專利名稱：小型三相高性能方波永磁直流低速無刷電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種小型三相高性能方波永磁直流低速無刷電機(jī)，特別是具有高能量效率、低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、低磁阻定位轉(zhuǎn)矩、低損耗、低噪聲、用料省、結(jié)構(gòu)簡單、低成本，又易于以自動(dòng)化方式大批量生產(chǎn)、具有新型電機(jī)電磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、無減速器的直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，屬小型電機(jī)領(lǐng)域。
永磁無刷電機(jī)以其具有無勵(lì)磁損耗、小體積、結(jié)構(gòu)與維護(hù)簡單、高功率密度、高效率，以及調(diào)速、控制與驅(qū)動(dòng)均較方便，因而在世界經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域已得到了廣泛應(yīng)用，特別是在電動(dòng)車、家用電器、工業(yè)驅(qū)動(dòng)以及信息產(chǎn)業(yè)、辦公自動(dòng)化等方面的應(yīng)用已極其廣泛。
在電動(dòng)車領(lǐng)域，近年來永磁直流無刷電機(jī)的應(yīng)用已得到了極大的發(fā)展，這得益于石油資源臨近枯竭、油價(jià)飛漲以及環(huán)境污染日益嚴(yán)重、節(jié)能環(huán)保已成為時(shí)代要求最強(qiáng)音而帶來的新的、巨大的發(fā)展契機(jī)。特別是在小型電動(dòng)車領(lǐng)域，中國2005年僅電動(dòng)自行車即已達(dá)到年產(chǎn)1300萬輛以上，無刷電機(jī)現(xiàn)已取代有刷電機(jī)成為小型電動(dòng)車的主流。電動(dòng)摩托車與電動(dòng)汽車也為世界產(chǎn)業(yè)界以前所未有的熱情受到關(guān)注并競相投入研發(fā)。永磁直流無刷電機(jī)在電動(dòng)車領(lǐng)域已開始形成了一個(gè)規(guī)模巨大、前景光明的新市場。
在家用電器領(lǐng)域，由于節(jié)能與綠色環(huán)保的要求已使永磁直流無刷電機(jī)成為主要驅(qū)動(dòng)電機(jī)，無論是洗衣機(jī)還是空調(diào)，無不展現(xiàn)了這一發(fā)展趨勢。至于信息產(chǎn)業(yè)與辦公自動(dòng)化方面，各種電腦及其外設(shè)同樣在大量使用著各種規(guī)格的永磁直流無刷電機(jī)。在汽車與工業(yè)領(lǐng)域，永磁直流無刷電機(jī)也正在急劇擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域，不斷取代那些低效率、高能耗的落后電機(jī)。正是這種巨大的市場需求強(qiáng)有力地推動(dòng)著永磁直流無刷電機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展。
然而，目前市售的許多小型無刷電機(jī)產(chǎn)品仍在不同程度上存在許多缺陷，不僅在制造質(zhì)量方面，在產(chǎn)品性能方面也有很多仍遠(yuǎn)不理想。例如效率低——空載電流大，鐵耗大；在大轉(zhuǎn)矩負(fù)載下銅耗大，效率曲線急劇降低，致使效率曲線平臺區(qū)域窄，驅(qū)動(dòng)能力差；電機(jī)電磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，磁阻定位轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)與振動(dòng)大；繞組繞線、嵌線自動(dòng)化程度低，相當(dāng)部分的產(chǎn)品雖早已進(jìn)入大批量生產(chǎn)，但至今繞線、裝配均仍以手工操作為主，生產(chǎn)效率低下、產(chǎn)品質(zhì)量也難以保證；還有許多產(chǎn)品，由于難以解決低速大轉(zhuǎn)矩與期望高效率的矛盾，不得不仍采用高速電機(jī)加機(jī)械減速器的結(jié)構(gòu)模式。由于機(jī)械減速器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，材質(zhì)、熱處理與制造工藝均要求嚴(yán)格，因而總制造成本顯著升高，噪聲也大，還增加了售后維修服務(wù)工作量等。綜上所述，究其原因，首先是當(dāng)今在無刷電機(jī)的設(shè)計(jì)理論與方法上仍不十分完善所致。
