CN116505686B - 一种提升外转子无刷电机散热性能的转子结构及电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种提升外转子无刷电机散热性能的转子结构，包括外壳以及磁性层，所述磁性层由磁环或磁条组成，所述磁性层具有多个磁极，包括N极和S极，N极与S极依次交错分布，所述磁性层开设有磁性层槽，所述磁性层槽的槽口位于所述磁极的中心位置，以使磁场变化最小，所述外壳上开设有与所述磁性层槽对应的外壳槽。本发明能够使电机的（外）转子旋转时产生明显的散热风，将电机内部产生的热量持续、快速地带走，达到优化电机散热性能的效果，保证了电机正常的运转，使电机的设计参数可以进一步提升，同时未采用增加风扇的方案，因此无需在电机内增加元器件等，保证了电机内部结构的布置无需复杂化，不会影响电机自身的性能。

Description

一种提升外转子无刷电机散热性能的转子结构及电机

技术领域

本发明涉及电机技术领域，特别涉及一种提升外转子无刷电机散热性能的转子结构及电机。

背景技术

直流无刷电机由永磁体转子、多极绕组定子、位置传感器等组成，采用半导体开关器件来实现电子换向，即用电子开关器件代替传统的接触式换向器和电刷，位置传感按转子位置的变化，沿着一定次序对定子绕组的电流进行换流。

直流无刷电机在运行过程中，热量随着运行时间的增长不断聚集，电机内部的温度很快升高，从而影响电机内部零件工作的可靠性，进一步地还会影响电机的效率，传统的直流无刷电机的散热主要通过空气的热传导，将聚集在电机内部的热量引至外壳，然后对电机外壳进行风冷。这种冷却方式，由于在电机内部的散热仅借助于空气的热传导，因此，散热效果较差，且电机内部的温度仍然高于外部的热量，电机壳内的各元件仍然处于恶劣的工作环境下，容易产生损坏。

公告号为CN201937393U的中国实用新型专利公开了一种自散热无刷直流电机，包括壳体、穿设在壳体中的中心轴、定子、套设在中心轴上的转子，所述中心轴沿轴线方向设有一散热风道，散热风道的进风口与壳体外部导通，出风口与壳体内部导通。该方案通过在中心轴内部设置散热风道，以及设置风扇等结构，将内部的热量引出至电机外部，增强散热效果，减少散热环节，提高了散热效率。其中，中心轴内部设置散热风道增加了制造难度，同时电机内部尺寸相当紧凑，设置风扇增加了布置难度，以及噪声增加等现象。

发明内容

本发明的目的是：针对上述背景技术中存在的不足，提供一种提升外转子无刷电机散热性能的转子结构及电机，该方案在显著提升外转子电机散热效果的同时不会明显影响电机自身的性能。

为了达到上述目的，本发明提供了一种提升外转子无刷电机散热性能的转子结构，包括外壳以及磁性层，所述磁性层由磁环或磁条组成，所述磁性层具有多个磁极，包括N极和S极，N极与S极依次交错分布，所述磁性层开设有磁性层槽，所述磁性层槽的槽口位于所述磁极的中心位置，以使磁场变化最小，所述外壳上开设有与所述磁性层槽对应的外壳槽。

进一步地，所述磁性层槽开设的数量与所述磁极的数量相等。

进一步地，所述磁性层槽的旋向与转子的旋向相同。

进一步地，所述磁性层槽沿径向分布。

进一步地，所述磁性层槽的槽口宽度为2~5mm。

进一步地，所述磁性层槽的偏转角度为0~45度。

进一步地，所述外壳槽相对于每个所述磁性层槽设置多层，每层所述外壳槽沿环向分布。

进一步地，每层所述外壳槽的长度少于磁极的长度2mm。

本发明还提供了一种电机，包括定子与转子，所述转子采用了如前所述的一种提升外转子无刷电机散热性能的转子结构。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

