一种永磁无刷直流电动机的转子定子结构的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种永磁无刷直流电动机的转子定子结构，属于电机技术领域。它解决了现有的永磁无刷直流电动机转矩密度和控制精度低的问题。本永磁无刷直流电动机的定子结构包括定子齿、定子槽和定子绕组，定子齿包括若干电枢齿和辅助齿，电枢齿的齿顶部和齿部的宽度均大于或小于辅助齿的齿顶部和齿部的宽度，若干电枢齿和若干辅助齿依次相互间隔分布，相邻的电枢齿和辅助齿之间形成定子槽，定子绕组嵌放在定子槽内且每个电枢齿上均缠绕有定子绕组。本电动机采用电枢齿和辅助齿的不等齿宽设计，提高了本电动机的绕组系数，同时通过合理设计电枢齿与辅助齿齿宽，优化齿磁密的分布，避免齿部饱和，提高了电机的输出转矩,提高了电机的控制精度。
【专利说明】
-种永磁无刷直流电动机的转子定子结构
技术领域
[0001] 本发明属于电机技术领域，设及一种永磁无刷直流电动机，特别是一种永磁无刷 直流电动机的转子定子结构。
【背景技术】
[0002] 永磁电机是由永磁体建立励磁磁场，从而实现机电能量转换的装置。永磁无刷直 流电机，特别是稀±永磁电机与电励磁电机相比，具有结构紧凑、体积小、重量轻等特点，且 永磁电机的尺寸和结构形式灵活多样，可W拓扑出很多种结构形式。由于永磁电机取消了 电励磁系统，从而提高了电机效率，使得电机结构简化，运行可靠。
[0003] 为了提高缝幼机效能，响应节能减排的号召，缝幼机行业已经逐步淘汰了效率低 的离合器电机，取而代之的是易于控制、效率高的稀±永磁电机，采用直接驱动的方式，大 大提升了缝幼机的运行效能。缝幼机受体积限制，要求缝幼机电机在有限的尺寸限制下，输 出较大的转矩，即具有较高的和转矩-体积比(转矩密度）。如何提高永磁电机的转矩密度已 经成为业内广泛研究的课题。
[0004] 现有的永磁直流电机，如中国专利申请（申请号：201510087291.7)公开了 一种环 形绕组永磁无刷直流电机，包括直流电源、开关电路、转子和定子，所述定子上均匀设置有 多个定子槽，定子槽内放置有定子线圈，槽内定子线圈按所在定子槽的顺序首尾端串联形 成闭合回路，直流电源通过开关电路为定子绕组供电；转子上均匀设置有永磁体，用于提供 励磁磁场。上述永磁无刷直流电机的齿槽结构固化了电机的绕组系数，同时容易发生局部 的磁饱和，成为其实现高功率密度的瓶颈。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种永磁无刷直流电动机 的转子定子结构，本发明所要解决的技术问题是：如何提高永磁无刷直流电机的转矩密度 并降低电机齿槽转矩和控制精度。
[0006] 本发明的目的可通过下列技术方案来实现:一种永磁无刷直流电动机的转子定子 结构，包括定子和转子，所述定子包括定子齿、定子槽和定子绕组，其特征在于，所述定子齿 包括若干电枢齿和若干辅助齿，所述电枢齿和辅助齿均包括齿顶部和齿部，所述齿顶部的 宽度大于齿部的宽度，所述齿部连接在齿顶部底面的中部且一体成型，所述电枢齿的齿顶 部和齿部的宽度均大于或者均小于所述辅助齿的齿顶部和齿部的宽度。若干电枢齿和若干 辅助齿依次相互间隔分布，相邻的电枢齿和辅助齿之间形成上述定子槽，所述定子绕组位 于定子槽内且每个电枢齿上均缠绕有定子绕组。
[0007] 本永磁无刷直流电动机的定子齿采用相互间隔分布的电枢齿和辅助齿的结构设 计，而且电枢齿的齿顶部和齿部的宽度均大于或者均小于所述辅助齿的齿顶部和齿部的宽 度相邻的电枢齿和辅助齿之间形成定子槽，从而相对现有永磁无刷直流电机的等齿宽结 构，实现了隔齿隔相的绕组结构，提高了本永磁无刷直流电动机的绕组系数，并通过合理设 计电枢齿与辅助齿的齿宽，降低齿部磁密饱和程度，来实现齿磁密的合理分布，避免齿部饱 和，最终实现电机转矩的提升，提高了电机的转矩密度和控制精度。
[0008] 在上述的永磁无刷直流电动机的转子定子结构中，所述定子绕组的节距y等于电 机极距T。电机极距T是指电机中相邻的N极和S极相对槽所占的跨距，可W W每极所跨槽数 或每极沿槽底圆周所跨的长度(m)来表示。节距y是指一个线圈的两个边所跨定子圆周上距 离，一般用槽数计算。电机绕组系数中的短距系数Kt = sin(yA*90)，电机绕组仅缠绕在电 枢齿上，通过调整节距y，使其等于电机极距T，可W使电机的短剧系数Kt = I,通过运种方式 能够提高电机的绕组系数，从而提高电机的转矩输出。
