趋于最小，电机的生产成本趋于最低。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种盘式三相无刷永磁直流电机，其中，两个盘式转子上分别装有多对N、S极相间的永磁体，且第一个盘式转子上的永磁体N极正对第二个盘式转子上的永磁体S极以产生轴向气隙磁场；无铁芯盘式定子的虚槽中安装有三相绕组；其特征在于，所述转子的磁极数2P＝8N，或者2P＝10N，其中N为正整数；所述定子的虚槽数Z＝9N，三相绕组共有9N个线圈，每相有3N个线圈，所述定子的9N个虚槽中的三相绕组线圈的排列次序为A-/A-A-B-/B-B-C-/C-C-A，并在圆周内循环N次，其中A表示A相绕组的一个线圈，/A表示A相绕组的一个反接线圈，B、/B、C、/C以此类推。

本实用新型中，所述盘式转子上各个永磁体的形状可为正圆、或法向椭圆，所述各个永磁体沿盘式转子外侧均布，同一转子上的永磁体N、S极排列间隙为0.1～1mm工艺间隙；所述定子的各个虚槽的形状是与所述盘式转子上各个永磁体对应的正圆、或法向椭圆，并沿盘式定子外侧均布；所述三相绕组9N个线圈的圆心与所述盘式转子上各个永磁体的圆心处于相同的径向半径的圆上，每个线圈为简单的环型线圈并填充在所述虚槽中。

本实用新型中，所述盘式转子上各个永磁体的形状还可为扇形，所述各个永磁体沿盘式转子外侧均布，同一转子上的永磁体N、S极排列间隙为0.1～1mm工艺间隙；所述定子的各个虚槽的形状是与所述盘式转子上各个永磁体对应的扇形，并沿盘式定子外侧均布；所述三相绕组9N个线圈的几何中心与盘式转子上各个扇形永磁体的几何中心处于相同的径向半径的圆上，每个线圈为扇形并填充在所述虚槽中。

本实用新型中，所述盘式转子上各个永磁体与定子之间的轴向物理气隙最好是0.15～1mm，所述定子的厚度最好是1～8mm；所述定子中心装有定子轴，所述定子轴的两边装有轴承，所述盘式转子分别装于其中一个轴承上。

本实用新型中，所述三相绕组的引线可自局部中空的定子轴孔穿出。

本实用新型中，可设置两个线性霍尔传感器，两者互相间隔90度电角度，并通过PCB板固定在定子上；所述霍尔传感器的敏感方向朝向转子永磁体形成的气隙磁场，以传感气隙磁场的变化。

本实用新型中，也可设置三个开关霍尔传感器，三者互相间隔120度电角度，并通过PCB板固定在定子上；所述霍尔传感器的敏感方向朝向转子永磁体形成的气隙磁场，以传感气隙磁场的变化。

本实用新型可有以下的优选方案，N＝1，即定子有Z＝9个虚槽，转子有2P＝8个磁极，电机的同步转速为n＝15f；或者，N＝1，定子有Z＝9个虚槽，转子有2P＝10个磁极，电机的同步转速为n＝12f；或者，N＝2，定子有Z＝18个虚槽，转子有2P＝16个磁极，电机的同步转速为n＝7.5f；或者，N＝2，定子有Z＝18个虚槽，转子有2P＝20个磁极；电机的同步转速为n＝6f；或者，N＝3，定子有Z＝27个虚槽，转子有2P＝24个磁极，电机的同步转速为n＝5f；或者，N＝3，定子有Z＝27个虚槽，转子有2P＝30个磁极，电机的同步转速为n＝4f；或者，N＝4，定子有Z＝36个虚槽，转子有2P＝32个磁极，电机的同步转速为n＝3.75f；或者，N＝4，定子有Z＝36个虚槽，转子有2P＝40个磁极，电机的同步转速为n＝3f；其中，f是反电势频率。在这些优选方案中，三相绕组线圈的排列次序均为A-/A-A-B-/B-B-C-/C-C-A，并在圆周内循环N次。

由于采取了上述技术方案，本实用新型中，一种定子可以适配两种磁极数的转子，从而使所生产的电机具有更宽广的转速范围和更宽广的转矩范围；另一方面，该电机的定子无铁芯，因此无定位力矩，特别适合作为发电机使用，其效率非常高。本实用新型的电机中，绕组的数目趋于最少，绕组的端部趋于最小，绕组的利用率趋于最高，从而使电机的铁耗和铜耗趋于最小；同时，它的绕组形式和联接方式趋于最简单明了，材料利用率高和结构工艺好，电机的生产成本趋于最低。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是传统无定子铁芯盘式无刷直流永磁电机的绕组结构示意图；