本發(fā)明的首要目的，是提供一種具有先進(jìn)、合理的電機(jī)電磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，無減速器、直接驅(qū)動(dòng)的系列小型徑向磁場、三相方波永磁直流低速無刷電機(jī)，且具有高能量效率、低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、低磁阻定位轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)矩諧波系數(shù)、低繞組諧波電勢、低損耗、低溫升、高槽滿率、高可靠、長壽命等高性能。本發(fā)明的另一目的，是提供一種用材少、同時(shí)又易于以自動(dòng)化方式大批量生產(chǎn)的新結(jié)構(gòu)與高功效的新工藝方法，以期達(dá)到大幅度提高電機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本的目的。
背景技術(shù)：
無刷電機(jī)已有二十余年的發(fā)展歷史，然而由于無刷電機(jī)為新型機(jī)電一體化產(chǎn)品，涉及與控制器的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換與相互作用機(jī)制，設(shè)計(jì)十分復(fù)雜、難度高。其設(shè)計(jì)參數(shù)眾多，計(jì)算繁雜，方案可選擇范圍寬，影響性能因素眾多，設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的積累迄今又相對地較少，因而在設(shè)計(jì)理論與方法上仍不能說已完全成熟，故有許多實(shí)際產(chǎn)品尚未達(dá)到理想性能。
在這方面，國內(nèi)外許多發(fā)明者已做出了大量努力。例如，目前低速方波永磁直流無刷電機(jī)的改進(jìn)已趨向于采用分?jǐn)?shù)槽繞組替代整數(shù)槽繞組，用集中繞組代替分布繞組(即用非重疊繞組替代重疊繞組)，用直槽代替斜槽，用平板磁鋼代替圓弧(瓦)形磁鋼，用分割式或稱組合式、鑲嵌(拼)式等的電樞鐵心代替整體式鐵心，還出現(xiàn)了小體積、高轉(zhuǎn)矩與高功率密度的多重氣隙結(jié)構(gòu)電機(jī)等。嵌入式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、無鐵心電機(jī)、無位置傳感器的電機(jī)——控制器組合的研究也正方興未艾。高可靠智能控制器內(nèi)置電機(jī)在小型電機(jī)中的應(yīng)用研究也在進(jìn)行。在電機(jī)設(shè)計(jì)方面，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、人工專家智能系統(tǒng)、設(shè)計(jì)自動(dòng)化、最優(yōu)化方法以及有限元電磁場分析技術(shù)也正逐步得到應(yīng)用。
然而，在小功率直流永磁低速無刷電機(jī)設(shè)計(jì)方面，仍有很多尚待深入分析研究的領(lǐng)域與技術(shù)。例如在方波永磁低速無刷電機(jī)的電磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，特別是其齒(槽)數(shù)與極數(shù)的實(shí)際已選用范圍非常分散，缺乏合理的構(gòu)成與成熟、系統(tǒng)的搭配方案。另一方面，電機(jī)結(jié)構(gòu)很多仍主要源于傳統(tǒng)的三相異步電機(jī)設(shè)計(jì)，電機(jī)的繞線特別是嵌線常以手工為主，生產(chǎn)效率與自動(dòng)化程度低。雖然出現(xiàn)了許多形式的自動(dòng)繞線、嵌線機(jī)并可直接繞在電樞齒上，但這種繞線機(jī)往往機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴。繞線也因嵌入工藝的方式以及空間所限定，決定了其工作速度不可能太高、效率低且難以實(shí)現(xiàn)排繞。