[0009] 在上述的永磁无刷直流电动机的转子定子结构中，所述电枢齿的齿顶部宽度大小 与电机极距T相等。通过将电枢齿的齿顶部宽度大小设计调整为一个电机极距T，能够更进 一步的增加电机转矩的提高效果。
[0010] 在上述的永磁无刷直流电动机的转子定子结构中，所述电枢齿的齿顶部宽度为所 述辅助齿的齿顶部宽度的2~4倍，所述电枢齿的齿部宽度为所述辅助齿的齿部宽度的2~4 倍。通过上述的比例设计电枢齿与辅助齿的齿宽，能够使得结构设计更为合理，能够进一步 降低齿部磁密饱和程度，实现齿磁密的合理分布，避免齿部饱和，最终实现电机转矩的提 升，提高了电机的控制精度。
[0011] 在上述的永磁无刷直流电动机的转子定子结构中，所述电枢齿的齿顶部宽度为所 述辅助齿的齿顶部宽度的0.25~0.5倍，所述电枢齿的齿部宽度为所述辅助齿的齿部宽度 的0.25~0.5倍。
[0012] 在上述的永磁无刷直流电动机的转子定子结构中，所述电枢齿的齿顶部开设有辅 助槽，所述辅助槽沿着电枢齿的齿顶部宽度方向分布。永磁体极数与定子槽数的最小公倍 数LCM为转子旋转一周齿槽转矩波动的周期数。一般来说，定子槽数和转子磁极数的最小公 倍数越大，则齿槽转矩的基波频率越大。从频谱函数特性可W知道，随着齿槽转矩基波频率 的增加齿槽转矩基波幅值是减小的。在增加了辅助槽后，即可W看作增加了电机的槽数，从 而提高了最小公倍数LCM，降低了齿槽转矩幅值，从而可W大大降低电机的齿槽转矩，提高 缝幼机启动性能，提高电机的控制精度。
[0013] 在上述的永磁无刷直流电动机的转子定子结构中，所述辅助齿的齿顶部上开设有 辅助槽，所述辅助槽沿着辅助齿的齿顶部宽度方向分布。在辅助齿上也开设辅助槽，能够进 一步增大齿槽转矩周期频率，降低了齿槽转矩值，提高缝幼机启动性能，提高电机的控制精 度。
[0014] 在上述的永磁无刷直流电动机的转子定子结构中，所述辅助槽的槽宽均相等，同 一电枢齿上或同一辅助齿上相邻的两辅助槽之间的间距相等。通过上述的设计，辅助槽的 分布较为均匀，能够较好增大齿槽转矩周期频率、降低齿槽转矩值，保证了电机输出转矩的 稳定性，进一步提高缝幼机启动性能，提高电机的控制精度。
[0015] 在上述的永磁无刷直流电动机的转子定子结构中，所述辅助槽的槽宽为电枢齿的 齿顶部宽度的1/6~1/12。辅助槽的槽宽在上述的范围内，能够起到的效果更佳。当然，实际 使用过程中，辅助槽的槽宽可根据实际强度的要求进行选择。
[0016] 在上述的永磁无刷直流电动机的转子定子结构中，所述辅助槽的槽宽等于电枢齿 齿顶部与辅助齿的齿顶部之间槽口的宽度。
[0017] 在上述的永磁无刷直流电动机的转子定子结构中，所述电枢齿的齿顶部上辅助槽 个数为2个，所述辅助齿的齿顶部上辅助槽的个数为1个。2个辅助槽分别设置在电枢齿的齿 顶部的两侧且相对电枢齿的中屯、线对称设置，辅助齿上的辅助槽设置在齿顶部的中部，在 能够保证强度要求的同时，能够较好增大齿槽转矩周期频率、降低齿槽转矩值，保证了电机 输出转矩的稳定性，进一步提高缝幼机启动性能，提高电机的控制精度。
[0018] 与现有技术相比，本永磁无刷直流电动机的转子定子结构具有W下优点：
[0019] 1、电枢齿和辅助齿的不等齿宽设计，电机绕组仅缠绕在电枢齿上，通过调整节距 y，使其等于电机极距T，通过运种方式提高电机的绕组系数，从而提高电机的转矩输出。
[0020] 2、通过合理设计电枢齿与辅助齿的齿宽，降低齿部磁密饱和程度，优化了齿磁密 的分布，避免齿部饱和，进一步提高了电机的输出转矩。
[0021] 3、在电枢齿和辅助齿的齿顶部均开设了辅助槽，增大齿槽转矩周期频率，降低了 齿槽转矩值，提高缝幼机启动性能，提高电机的控制精度。
【附图说明】
[0022] 图1是本永磁无刷直流电动机的转子定子结构的示意图。
[0023] 图2是图1中A处的放大图。
[0024] 图中，1、电枢齿;2、辅助齿;3、定子槽;4、定子绕组;5、齿顶部;6、齿部;7、辅助槽； 8、转子。
【具体实施方式】
[0025] W下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述， 但本发明并不限于运些实施例。
[0026] 实施例一
[0027] 如图1所示，本永磁无刷直流电动机的转子定子结构包括定子和转子8,定子包括 定子齿、定子槽3和定子绕组4。