图2是盘式三相无刷永磁直流电机的结构示意图；

图3是圆形磁钢的2P＝10极或8极，Z＝9槽电机的定子绕组结构示意图；

图4是扇形磁钢的2P＝10极或8极，Z＝9槽电机的定子绕组结构示意图；

图5是圆形磁钢的2P＝8极，Z＝9槽电机的转子盘结构示意图；

图6是圆形磁钢的2P＝10极，Z＝9槽电机的转子盘结构示意图；

图7是扇形磁钢的2P＝8极，Z＝9槽电机的转子盘结构示意图；

图8是扇形磁钢的2P＝10极，Z＝9槽电机的转子盘结构示意图；

图9是圆形磁钢，2P＝20极或16极，Z＝18槽电机的定子绕组结构示意图；

图10是圆形磁钢，2P＝16极，Z＝18槽电机的转子盘结构示意图；

图11是圆形磁钢，2P＝20极，Z＝18槽电机的转子盘结构示意图。

图2中，1是定子，2是左转子盘，3是右转子盘，4是左转子盘磁钢，5是右转子盘磁钢，6是轴承，7是定子轴，8是三相绕组引出线，9是霍尔元件及PCB板，10是电机。

具体实施方式

由前述内容可知，本实用新型提供了一种盘式三相无刷永磁直流电机，其中转子的磁极数2P＝8N，或者2P＝10N，其中N为正整数；本实用新型电机的定子无铁芯，所以定子的槽数Z又称虚槽数，定子的虚槽数Z＝9N。其中N＝1、2、3、4……100。

因此，这种电机的每极每相槽数为q＝Z/(2Pm)＝9N/(8N*3)＝3/8，或者q＝Z/(2Pm)＝9N/(10N*3)＝3/10，两者均小于1/2，故称大极电机或大极集中绕组电机。对应于每极每相槽数3/8、或3/10，本实用新型电机的每极每相布置3/8个绕组线圈、或3/10个绕组线圈。本实用新型电机仅有Z个集中绕组，每相仅有Z/3＝3N个集中绕组，电机的绕组总数非常少，大大简化了电机结构和制造工艺，降低了成本；由于无定子铁芯使定位力矩和铁耗趋零，允许气隙最小化，使磁密获得提高；同时绕组端部减少到传统电机的1/3～1/6甚至更多，达到了最小化，于是铜耗大幅下降。由于本实用新型电机的定子无铁芯，因此无定位力矩，电机磁极数选取范围大，特别适用于低速直接驱动和高速驱动，适用于低速和高速发电，其电机效率非常高。其中：

槽距电角度：

反相后为20°。

或

分布系数： $K_{d1}=\frac{\sin \left(\frac{3\×20}{2}\right)}{3\sin \frac{20}{2}}=0.960.$

节距系数： $K_{p1}=\sin (\frac{8\left(10\right)}{9}\×90)=0.985$

绕组系数：K_w1＝K_d1K_p1＝0.946。

本实用新型中，电机的绕组系数均为0.946。由于分布系数为0.96，节距系数为0.985使得本实用新型电机绕组的线反电势波形是相当理想的正弦波。

本实用新型的一个优选实施例如图2所示，图中示出的是一个盘式三相无刷永磁直流电机10，其左侧转子盘2的磁钢至定子体1的轴向物理气隙是0.15～1mm，定子体的厚度是1～8mm，定子体1至右侧转子盘3磁钢的轴向物理气隙也是0.15～1mm；盘式定子体中心是定子轴7，轴的两边装有轴承6，起到支撑转子盘的作用，并使定子与转子间保持物理气隙，使转子可以自由旋传，三相绕组引出线8从定子轴7穿出。

本实施例中，两个线性霍尔传感器通过PCB板9固定在定子1上，霍尔传感器敏感方向朝向盘式转子磁钢形成的气隙磁场，以便敏感气隙磁场的变化，两个开关霍尔传感器互相间隔90度电角度。具体实施时，也可采用三个开关霍尔传感器通过PCB板固定在定子上，霍尔传感器敏感方向朝向盘式转子磁钢形成的气隙磁场，以便敏感气隙磁场的变化，三个开关霍尔传感器互相间隔120度电角度。

本实用新型的一个优选实施例中，盘式三相无刷永磁直流电机的盘式转子上的永磁体的形状如图5所示，其中，磁极数2P＝8个正圆磁钢(即永磁体)沿盘式转子外侧均布，N、S极磁钢相间排列，排列间隙0.1～1mm为工艺间隙。与这种转子对应的定子如图3所示，定子的Z＝9个虚槽也都呈相似的正圆，沿盘式定子外侧均布。三相绕组9个线圈的圆心与转子磁钢的圆心处于相同的径向半径的圆上。每个绕组线圈为简单的环型线圈并填充在虚槽中，三相绕组排列次序为A-/A-A-B-/B-B-C-/C-C-A；其中A表示A相绕组的一个线圈，/A表示A相绕组的一个反接线圈，B表示B相绕组的一个线圈，/B表示B相绕组的一个反接线圈，C表示C相绕组的一个线圈，/C表示C相绕组的一个反接线圈。它绕组的形式和联接方式非常简单明了，容易自动化机绕。本实施例中，磁钢的加工比较容易，环型线圈的加工则更容易，其线反电势波形更接近理想的正弦波。具体实施时，其中的各个正圆磁钢还可设计为法向椭圆磁钢，相对应，此时定子的Z＝9个虚槽也都呈相似的法向椭圆。