本发明提供的提升外转子无刷电机散热性能的转子结构及电机，通过在转子磁性层以及外壳上开槽的方案，能够使电机的（外）转子旋转时产生明显的散热风，将电机内部产生的热量持续、快速地带走，达到优化电机散热性能的效果，保证了电机正常的运转，使电机的设计参数可以进一步提升，同时未采用增加风扇的方案，因此无需在电机内增加元器件等，保证了电机内部结构的布置无需复杂化，不会影响电机自身的性能；

本发明的其它有益效果将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的磁性层槽正旋示意图；

图3为本发明的磁性层槽反旋示意图；

图4为本发明的磁性层槽双向适应示意图；

图5为本发明的外壳结构示意图；

图6为本发明实施例中磁密分布示意图，其中（a）为原始方案，（b）为本方案；

图7为本发明实施例中气隙磁密曲线图。

【附图标记说明】

1-外壳；2-磁性层；3-磁条；4-磁性层槽；5-外壳槽。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是锁定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明针对电机、尤其是直流无刷电机的散热性能进行改进，该类直流无刷电机是外转子和内定子的结构，其中外转子上具有磁条3作为永磁外转子，外转子与中心轴连接，内定子上绕设有多组线圈作为定子绕组，通过位置传感按外转子位置的变化，沿着一定次序对定子绕组的电流进行换流，使外转子以及中心轴持续旋转。

如图1所示，本发明的实施例提供了一种能够提升外转子无刷电机散热性能的转子结构，包括外壳1以及磁性层2，磁性层2由多个磁条3或磁环组成。其中，磁性层2具有多个磁极，每个磁极包括N极和S极，因此整个磁性层2具有多个N极以及多个S极，且N极与S极依次间隔分布，参照图2。

为使电机内部更好地散热，作为改进，本实施例中在磁性层2开设有磁性层槽4，其中，磁性层槽4位于磁极的中部，且优选地，在每个磁极的中部均开设有磁性层槽4，即磁性层槽4与磁极的数量一致，一方面尽可能增加磁性层槽4的数量，提升散热性能，同时开设在磁极中心位置能够使磁场（磁力线）变化最小，以对电机的性能（转速、噪声表现等）影响最小。相对应地，外壳1上也开设有与磁性层槽4对应的外壳槽5，以使整个转子通过槽体与外部形成接通状态。

该方式与部分现有技术的主要区别在于，当转子旋转时，整个转子自身形成类似于风扇的结构，使转子与定子之间、即电机内部持续地形成风场，将电机旋转产生的热量快速带走，显著提升了电机的散热性能。

为进一步提升转子旋转时作为风扇的作用，本实施例中磁性层槽4优选采用螺旋分布的形式，其螺旋方式与风扇的扇叶近似。也可以说，磁性层槽4具有两个槽口，一个槽口位于内层，另一个槽口位于外层并与外壳1接触，其中外层槽口与内层槽口的相位角不同，且从内层槽口至外层槽口的磁性层槽4是螺旋过渡的，从而转子旋转时能够让内部产生更大的空气流动，进一步提升散热性能。

可以理解的是，磁性层槽4的旋向需要与转子的旋转方向相同，即当电机、转子是正转设置时，磁性层槽4也需要正旋设置，如图2所示；当电机、转子是反转设置时，磁性层槽4也需要反旋设置，如图3所示；从而保证能够产生最高的风量，获得最好的散热效果。

需要说明的是，目前电机通常具有正转与反转切换的功能，因此磁性层槽4还可以不采用螺旋设置，取而代之沿径向分布的规则方形设置，如图4所示，该设置方式虽然通风性能会降低，然而其对于电机的正转与反转来说，均能够或者相当的散热空气流，保证了电机不同工况下的散热性能，且加工相对于来说更加方便。

需要说明的是，该方案对转子的磁性层2（磁性材料）进行了更改，不可避免会对电机噪音方面产生一定的影响，因此需要在磁场方面等进行电磁噪音的优化。具体到本实施例中，首先对角度a和磁性层槽4的槽口宽度b的尺寸进行优化，得出角度a在0~45°之间和磁性层槽4的槽口宽度b在2-5mm之间，对电机噪音效果最好，如图2所示。因此，本实施例中磁性层槽4的槽口宽度优选为2-5mm，磁性层槽4的偏转角度优选为0~45度。