在迅速發(fā)展的分割式鐵心技術(shù)方面，已出現(xiàn)了很多新的專利，例如JP11-234928，JP2000-201457，JP2002-84698，JP8-126240，JP2002-320351等等。分割式鐵心的優(yōu)點(diǎn)是電樞齒間的槽部位空間在繞線時(shí)可以敞開，使自動(dòng)化繞線容易實(shí)現(xiàn)；這樣，可使用集中繞組，能實(shí)現(xiàn)排繞，因而可顯著提高槽滿率、減少繞組端部長度，進(jìn)而提高電機(jī)效率與可靠性。因鐵心被分割，各單元沖片尺寸減小，加之使用合理套裁，將使鐵心材料的利用率大大提高。
現(xiàn)有分割型鐵心方案存在的主要問題是分割的單元鐵心段通常經(jīng)由左右兩端小尺寸的凸凹部分相互連接，整體剛性較差，會對電機(jī)的振動(dòng)、噪音性能保證方面有負(fù)面影響。由于各單元鐵心段需鑲嵌入磁軛后才能成為整體，故對其連接部位的尺寸公差及沖裁模具與機(jī)床精度均要求嚴(yán)格，在這方面將造成制造成本的升高。有的鐵心段靠其“薄肉(壁)部”相互連接，但在整體鑲嵌成園后還需進(jìn)行輔助焊接，這又易造成漏磁的增加。
日本專利JP2005-185100公布了將鐵心段的左右兩側(cè)的凸凹部形成鉸鏈，各鐵心段連接后則可拉直，猶如活節(jié)鏈條般以便繞線。其缺點(diǎn)是繞線骨架必須為兩半對合，且導(dǎo)線必須繞在已裝好骨架的鐵心段上。繞線不能與鐵心段分開獨(dú)立進(jìn)行，這是現(xiàn)有眾多分割型鐵心方案存在的常見問題，這勢必使繞線工藝復(fù)雜化而增加成本；另外，由于電樞鐵心上仍留有較大槽口，因而齒槽轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)未能顯著減少，因鐵心段間的間隙存在引起的漏磁增大也未得到補(bǔ)償。
此外，還有一些方案在各鐵心齒上的線圈往往需要單獨(dú)繞制并斷頭，而后各線圈間的導(dǎo)線還需彼此通過焊接再連接成相繞組。由于這種方法不能連續(xù)進(jìn)行線圈繞制，這將使斷頭數(shù)量顯著增加，還可能導(dǎo)致連接處電阻增大、電機(jī)可靠性將變差并使生產(chǎn)效率低下。
如何設(shè)計(jì)出高性能、低成本、工藝性好又易于大批量生產(chǎn)的無刷電機(jī)現(xiàn)已成為眾多從事電機(jī)研究的科學(xué)家與設(shè)計(jì)工程師的持續(xù)努力目標(biāo)，本發(fā)明也是在這方面所作的又一新的努力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在對方波磁場多極低速無刷電機(jī)設(shè)計(jì)的電磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特別是其齒(槽)/極比及其性能、制造方法與其繞組工藝的關(guān)系等進(jìn)行了大量研究的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)了確保其高效率、低齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、低諧波、低損耗、相間平衡等性能的內(nèi)在組合、匹配規(guī)律，優(yōu)化了齒(槽)數(shù)與極數(shù)，大大減少了低速無刷電機(jī)系列產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造的難度。
根據(jù)本發(fā)明的一種小型三相高性能永磁直流低速無刷電機(jī)，由轉(zhuǎn)子與定子兩大部分組成， 定子與轉(zhuǎn)子間為徑向氣隙、方波磁場；定子/電樞鐵心為直槽，轉(zhuǎn)子為直接驅(qū)動(dòng)方式，無減速器結(jié)構(gòu)。其特征是
電機(jī)的電磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為定子的等效齒數(shù)Z/等效槽數(shù)Q為奇數(shù)，且為相數(shù)的整數(shù)倍Z(Q)＝3×(2m-1)，其中m為大于零的正整數(shù)，m＝1，2，3，......；等效齒數(shù)/等效槽數(shù)的優(yōu)先選擇范圍Z(Q)＝9-57，相應(yīng)m＝2，3，......10。
轉(zhuǎn)子的等效磁極數(shù)為2p＝Z(Q)+(6n-5)，其中n只限于取n＝2/3，1，2，3。