本实用新型的另一个优选实施例中，盘式转子上的永磁体的形状如图6所示，其中，磁极数2P＝10，同样采用正圆磁钢；与之配合的定子如图3所示。三相绕组排列次序为A-/A-A-B-/B-B-C-/C-C-A。其他方面与图5所示实施例相同。具体实施时，其中的各个正圆磁钢还可设计为法向椭圆磁钢，相对应，此时定子的Z＝9个虚槽也都呈相似的法向椭圆。

本实用新型的另一个优选实施例中，盘式转子上的永磁体的形状如图7所示，其中磁极数2P＝8，其中采用的是扇形磁钢，N、S极磁钢相间排列，排列间隙0.1～1mm为工艺间隙。与之对应的定子如图4所示，定子Z＝9个虚槽也都呈相似扇形，沿盘式定子外侧均布。三相绕组9个扇形线圈的几何中心与转子扇形磁钢的几何中心处于相同的径向半径的圆上。每个绕组线圈为扇形并填充在虚槽中，三相绕组排列次序为A-/A-A-B-/B-B-C-/C-C-A。这种磁钢形状的优点是能够产生一个基波气隙磁场和一个幅值为基波幅值1/6左右的三次谐波气隙磁场分量，合成的气隙磁场是一个基波磁场与一个三次谐波合成的气隙磁场。这种注入三次谐波分量的气隙磁场使电机磁钢利用率提高了15％左右，电机的出力相应增加了15％左右。由于所述电机为三相电机，三次谐波磁场不会产生电磁力矩波动。

本实用新型的另一个优选实施例中，盘式转子上的永磁体的形状如图8所示，其中磁极数2P＝10，同样采用的是扇形磁钢；与之对应的如图4所示。每个绕组线圈为扇形，三相绕组排列次序为A-/A-A-B-/B-B-C-/C-C-A。其他方面与图7所示实施例相同。

由上述实施例可以看出，一种定子可以适配两种磁极数的转子，从而使所生产的电机具有更宽广的电机转速范围和更宽广的转矩范围。

前述几个实施例中，图3的定子加图5的转子为一组，其中N＝1，即定子有Z＝9个虚槽，转子有2P＝8个磁极，n＝60f/P＝15f，虚槽和磁极的形状为正圆；图3的定子加图6的转子为一组，其中N＝1，即定子有Z＝9个虚槽，转子有2P＝10个磁极，n＝60f/P＝12f，虚槽和磁极的形状为正圆；图4的定子加图7的转子为一组，其中N＝1，即定子有Z＝9个虚槽，转子有2P＝8个磁极，n＝60f/P＝15f，虚槽和磁极的形状为扇形；图4的定子加图8的转子为一组，其中N＝1，即定子有Z＝9个虚槽，转子有2P＝10个磁极，n＝60f/P＝12f，虚槽和磁极的形状为扇形。

如图9所示的定子加图10所示的转子为一组，其中N＝2，即定子有Z＝18个虚槽，转子有2P＝16个磁极，三相绕组排列次序为A-/A-A-B-/B-B-C-/C-C-A，共循环2次，电机的同步转速为n＝60f/P＝7.5f，虚槽和磁极的形状为正圆。

如图9所示的定子加图11所示的转子为一组，其中N＝2，即定子有Z＝18个虚槽，转子有2P＝20个磁极，三相绕组排列次序为A-/A-A-B-/B-B-C-/C-C-A，共循环2次，电机的同步转速为n＝6f，虚槽和磁极的形状为正圆。

除了这些组合之外，本实用新型还可有其他实施方式，例如：

(1)N＝3，即定子有Z＝27个虚槽，转子有2P＝24个磁极，三相绕组排列次序为A-/A-A-B-/B-B-C-/C-C-A，共循环3次，电机的同步转速为n＝5f；

(2)N＝3，即定子有Z＝27个虚槽，转子有2P＝30个磁极，三相绕组排列次序为A-/A-A-B-/B-B-C-/C-C-A，共循环3次，电机的同步转速为n＝4f，f是反电势频率；

(3)N＝4，即定子有Z＝36个虚槽，转子有2P＝32个磁极，三相绕组排列次序为A-/A-A-B-/B-B-C-/C-C-A，共循环4次，电机的同步转速为n＝3.75f；