在本实施例中，外壳槽5相对于每个磁性层槽4设置多层，且每层外壳槽5沿环向分布。如图5所示，本方案也对外壳槽5的尺寸D进行了优化，证明当尺寸C=D-2mm时对电机散热的效果是最好的，既能够保证风扇结构的充分散热，同时结构强度以及噪声表现等也在可接受的范围内。而外壳槽5采用与磁性层槽4的外层开口一致的结构时，对外壳1整体的结构强度影响较大，因此不作为优选的实施方式。

总之，采用本实施例提供的提升外转子无刷电机散热性能的转子结构，能够使电机的（外）转子旋转时产生明显的散热风，将电机内部产生的热量持续、快速地带走，达到优化电机散热性能的效果，保证了电机正常的运转，使电机的设计参数可以进一步提升，同时未采用增加风扇的方案，因此无需在电机内增加元器件等，保证了电机内部结构的布置无需复杂化，不会影响电机自身的性能。

本实施例中进一步通过软件仿真论证了方案的合理性，采用无开槽的原始方案以及开设磁性层槽4和外壳槽5的本方案进行了对比，图6所示为两者的磁密云图分析，通过对比可知，定子的齿部，轭部等均没有出现磁饱和现象，整体的漏磁现象也几乎一致，因此本转子开槽的方案对电机性能几乎不会产生影响。

图7所示为原始方案与本方案的气隙磁密对比图，以分析气隙磁密的畸变率。通过图7可以看出，原始方案与本方案的反电势波形、即正弦形几乎一致，因此本转子开槽的方案对电机噪音、振动等几乎不会产生影响。

基于同一发明构思，本实施例还提供了一种电机，包括定子与转子，转子采用了如前所述的转子结构。该制造的电机与前述的转子结构具有相同的发明构思及相同的有益效果，在此不再赘述。

需要说明的是，本实施例提供的方案比较适合直流无刷电机、以及外转子的形式，当采用内转子时，由于内转子只在电机内部旋转，其无法使电机内部与外界产生散热气流，因而散热效果并不会产生明显的改善。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种提升外转子无刷电机散热性能的转子结构，包括外壳以及磁性层，所述磁性层由磁环或磁条组成，所述磁性层具有多个磁极，包括N极和S极，N极与S极依次交错分布，其特征在于，所述磁性层开设有磁性层槽，所述磁性层槽的槽口位于所述磁极的中心位置，以使磁场变化最小，所述外壳上开设有与所述磁性层槽对应的外壳槽，以使整个转子通过所述磁性层槽与所述外壳槽形成与外部连通的通道；磁性层槽采用螺旋分布的形式，磁性层槽具有两个槽口，一个槽口位于内层，另一个槽口位于外层并与外壳接触，外层槽口与内层槽口的相位角不同，且从内层槽口至外层槽口的磁性层槽是螺旋过渡的，所述磁性层槽的旋向与转子的旋向相同；所述磁性层槽的槽口宽度为2~5mm；所述磁性层槽的偏转角度为0~45度。

2.根据权利要求1所述的一种提升外转子无刷电机散热性能的转子结构，其特征在于，所述磁性层槽开设的数量与所述磁极的数量相等。

3.根据权利要求1所述的一种提升外转子无刷电机散热性能的转子结构，其特征在于，所述磁性层槽沿径向分布。

4.根据权利要求1所述的一种提升外转子无刷电机散热性能的转子结构，其特征在于，所述外壳槽相对于每个所述磁性层槽设置多层，每层所述外壳槽沿环向分布。

5.根据权利要求4所述的一种提升外转子无刷电机散热性能的转子结构，其特征在于，每层所述外壳槽的长度少于磁极的长度2mm。

6.一种电机，包括定子与转子，其特征在于，所述转子采用了如权利要求1-5任意一项所述的一种提升外转子无刷电机散热性能的转子结构。