定子的等效齒數(shù)Z/等效槽數(shù)Q與轉(zhuǎn)子的等效磁極數(shù)2p之間的最佳對應(yīng)匹配關(guān)系為第一系列即n＝2/3與第二系列即n＝1時(shí)，等效磁極數(shù)2p應(yīng)由與m≥2相應(yīng)的齒數(shù)選??；第三系列即n＝2時(shí)，應(yīng)由m≥5選取；第四系列，即n＝3時(shí)應(yīng)由m≥8選取；優(yōu)選第一與第二系列時(shí)，可使每相繞組齒間的跨接連線最短僅為相鄰兩齒間的連線長度，但相鄰繞組的繞向則相反。選擇第三、四系列時(shí)，齒間連線長度較第一與第二系列長些，但定轉(zhuǎn)子在整個(gè)圓周的電磁作用力分布較均勻，不易產(chǎn)生偏心與振動(dòng)。上述優(yōu)化的各系列的各種組合方案均可使電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、磁阻定位轉(zhuǎn)矩低，銅耗少、能量效率高。
定子(電樞)鐵心可為整體式或分割式。
定子鐵心為整體時(shí)，優(yōu)先由硅鋼片鋼帶以卷繞法直接一次成型，也可由硅鋼片沖壓為單片再經(jīng)堆疊扣鉚或由鉚釘鉚接成型。
當(dāng)定子鐵心為分割式時(shí)，定子鐵心由多個(gè)齒單元與一只或多只磁軛單元組合構(gòu)成，即磁軛圓環(huán)可為整體式或分段相互嵌入式，此時(shí)磁軛整體仍為圓環(huán)狀。當(dāng)定子鐵心由一只整體式磁軛單元構(gòu)成時(shí)，仍優(yōu)先由硅鋼片鋼帶以卷繞法直接一次成型，也可由硅鋼片沖壓為單片再經(jīng)堆疊扣鉚或由鉚釘鉚接成型；當(dāng)定子鐵心由多只磁軛單元構(gòu)成時(shí)，磁軛單元與齒單元鐵心一樣只可由硅鋼片沖壓為單片再經(jīng)堆疊扣鉚或由鉚釘鉚接成型。
當(dāng)定子鐵心為分割式時(shí)，每個(gè)齒單元的根部緊密嵌入磁軛單元上開出的具有對應(yīng)形狀的凹口內(nèi)并齊平，齒的根部嵌入部分之底部為燕尾或圓弧形，靠近磁軛的部分為齒的直線段伸延，兩部分的連接部由圓弧過渡。齒的底部燕尾或圓弧嵌入部分的最大寬度不大于齒寬，以便安放繞線骨架。
當(dāng)定子鐵心為分割式、磁軛為分段相互嵌入式時(shí)，每段的兩端分別為凸起齒與凹入槽。按本發(fā)明，其特征是凸起齒與凹入槽的形狀可為燕尾或圓弧形，各段間靠兩端的凸起齒與凹入槽彼此緊密嵌入形成圓環(huán)形磁軛。
當(dāng)定子鐵心為分割式時(shí)，按本發(fā)明，其特征是每個(gè)齒的極靴兩端與相鄰極靴的兩端間相互為的密接，無嵌線槽口，以補(bǔ)償由于各鐵心段間相互拼接間隙造成的總漏磁增大并大幅度減小齒槽效應(yīng)轉(zhuǎn)矩——磁阻定位轉(zhuǎn)矩及其脈動(dòng)。由于磁軛部的磁通密度較低，磁軛圓環(huán)部分可選用的矽鋼片厚度可等于或大于各齒部鐵心選用的矽鋼片厚度以減少沖片數(shù)目、降低成本，但總疊厚相同。
當(dāng)定子鐵心為分割式時(shí)，按本發(fā)明，其特征是定子鐵心的相鄰齒間形成的槽為具有由磁軛形成的圓弧底面、槽形為近似梯形的閉口直槽，極靴邊緣無尖角。
永久磁鐵材料為稀土永磁釹鐵硼，徑向充磁。當(dāng)轉(zhuǎn)子為外轉(zhuǎn)子時(shí)，外轉(zhuǎn)子由環(huán)狀導(dǎo)磁軛鐵與表貼式片狀永久磁鐵組成，永磁片粘貼于環(huán)狀導(dǎo)磁軛鐵的內(nèi)表面，依次以相反極性排列，相鄰磁鋼的極性排列為NSNS......。按本發(fā)明，其特征是片狀永久磁鐵優(yōu)先為平板形。當(dāng)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)方案選擇的極數(shù)過少導(dǎo)致平板型永磁片與定子間形成的氣隙顯著偏離圓環(huán)形時(shí)，可將使用的平板型永磁片數(shù)量增加一倍，即每塊平板形永磁片用兩塊相鄰為同極性的永磁片代替。這樣每塊永磁片的寬度近似減少一倍，但等效磁極數(shù)不變，而相鄰永磁片的極性排列變?yōu)镹NSSNNSS......。
當(dāng)定子鐵心直徑較大而設(shè)計(jì)方案仍需選擇較少的齒數(shù)時(shí)，按本發(fā)明，其特征是可將定子鐵心的實(shí)際的齒數(shù)擴(kuò)大為等效齒數(shù)的k倍，即定子上的相鄰k個(gè)齒仍視作單一齒，等效為單一齒的相鄰k個(gè)齒上的各繞組線圈通過串聯(lián)或并聯(lián)連接后即仍可作為原設(shè)計(jì)方案中的單齒上的一個(gè)繞組，使定子的等效齒數(shù)仍為Z。相應(yīng)地各繞組骨架則可不需再開分槽，以減少在一只骨架上同時(shí)平排、并繞多根導(dǎo)線以及骨架的制造工藝難度。
