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CN113507190A - 一种电滚筒永磁同步电动机 - Google Patents

一种电滚筒永磁同步电动机 Download PDF

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CN113507190A CN202110916724.0A CN202110916724A CN113507190A CN 113507190 A CN113507190 A CN 113507190A CN 202110916724 A CN202110916724 A CN 202110916724A CN 113507190 A CN113507190 A CN 113507190A
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王运
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Abstract

本发明提供的电滚筒永磁同步电动机，包括前轴承、外转子、内定子、后轴承，外转子套设在内定子外，外转子的两端分别与前轴承的外圈及后轴承的外圈固定连接，内定子内穿设有与内定子固定连接固定轴，固定轴的两端分别与前轴承的内圈和后轴承的内圈固定连接；外转子为凸极结构，且交轴电感Lq大于直轴电感Ld；内定子包括无齿靴的定子铁芯和绕组，无齿靴的定子铁芯含3的倍数个齿，绕组为三相集中绕组，三相集中绕组星接或角接引出。本发明在确保电动机的转矩密度及性能的前提下，提高外转子永磁同步电滚筒电动机的性能，提高稳定性和可靠性，与此同时显著降低材料成本和生产成本，更是提高生产效率。

Description

一种电滚筒永磁同步电动机
技术领域
本发明涉及电机技术领域，特别是涉及一种电滚筒永磁同步电动机。
背景技术
快递物流行业的发展，其传送和分拣线需要大量电滚筒，因此，发展了与滚筒一体化的外转子永磁同步电动机。随着智能分拣设备的快速发展，对电动机的性能指标、可靠性及稳定性提出了更高的要求；同时电机原材料的价格以及用人成本的快速上涨，电机的价格不断提高，不能满足客户的要求。多年来，在提高电机性能方面做了不少工作，比如，采用不同的极数和槽数的配合来减小齿槽转矩和提高电机性能指标，采用不同的位置传感器来改变电机结构从而提高电机的可靠性，但所有的这些工作都是基于传统的电机结构和设计理念。
传统外转子永磁电机横截面及定子冲片示意图如图1和图2所示，包括定子轭部(1)、定子齿(2)、轴孔(3)、齿靴(4)和定子槽(5)，其中，定子齿距等于齿靴宽度tp+槽口宽度b0，线圈通过槽口(5a)放入定子槽(5)中。在电机设计教材或参考书中，包括常规的电机设计中，都认为增加齿靴宽度tp，减小槽口宽度b0有利于提高电机出力、减小齿槽转矩和噪声，因此，长期以来形成的共识是在保证能将线圈放入定子槽(5)的前提下，槽口(5a)尽量小，一般中小型电机的槽口宽度为1.8mm～3.5mm，齿靴宽度tp接近定子齿距，且必有齿靴宽度tp>定子齿宽t。从图1和图2可见，定子槽(5)是由定子轭部(1)，定子齿(2)和齿靴(4)围起来形成的，目前将线圈放入定子槽(5)，绕到定子齿(2)上，通常有2种方法：人工下线，先将线圈在外面绕好，再用人工将线圈通过槽口(5a)放入槽中，这种方法存在工人劳动强度大、下线效率低和线圈端部长用铜量大等缺陷；第二种方法是用自动绕线机，将线圈一匝一匝往槽里绕，它存在绕线速度慢，槽满率低等缺陷。从磁路角度看，参见图1，很多磁力线从N极出发经过定子的齿靴(4)、S极及转子轭部形成闭合回路，这部分磁通为漏磁通，不参与能量转换，反而导致齿靴(4)和局部转子磁路的过饱和，影响主磁路和电机出力，降低永磁材料的利用率。