(4)N＝4，即定子有Z＝36个虚槽，转子有2P＝40个磁极，三相绕组排列次序为A-/A-A-B-/B-B-C-/C-C-A，共循环4次，电机的同步转速为n＝3f。

当然，在满足转子的磁极数2P＝8N或者2P＝10N且定子的虚槽数Z＝9N这一前提的条件下，本实用新型还可以有其他的组合实施方式。

Claims (8)

1、一种盘式三相无刷永磁直流电机，其中，两个盘式转子上分别装有多对N、S极相间的永磁体，且第一个盘式转子上的永磁体N极正对第二个盘式转子上的永磁体S极以产生轴向气隙磁场；无铁芯盘式定子的虚槽中安装有三相绕组；

其特征在于，所述转子的磁极数2P＝8N，或者2P＝10N，其中N为正整数；所述定子的虚槽数Z＝9N，三相绕组共有9N个线圈，每相有3N个线圈，所述定子的9N个虚槽中的三相绕组线圈的排列次序为A-/A-A-B-/B-B-C-/C-C-A，并在圆周内循环N次，其中A表示A相绕组的一个线圈，/A表示A相绕组的一个反接线圈，B、/B、C、/C以此类推。

2、根据权利要求1所述的盘式三相无刷永磁直流电机，其特征在于，所述盘式转子上各个永磁体的形状为正圆、或法向椭圆，所述各个永磁体沿盘式转子外侧均布，同一转子上的永磁体N、S极排列间隙为0.1～1mm工艺间隙；所述定子的各个虚槽的形状是与所述盘式转子上各个永磁体对应的正圆、或法向椭圆，并沿盘式定子外侧均布；所述三相绕组9N个线圈的圆心与所述盘式转子上各个永磁体的圆心处于相同的径向半径的圆上，每个线圈为简单的环型线圈并填充在所述虚槽中。

3、根据权利要求1所述盘式无铁芯外转子三相无刷永磁直流机，其特征在于，所述盘式转子上各个永磁体的形状为扇形，所述各个永磁体沿盘式转子外侧均布，同一转子上的永磁体N、S极排列间隙为0.1～1mm工艺间隙；所述定子的各个虚槽的形状是与所述盘式转子上各个永磁体对应的扇形，并沿盘式定子外侧均布；所述三相绕组9N个线圈的几何中心与盘式转子上各个扇形永磁体的几何中心处于相同的径向半径的圆上，每个线圈为扇形并填充在所述虚槽中。

4、根据权利要求1所述盘式三相无刷永磁直流电机，其特征在于，所述盘式转子上各个永磁体与定子之间的轴向物理气隙是0.15～1mm，所述定子的厚度是1～8mm；所述定子中心装有定子轴，所述定子轴的两边装有轴承，所述盘式转子分别装于其中一个轴承上。

5、根据权利要求4所述盘式三相无刷永磁直流电机，其特征在于，所述三相绕组的引线自局部中空的定子轴孔穿出。

6、根据权利要求1所述盘式三相无刷永磁直流电机，其特征在于，其中设有两个线性霍尔传感器，两者互相间隔90度电角度，并通过PCB板固定在定子上；所述霍尔传感器的敏感方向朝向转子永磁体形成的气隙磁场，以传感气隙磁场的变化。

7、根据权利要求1所述盘式三相无刷永磁直流电机，其特征在于，其中设有三个开关霍尔传感器，三者互相间隔120度电角度，并通过PCB板固定在定子上；所述霍尔传感器的敏感方向朝向转子永磁体形成的气隙磁场，以传感气隙磁场的变化。

8、根据权利要求1-7中任一项所述的盘式三相无刷永磁直流电机，其特征在于，其中：N＝1，即定子有Z＝9个虚槽，转子有2P＝8个磁极，电机的同步转速为n＝15f；

或者，N＝1，定子有Z＝9个虚槽，转子有2P＝10个磁极，电机的同步转速为n＝12f；

或者，N＝2，定子有Z＝18个虚槽，转子有2P＝16个磁极，电机的同步转速为n＝7.5f；

或者，N＝2，定子有Z＝18个虚槽，转子有2P＝20个磁极；电机的同步转速为n＝6f；

或者，N＝3，定子有Z＝27个虚槽，转子有2P＝24个磁极，电机的同步转速为n＝5f；

或者，N＝3，定子有Z＝27个虚槽，转子有2P＝30个磁极，电机的同步转速为n＝4f；

或者，N＝4，定子有Z＝36个虚槽，转子有2P＝32个磁极，电机的同步转速为n＝3.75f；

或者，N＝4，定子有Z＝36个虚槽，转子有2P＝40个磁极，电机的同步转速为n＝3f；

其中，f是反电势频率。

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