定子繞組可由單根導(dǎo)線繞制，也可由多根導(dǎo)線并繞。按本發(fā)明，其特征是繞組為分?jǐn)?shù)槽、非重疊集中繞組，導(dǎo)線優(yōu)先選用自粘、自焊型漆包銅線。但無論是使用單根或多根導(dǎo)線，均應(yīng)為平排、密繞，并盡量使導(dǎo)線間無交疊，層間緊密排列。各相繞組間可按對稱星形連接，也可按三角形連接。每相繞組可留中間抽頭，但各相間的繞組抽頭匝數(shù)為對稱分布。
當(dāng)定子鐵心為分割式時(shí)，導(dǎo)線繞在阻燃耐熱塑料骨架上；按本發(fā)明，其特征是在使用多根導(dǎo)線的情況下，骨架上的繞線槽開有與導(dǎo)線根數(shù)相同數(shù)目的分槽。
各繞線塑料骨架靠近磁軛一端的擋板彼此按一定間距相互連接，按本發(fā)明，其特征是骨架連接可為由注塑直接將多個(gè)骨架一次成型成一體，也可由單個(gè)骨架通過膠粘帶、本體焊接、粘接、熱合或搭扣及柔性連接片等機(jī)械方式連接成一體。這樣可使繞線工序完全脫離定子的齒鐵心段而單獨(dú)繞制，有利于實(shí)現(xiàn)繞線工序高效自動(dòng)化并可大大簡化繞線機(jī)結(jié)構(gòu)，可顯著降低繞線機(jī)制造或購置成本，易于實(shí)現(xiàn)電機(jī)的大批量、低成本生產(chǎn)。
電機(jī)可有或無位置傳感器。當(dāng)有位置傳感器、傳感器為霍爾開關(guān)元件時(shí)，按本發(fā)明，其特征是傳感器引出信號線優(yōu)先使用屏蔽線，以減少對換向元件的干擾，使其避免受到主回路關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)尖峰脈沖沖擊而損壞。


圖1列出了按本發(fā)明提出的電機(jī)新電磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方波永磁直流低速無刷電機(jī)的定子等效齒數(shù)Z與轉(zhuǎn)子等效極數(shù)2p之間的最佳匹配關(guān)系方案。
圖2為根據(jù)圖1中的第一系列等效齒數(shù)與等效磁極數(shù)配合設(shè)計(jì)的電機(jī)繞組的磁勢星形圖的部分圖例。
圖3為根據(jù)圖1中的第二系列等效齒數(shù)與等效磁極數(shù)配合設(shè)計(jì)的電機(jī)繞組磁勢星形圖的部分圖例。
圖4為根據(jù)圖1中的第三系列等效齒數(shù)與等效磁極數(shù)配合設(shè)計(jì)的電機(jī)繞組磁勢星形圖的部分圖例。
圖5為根據(jù)圖1中的第四系列等效齒數(shù)與等效磁極數(shù)配合設(shè)計(jì)的電機(jī)繞組磁勢星形圖的部分圖例。
圖6為根據(jù)圖1中所列的等效齒數(shù)設(shè)計(jì)的分割式電樞鐵心沖片外形實(shí)例，圖中Z＝33。
圖7為根據(jù)圖1中的等效齒數(shù)與等效磁極數(shù)設(shè)計(jì)的部分電樞繞組電氣接線圖例，圖中Z＝33，2P＝32，34，40。
圖8為根據(jù)圖1中的等效齒數(shù)設(shè)計(jì)的繞線骨架及骨架串結(jié)構(gòu)圖例。圖中，1為骨架，2為中間開有方孔的單面膠粘帶。
圖9為根據(jù)圖1中的等效齒數(shù)、分割式電樞鐵心設(shè)計(jì)的電樞鐵心部件結(jié)構(gòu)簡圖例，圖中3為帶加強(qiáng)筋的繞線塑料骨架，4為齒單元，5為磁軛單元。
圖10為根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的無刷輪轂電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖例。圖中，6為平板型永磁片，7為帶輻條孔的輪轂磁軛，8為轉(zhuǎn)子單元，9為定子電樞單元，10為導(dǎo)線繞組，11為非導(dǎo)磁性定子支撐環(huán)，12為帶內(nèi)鑲鋼套的鋁端蓋，13為電機(jī)軸，14為軸承，15為保護(hù)套管，16為引線，17、18為安裝螺母與防轉(zhuǎn)墊圈。
具體實(shí)施例方式
以下參照圖1至圖10對根據(jù)本發(fā)明的小型三相高性能方波永磁直流無刷低速電機(jī)的實(shí)施例進(jìn)行說明。