因此，现有的这些电机的优化都是基于电机设计的传统理念和方法，没有针对电滚筒电机的特殊性进行专门的设计，仍然存在电机成本高，绕线效率低，制造工艺难度大等问题，不是理想的设计。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明结合电滚筒永磁同步电动机的工作特点和结构要求，结合现代电机控制技术，旨在提供一种电滚筒永磁同步电动机，提高外转子永磁同步电滚筒电动机的性能，稳定性、可靠性，降低材料成本和生产成本。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种电滚筒永磁同步电动机，其包括前轴承、外转子、内定子、后轴承，所述外转子套设在所述内定子外，所述外转子的两端分别与所述前轴承的外圈及所述后轴承的外圈固定连接，所述内定子内穿设有与所述内定子固定连接固定轴，所述固定轴的两端分别与所述前轴承的内圈和所述后轴承的内圈固定连接，所述外转子为凸极结构，且交轴电感Lq大于直轴电感Ld；所述内定子包括无齿靴的定子铁芯和绕组，所述无齿靴的定子铁芯含3的倍数个齿，所述绕组为三相集中绕组，所述三相集中绕组星接或角接引出。
进一步，所述无齿靴的定子铁芯由多层无齿靴的定子冲片叠压而成，所述无齿靴的定子冲片的厚度是0.25mm～0.5mm。
进一步，所述无齿靴的定子冲片由厚度为0.25mm～0.5mm的硅钢片冲压制成。
进一步，所述无齿靴的定子铁芯的定子齿齿顶设置为圆弧形，且所述定子齿的圆弧半径R_t小于所述无齿靴的定子铁芯的半径R。
进一步，所述定子齿的圆弧半径R_t的取值范围在0.35R≤R_t≤R。
进一步，所述绕组为三相单层集中绕组，或三相双层集中绕组。
进一步，所述外转子沿其圆周设置有均匀分布的多个磁极瓦片，在相邻两个所述磁极瓦片之间设有与转子轭部制成一体的凸起台阶，构成所述凸极结构式永磁转子。
进一步，所述交轴电感Lq大于1.2倍的所述直轴电感Ld。
进一步，所述前轴承的外圈外面套设并固定有前端盖，所述后轴承的外圈外面套设并固定有后端盖，所述前端盖或后端盖的一侧还设置有位置传感器，所述位置传感器可以是霍尔传感器或磁编传感器或光电传感器。
本发明的有益效果：
本发明提供的电滚筒永磁同步电动机，其包括前轴承、外转子、内定子、后轴承，外转子套设在内定子外，外转子的两端分别与前轴承的外圈及后轴承的外圈固定连接，内定子内穿设有与内定子固定连接固定轴，固定轴的两端分别与前轴承的内圈和后轴承的内圈固定连接，外转子为凸极结构，且交轴电感Lq大于直轴电感Ld；内定子包括无齿靴的定子铁芯和绕组，无齿靴的定子铁芯含3的倍数个齿，绕组为三相集中绕组，三相集中绕组星接或角接引出。
本发明的有益效果为：本发明的外转子为凸极结构，且交轴电感Lq大于直轴电感Ld，不但可以采用有位置传感器的电机控制技术，也可以采用高频脉冲注入法的FOC无位置传感器电机控制技术，使电机成本更低、结构更简单、更可靠；内定子的定子铁芯采用无齿靴设计，解决了下线困难问题、使槽满率更高，进一步降低生产成本；内定子的定子铁芯齿顶的圆弧设计降低了电势谐波，减小了齿槽转矩，提高了电机性能。本发明提供的电滚筒永磁同步电动机，在确保电动机的转矩密度及性能的前提下，提高外转子永磁同步电滚筒电动机的性能，提高稳定性和可靠性，与此同时显著降低材料成本和生产成本，更是提高生产效率。
附图说明
图1为传统外转子永磁电机的横截面示意图；
图2为传统外转子永磁电机的定子冲片的示意图；
图3为本发明的外转子永磁电机结构示意图；
图4为本发明中无齿靴的定子冲片的示意图；
图5为本发明中无齿靴的定子铁芯的示意图；
图6为本发明的外转子永磁电机横截面示意图；
图7为本发明中外转子的示意图；
图8为本发明外转子永磁电机在电动滚筒上的应用示意图1；
图9为本发明外转子永磁电机在电动滚筒上的应用示意图2；
图10为本发明外转子永磁电机样机齿槽转矩仿真结果；
图11为本发明外转子永磁电机样机线电势仿真结果；