由圖1至圖5并比較可見，第一、第二系列的等效齒數(shù)/等效槽數(shù)與等效磁極數(shù)配合其特點(diǎn)是每相繞組的各線圈可按齒序連續(xù)排列，僅相鄰齒的繞組繞向?yàn)榉聪?。因而本方案具有齒上繞組間的跨距即跨接連線最短——僅一個(gè)齒距的優(yōu)點(diǎn)，也極易以結(jié)構(gòu)簡單的平排密繞繞線機(jī)實(shí)現(xiàn)繞線工序的高速化、自動(dòng)化，并可大幅度提高繞線質(zhì)量、降低設(shè)備設(shè)計(jì)、制造或購置成本。此外，由于各相繞組各自集中分布，繞組的相間互感小。其缺點(diǎn)是對通常的兩相導(dǎo)通、三相六狀態(tài)的無刷電機(jī)控制方式而言，由于該方案在實(shí)際負(fù)載下的任意瞬間僅有兩相導(dǎo)通，故電機(jī)定轉(zhuǎn)子在整個(gè)圓周的電磁力作用分布不均勻，易產(chǎn)生偏心與振動(dòng)，故對電機(jī)的結(jié)構(gòu)剛度與同心度要求良好。但根據(jù)本發(fā)明包括的一種電機(jī)電磁拓?fù)浞桨冈O(shè)計(jì)的電機(jī)已大量生產(chǎn)的實(shí)踐證明，這一要求對大多數(shù)電機(jī)而言，只要加以注意不難保證。因而，這足以證明根據(jù)本發(fā)明的該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的成熟與可靠。
第三與第四系列的等效齒數(shù)/等效槽數(shù)與等效磁極數(shù)的配合，其特點(diǎn)則與第一系列正相反，每相繞組的齒上線圈排列不連續(xù)，齒上繞組間的跨接連線較第一方案長些，但有磁力作用分布更均勻的優(yōu)點(diǎn)。
由此可見，根據(jù)本發(fā)明的新型電磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案制造的小型三相高性能方波永磁直流無刷低速電動(dòng)機(jī)，無論是按第一系列，還是按其他系列的方案，與已公布的大多數(shù)設(shè)計(jì)方案相比，都具有轉(zhuǎn)矩系數(shù)高、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、轉(zhuǎn)矩諧波系數(shù)小、繞組諧波電勢低、槽滿率高、繞組電阻小、銅耗少、效率高、效率平臺寬的特點(diǎn)。
由圖6可見，原整體式電樞鐵心片被分割成齒單元及磁軛單元。電樞磁軛可為圓環(huán)型整體式，也可被分割為更小的單元，例如三等分或六等分等，各段磁軛單元彼此之間依靠兩端的凸起齒與凹入槽將其連接成整體。在大批量生產(chǎn)時(shí)，齒單元及磁軛單元的每段均由矽鋼片用模具自動(dòng)堆疊再經(jīng)扣鉚、壓緊而成。當(dāng)然，使用鉚釘也基本可達(dá)到同樣的連接效果，僅生產(chǎn)效率要低得多。由圖5還可見，各齒單元的極靴間僅留很小的間隙，相當(dāng)于閉口槽結(jié)構(gòu)，從而極大地減少了齒槽反應(yīng)轉(zhuǎn)矩，并有效地補(bǔ)償了因齒與磁軛之間不可避免產(chǎn)生的間隙而導(dǎo)致的漏磁增大。此外，由于繞組導(dǎo)線由絕緣骨架支撐，因而無需和一般整體式鐵心一樣在最外面加裝與電樞鐵心一樣外形尺寸的絕緣薄片，也無須在槽中附加絕緣材料或表面另作絕緣涂覆處理，簡化了工藝。
圖8左部示出了經(jīng)簡化了的齒線圈骨架的外形圖例，骨架材料可為熱固性或高溫?zé)崴苄缘淖枞紭渲?jīng)模壓或注塑而成，骨架兩端的擋片上可預(yù)先制出用于繞線時(shí)供進(jìn)、出導(dǎo)線起始與尾端的不同形式的槽或豁口，以方便使用絕緣導(dǎo)線進(jìn)行繞制。也可留有用于固定導(dǎo)線尾端的固定物，如小柱、內(nèi)嵌或插入式焊片等。右面示出了以靠近電樞磁軛部的骨架的下?lián)跗獗砻娼?jīng)柔性單面膠帶粘合成一串的線圈骨架鏈，供在專用繞線機(jī)上進(jìn)行導(dǎo)線中間不斷頭的連續(xù)繞制時(shí)使用。膠帶上按骨架開孔制出同樣尺寸的同心方孔，供繞線后穿入單元齒鐵心用。繞好線圈的骨架鏈在穿入單元齒鐵心后可用膠固定，而后可彎曲并圍成圓形供與磁軛單元壓合、鑲嵌(拼裝)成電樞部件整體。
對于齒(槽)數(shù)較少、槽底尺寸間距較大的設(shè)計(jì)，骨架靠近電樞磁軛部的下?lián)跗部捎蓡蝹€(gè)骨架通過焊接、粘接、熱合或搭扣及柔性連接片等機(jī)械方式連接成一體。當(dāng)使用自粘性導(dǎo)線繞制時(shí)，可在每個(gè)齒線圈繞制完成時(shí)使用局部加溫的方法即可使線端及繞組匝間被固定而不致開散，這樣既易于實(shí)現(xiàn)繞制工序的自動(dòng)化，繞制工效也大大提高，但材料成本要增加。
實(shí)施例根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)特征新設(shè)計(jì)、制造的樣品電機(jī)經(jīng)實(shí)際測試已完全證實(shí)了應(yīng)用、實(shí)施本發(fā)明的優(yōu)越性，例如按本發(fā)明新設(shè)計(jì)制造的33槽、34極外轉(zhuǎn)子輪轂式整體定子鐵心電機(jī)與市售同種規(guī)格Φ205的51槽、46極無刷電機(jī)相比，氣隙增大了0.15mm，空載電流減少了26％，磁阻定位力矩減少了43-72％，效率提高了2％左右，而且效率曲線平臺寬廣、性能優(yōu)良。氣隙增大通常會使電機(jī)技術(shù)性能指標(biāo)降低，按本發(fā)明的綜合技術(shù)方案，性能不但未減低，反而獲得了更優(yōu)秀的電機(jī)性能，并使電機(jī)工作更可靠。此外，由于磁阻定位轉(zhuǎn)矩的大幅度減小，就完全無需采取耗材又費(fèi)工的雙殼、單向離合器結(jié)構(gòu)的“滑行王”式處理方案，且易于實(shí)現(xiàn)高工效、自動(dòng)化的大批量生產(chǎn)并降低成本。
根據(jù)本發(fā)明及由所列舉的本發(fā)明的具體特征可能有各種變形與組合，具體實(shí)施例將因過多而無法一一列舉，但這些都仍應(yīng)屬于在本發(fā)明所要求保護(hù)的權(quán)力要求范圍內(nèi)。同樣，對本發(fā)明的一些非實(shí)質(zhì)性改進(jìn)同樣也應(yīng)視為不超出本發(fā)明所要求保護(hù)的權(quán)力要求范圍。
權(quán)利要求
1.一種小型三相高性能方波永磁直流低速無刷電機(jī)，由轉(zhuǎn)子與定子兩大部分組成，電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子間為徑向氣隙、方波磁場；定子鐵心為直槽，轉(zhuǎn)子為直接驅(qū)動(dòng)方式，無減速器結(jié)構(gòu)；定子/電樞繞組為分?jǐn)?shù)槽、非重疊集中繞組；其特征在于電機(jī)的電磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)——定子的等效齒數(shù)Z/等效槽數(shù)Q為奇數(shù)，且為相數(shù)的整數(shù)倍Z(Q)＝3×(2m-1)，其中m為大于零的正整數(shù)，m＝1，2，3，......；等效齒數(shù)Z/等效槽數(shù)Q的優(yōu)先選擇范圍Z(Q)＝9-57，相應(yīng)m＝2，3，......10；轉(zhuǎn)子的等效磁極數(shù)2p＝Z(Q)+(6n-5)，其中n只限于取n＝2/3，1，2，3；定子的等效齒數(shù)Z/等效槽數(shù)Q與轉(zhuǎn)子的等效磁極數(shù)2p之間的最佳對應(yīng)匹配關(guān)系為當(dāng)n＝2/3與n＝1時(shí)，等效磁極數(shù)2p應(yīng)由與m≥2相應(yīng)的齒數(shù)選取，當(dāng)n＝2時(shí)，應(yīng)由m≥5選取，當(dāng)n＝3時(shí)，應(yīng)由m≥8選?。欢ㄗ予F心可為整體式或分割式；當(dāng)定子鐵心為分割式時(shí)，繞組可由單根導(dǎo)線繞制，也可由多根導(dǎo)線并繞在阻燃耐熱塑料骨架上，按對稱星形或三角形連接；永久磁鐵材料為稀土永磁釹鐵硼，徑向充磁；當(dāng)轉(zhuǎn)子為外轉(zhuǎn)子時(shí)，轉(zhuǎn)子由環(huán)狀導(dǎo)磁軛鐵與表貼式片狀永久磁鐵組成，永磁片粘貼于環(huán)狀導(dǎo)磁軛鐵的內(nèi)表面，依次以相反極性排列，相鄰永磁片的極性排列為NSNS.....；片狀永久磁鐵優(yōu)先為平板型，當(dāng)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)方案選擇的極數(shù)過少導(dǎo)致平板型永磁片與定子間形成的氣隙顯著偏離圓環(huán)形時(shí)，可將使用的平板形永磁片數(shù)量增加一倍，即每塊平板形永磁片用兩塊相鄰永磁片為同極性的代替，這樣每塊永磁片的寬度近似減小一倍，但等效磁極數(shù)2p不變，而相鄰永磁片的極性排列變?yōu)镹NSSNNSS......；當(dāng)定子鐵心直徑較大而設(shè)計(jì)方案仍需選擇較少的齒數(shù)時(shí)，可將定子的實(shí)際齒數(shù)擴(kuò)大為等效齒數(shù)的k倍，同時(shí)將定子上相鄰的k個(gè)齒上的各繞組線圈通過串聯(lián)或并聯(lián)連接后仍作為原單齒上的一個(gè)繞組，使定子的等效齒數(shù)仍為Z。
2.根據(jù)權(quán)利要求1，其特征是定子鐵心為整體式時(shí)，優(yōu)先由硅鋼片鋼帶以卷繞法直接一次成型，也可由硅鋼片沖壓為單片再經(jīng)堆疊扣鉚或由鉚釘鉚接成型。