图中，1-定子轭部，2-定子齿，3-轴孔，4-齿靴，5-定子槽，5a-槽口，6-线圈，7-外转子轭部，8-磁极瓦片，9-转子凸起台阶，10-外转子，61-位置传感器，151/152-轴承，62-端盖，63-轴，64-绕组和信号线，11-滚筒左侧出轴，12-滚筒轴承，13-滚筒，14-外转子永磁电机，20-内定子，21-定子轭部，22-定子齿，23-轴孔，24-定子槽
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图3-图11，图3为本发明的外转子永磁电机结构示意图，图4为本发明中无齿靴的定子冲片的示意图，图5为本发明中无齿靴的定子铁芯的示意图，图6为本发明的外转子永磁电机横截面示意图，图7为本发明中外转子的示意图，图8为本发明外转子永磁电机在电动滚筒上的应用示意图1，图9为本发明外转子永磁电机在电动滚筒上的应用示意图2，图10为本发明外转子永磁电机样机齿槽转矩仿真结果，图11为本发明外转子永磁电机样机线电势仿真结果。
本发明提供的电滚筒永磁同步电动机，在确保电动机的转矩密度及性能的前提下，提高外转子永磁同步电滚筒电动机的性能，提高稳定性和可靠性，与此同时显著降低材料成本和生产成本，更是提高生产效率。
首先参见图3和图6，本实施例中的电滚筒永磁同步电动机，包括前轴承152、外转子10、内定子20、后轴承151，外转子10套设在内定子20外，外转子10的两端分别与前轴承152的外圈及后轴承151的外圈固定连接，内定子20包括无齿靴的定子铁芯和穿设在上述无齿靴的定子铁芯内的固定轴63，固定轴63的两端分别与前轴承152的内圈和后轴承151的内圈固定连接，外转子通过前轴承152和后轴承151建立与固定轴63之间的转动连接。
参见图4和图5，内定子20包括无齿靴的定子铁芯和绕组，无齿靴的定子铁芯优选含12齿，绕组优选为6个或12个线圈6构成的三相集中绕组，三相集中绕组星接或角接引出。
再参见图5，无齿靴的定子铁芯由多层无齿靴的定子冲片叠压而成，无齿靴的定子冲片优选地由厚度为0.25mm、0.35mm、0.5mm的硅钢片冲压而成；如图5中所示，无齿靴的定子铁芯包括定子轭部21、无齿靴的定子齿22、轴孔23、定子槽24。
参见图4和图5，无齿靴的定子冲片有12个无齿靴的定子齿22，因此对应有12个定子槽24，常见地无齿靴的定子冲片由0.5mm厚的低损耗硅钢片材料冲制成。各定子齿中心线与齿顶圆弧的交点在半径为R的圆周上，12个定子齿可以不是均布，但均布是优选，当均布时，相邻齿之间的夹角为30度机械角度。电机磁场的有限元仿真表明，定子齿顶圆弧的半径取值范围在0.35R≤R_t≤R，且齿顶圆弧中心在齿中心线上时齿槽转矩比较小，本实施例中，R＝26.25mm，R_t＝11.25mm。
本实施例的14极/12槽无齿靴的定子铁芯的三相分数槽集中式电枢绕组，在12个齿上绕有12个集中式线圈，每相4个线圈，第1、2齿上的线圈反向串联构成线圈组A1，第7、8齿上的线圈反向串联构成线圈组A2,将A1和A2反向并联或串联构成A相绕组；同理,第3、4齿上的线圈反向串联构成线圈组B1，第9、10齿上的线圈反向串联构成线圈组B2,将B1和B2反向并联或串联构成B相绕组；第5、6齿上的线圈反向串联构成线圈组C1，第11、12齿上的线圈反向串联构成线圈组C2,将C1和C2反向并联或串联构成C相绕组；最后三相绕组星接或角接由引出线引出。基于14极/12槽的配合，所述绕组连接方式可以极大的削弱5次7次谐波，改善电势波形。
本实施例中，内定子20的定子铁芯采用无齿靴设计，解决了下线困难问题、使槽满率更高，进一步降低生产成本；内定子20的定子铁芯齿顶的圆弧设计降低了电势谐波，减小了齿槽转矩，提高了电机性能；具体如图10和图11中所示。
参见图4-图7，本实施例中，优选地，外转子10包括由14个磁极瓦片8及转子凸起台阶9围成圆环，磁极瓦片8的内圆半径与外圆半径相同，提高了切割磁极瓦片8时永磁材料的利用率，同时使一个极(单个磁极瓦片8)与内定子铁芯表面的气隙不均匀，中间较小对气隙磁密分布的波形得到改善，磁极瓦片8的宽度约为极距的0.67。