3.根據(jù)權(quán)利要求1，其特征是定子鐵心為分割式時(shí)由多個(gè)齒單元與一只或多只磁軛單元構(gòu)成，磁軛整體為圓環(huán)狀；每個(gè)齒單元的根部緊密嵌入磁軛單元上開出的具有對應(yīng)形狀的凹口內(nèi)并齊平，齒根部嵌入部分之底部為燕尾或圓弧狀，靠近磁軛單元的部分為齒的直線段伸延，兩部分的連接部由圓弧過渡，底部燕尾或圓弧嵌入部分的最大寬度不大于齒寬；每個(gè)齒單元的極靴兩端與相鄰極靴的兩端間相互密接，為閉口式，即無嵌線槽口結(jié)構(gòu)；定子鐵心的每個(gè)齒單元均由硅鋼片沖壓單片再經(jīng)堆疊扣鉚或鉚接而成；磁軛單元為整體式圓環(huán)磁軛時(shí)優(yōu)先由卷繞法直接一次成型，也可由硅鋼片沖壓單片再經(jīng)堆疊扣鉚或由鉚釘鉚接成形；定子鐵心磁軛由多只磁軛單元構(gòu)成時(shí)，磁軛單元由沖壓單片再經(jīng)堆疊扣鉚或由鉚釘鉚接成形，磁軛單元各段可相互嵌入構(gòu)成圓環(huán)磁軛磁軛單元每段的兩端分別為凸起齒與凹入槽，凸起齒與凹入槽的形狀可為圓弧或燕尾形，各段間靠兩端的凸起齒與凹入槽彼此緊密嵌入。
4.根據(jù)權(quán)利要求3，其特征是定子鐵心為分割式時(shí)，磁軛圓環(huán)部分選用的硅鋼片厚度可等于或大于各齒單元鐵心選用的硅鋼片厚度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1，其特征是定子鐵心為分割式時(shí)定子鐵心的相鄰齒間形成的槽為具有由圓環(huán)磁軛的圓弧面構(gòu)成底面的近似梯形的閉口直槽，邊緣無尖角。
6.根據(jù)權(quán)利要求1，其特征是定子鐵心為分割式時(shí)，各繞線塑料骨架靠近圓環(huán)磁軛一端的擋板彼此間按一定間距相互連接，連接可為由注塑直接將多個(gè)骨架一次成型為一體，也可由單個(gè)骨架通過膠帶、焊接、粘接、熱合或搭扣等機(jī)械方式連接成一體；每齒單元上的繞組使用多根導(dǎo)線并繞時(shí)，骨架上的繞線槽開有與導(dǎo)線根數(shù)相同數(shù)目的分槽。
7.根據(jù)權(quán)利要求1，其特征是定子繞組可由單根導(dǎo)線繞制，也可由多根導(dǎo)線并繞，繞組的導(dǎo)線優(yōu)先選用自粘、自焊型漆包銅線，且均應(yīng)為平排、密繞，并盡量使導(dǎo)線間無交疊，層間緊密排列；在用多根導(dǎo)線并繞時(shí)，應(yīng)將多根導(dǎo)線中的各單根導(dǎo)線分別繞在塑料骨架的各分槽內(nèi)；每相繞組可留中間抽頭、各相間的繞組抽頭匝數(shù)為對稱分布。
8.根據(jù)權(quán)利要求1，其特征是有位置傳感器時(shí)，傳感器為霍爾開關(guān)元件，傳感器引出信號線優(yōu)先使用屏蔽線。
全文摘要
一種小型三相高性能方波永磁直流無刷低速電機(jī)，具有優(yōu)化的新型電磁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)系列設(shè)計(jì)其等效齒/槽數(shù)為奇數(shù)且為相數(shù)的整數(shù)倍，并具有轉(zhuǎn)矩波動(dòng)及磁阻定位轉(zhuǎn)矩最小的最佳齒/槽與磁極數(shù)匹配關(guān)系；定子鐵心為直槽、整體或分割式；繞組為分?jǐn)?shù)槽、非重疊集中繞組，由單根或多根導(dǎo)線平排、密繞，按對稱星形或三角形連接；輪轂式為直接驅(qū)動(dòng)方式，無減速器結(jié)構(gòu)。按本發(fā)明的電機(jī)，具有高能量效率、低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、低磁阻定位轉(zhuǎn)矩、低損耗、低噪聲、長壽命、重量輕、用材省、結(jié)構(gòu)簡單、低成本又易于以自動(dòng)化方式大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，既可構(gòu)成小功率電機(jī)，又可構(gòu)成大功率電機(jī)，特別適宜用作電動(dòng)車、洗衣機(jī)等各種需低速、大轉(zhuǎn)矩、直接驅(qū)動(dòng)場合的應(yīng)用。
文檔編號H02K3/12GK101018002SQ200610130640
公開日2007年8月15日 申請日期2006年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月28日
發(fā)明者李平 申請人:李平, 李麗華