除此之外，如图6和图7所示，外转子10在2片磁极瓦片8之间有一个转子凸起台阶9，本实施例中有14个磁极瓦片8，且沿圆周均布，转子凸起台阶9的内圆弧半径与磁极瓦片8近似相等，且与外转子轭部7制成一体，构成凸极式外转子永磁电机转子，使本实施例的外转子永磁电机具有直轴电感Ld不等于交轴电感Lq，且有Lq>1.2Ld。
本发明的外转子10为凸极结构，且交轴电感Lq大于直轴电感Ld，不但可以采用有位置传感器的电机控制技术，也可以采用高频脉冲注入法的FOC无位置传感器电机控制技术，使电机成本更低、结构更简单、更可靠。
如图3所示，外转子永磁同步电动机的前端盖或后端盖的一侧还设置位置传感器61，位置传感器61可以是霍尔传感器或磁编传感器或光电传感器，该位置传感器61用于检测外转子位置。
图8和图9是外转子永磁电机在电动滚筒上的应用示意图，根据是否装有位置传感器61，或位置传感器61的类型，采用同轴结构或左右独立出轴的结构，将外转子永磁同步电动机压入滚筒的电动滚筒。
图10和图11是基于如下参数的齿槽转矩和线电势波形图：无齿靴的定子冲片的齿宽5mm，齿顶圆弧半径11.25mm，无齿靴的定子冲片外径52.5mm，有12个线圈构成3相定子绕组，2路并联，每个线圈匝数50匝，铁芯长度60mm，转子永磁体38UH，转速100rpm；由图10和图11可有，电机性能比较好，齿槽转矩小，线电势谐波含量小。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围的方案，均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (9)

1.一种电滚筒永磁同步电动机，其包括前轴承、外转子、内定子、后轴承，所述外转子套设在所述内定子外，所述外转子的两端分别与所述前轴承的外圈及所述后轴承的外圈固定连接，所述内定子内穿设有与所述内定子固定连接固定轴，所述固定轴的两端分别与所述前轴承的内圈和所述后轴承的内圈固定连接，其特征在于：
所述外转子为凸极结构，且交轴电感Lq大于直轴电感Ld；
所述内定子包括无齿靴的定子铁芯和绕组，所述无齿靴的定子铁芯含3的倍数个齿，所述绕组为三相集中绕组，所述三相集中绕组星接或角接引出。
2.根据权利要求1所述的电滚筒永磁同步电动机，其特征在于：所述无齿靴的定子铁芯由多层无齿靴的定子冲片叠压而成，所述无齿靴的定子冲片的厚度是0.25mm～0.5mm。
3.根据权利要求2所述的电滚筒永磁同步电动机，其特征在于：所述无齿靴的定子冲片由厚度为0.25mm～0.5mm的硅钢片冲压而成。
4.根据权利要求3所述的电滚筒永磁同步电动机，其特征在于：所述无齿靴的定子铁芯的定子齿齿顶设置为圆弧形，且所述定子齿的圆弧半径R_t小于所述无齿靴的定子铁芯的半径R。
5.根据权利要求4所述的电滚筒永磁同步电动机，其特征在于：所述定子齿的圆弧半径R_t的取值范围在0.35R≤R_t≤R。
6.根据权利要求4所述的电滚筒永磁同步电动机，其特征在于：所述绕组为三相单层集中绕组，或三相双层集中绕组。
7.根据权利要求1-6任一所述的电滚筒永磁同步电动机，其特征在于：所述外转子沿其圆周设置有均匀分布的多个磁极瓦片，在相邻两个所述磁极瓦片之间设有与转子轭部制成一体的凸起台阶，构成所述凸极结构式永磁转子。
8.根据权利要求7所述的电滚筒永磁同步电动机，其特征在于：所述交轴电感Lq大于1.2倍的所述直轴电感Ld。
9.根据权利要求8所述的电滚筒永磁同步电动机，其特征在于：所述前轴承的外圈外面套设并固定有前端盖，所述后轴承的外圈外面套设并固定有后端盖，所述前端盖或后端盖的一侧还设置有位置传感器，所述位置传感器可以是霍尔传感器或磁编传感器或光电传感器。
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