[0028] 具体地说，如图1所示，定子齿包括若干电枢齿1和若干辅助齿2,电枢齿1和辅助齿 2均包括齿顶部5和齿部6，齿顶部5的宽度大于齿部6的宽度，齿部6连接在齿顶部5底面的中 部且一体成型。电枢齿1的齿顶部5和齿部6的宽度均大于或均小于辅助齿2的齿顶部5和齿 部6的宽度，若干电枢齿巧日若干辅助齿2依次相互间隔分布，相邻的电枢齿1和辅助齿2之间 形成定子槽3,从而相对现有永磁无刷直流电机的等齿宽结构，实现了隔齿的隔相绕组结 构，提高了本永磁无刷直流电动机的绕组系数。电枢齿1的齿顶部5宽度为辅助齿2的齿顶部 5宽度的2~4倍，电枢齿1的齿部6宽度为辅助齿2的齿部6宽度的2~4倍，本实施例中，电枢 齿1的齿顶部5和齿部6宽度均为辅助齿2的3倍。通过合理设计电枢齿1与辅助齿2的齿宽，降 低齿部師兹密饱和程度，来实现齿磁密的合理分布，避免齿部6饱和，最终实现电机转矩的提 升，提高了电机的控制精度。当然也可W设置为电枢齿1的齿顶部5宽度为辅助齿2的齿顶部 5宽度的0.25~0.5倍，电枢齿1的齿部6宽度为辅助齿2的齿部6宽度的0.25~0.5倍。
[0029] 定子绕组4位于定子槽3内且每个电枢齿1上均缠绕有定子绕组4,定子绕组4的节 距y等于电机极距T，电枢齿1的齿顶部5宽度大小与电机极距T相等。电机绕组系数中的短距 系数Kt = sin(yA*90)，电机绕组仅缠绕在电枢齿1上，通过调整节距y，使其等于电机极距 T，可W使电机的短剧系数Kt = I，通过运种方式能够提高电机的绕组系数，从而提高电机的 转矩。
[0030] 电枢齿1的齿顶部5开设有辅助槽7,辅助槽7沿着电枢齿1的齿顶部5宽度方向分 布，辅助齿2的齿顶部5上开设辅助槽7,所述辅助槽7沿着辅助齿2的齿顶部5宽度方向分布。 本实施例中，电枢齿1的齿顶部5上辅助槽7个数为2个，且2个辅助槽7分别设置在电枢齿1的 齿顶部5的两侧且相对电枢齿1的中屯、线对称设置，辅助齿2的齿顶部5上辅助槽7的个数为1 个且设置在齿顶部5的中部。辅助槽7的槽宽均相等，辅助槽7的槽宽为电枢齿1的齿顶部5宽 度的1/6~1/12,同一电枢齿1上或同一辅助齿2上相邻的两辅助槽7之间的间距相等。当然， 也可W将辅助槽7的槽宽设置为等于电枢齿齿顶部与辅助齿的齿顶部之间槽口的宽度。
[0031] 永磁体极数与定子槽3数的最小公倍数LCM为转子旋转一周齿槽转矩波动的周期 数。一般来说，定子槽3数和转子磁极数的最小公倍数越大，则齿槽转矩的基波频率越大。从 频谱函数特性可W知道，随着齿槽转矩基波频率的增加齿槽转矩基波幅值是减小的。因此， 本永磁无刷直流电动机在增加了辅助槽7后，即可W看作增加了电机的槽数，从而提高了最 小公倍数LCM，降低了齿槽转矩幅值，从而可W大大降低电机的齿槽转矩，提高缝幼机启动 性能，提高电机的控制精度。
[0032] 对比例一
[0033] 表一为96槽80极电机等齿宽和不等齿宽的输出转矩对照表
[0034]
[0035] 96槽80极电机(电机气隙直径为410mm，电机长度为100mm)通入13A电流，在等齿情 况下，电机输出转矩为780N.m。当将电枢齿1的齿顶部5宽度设计为大于辅助齿2的齿顶部5 宽度，并调整电枢齿1的齿顶部5宽度为一个极距时，即电枢齿1的齿顶部5宽度为16mm，运种 情况下，电机的输出转矩明显提高，为872N.m。
[0036] 对比例二
[0037] 表二为60槽80极电机等齿宽和不等齿宽的输出转矩对照表 [00；3 引
12 60槽80极电机(电机气隙直径为410mm，电机长度为100mm)通入13A电流，在等齿情 况下，电机输出转矩为806N.m。当将电枢齿1齿顶宽调整为一个极距，即16mm，运种情况下， 电机的输出转矩明显提高，为902N. m。 2 本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领 域的技术人员可W对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替 代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
【主权项】
1. 一种永磁无刷直流电动机的转子定子结构，包括定子和转子(8)，所述定子包括定子 齿、定子槽(3)和定子绕组(4)，其特征在于，所述定子齿包括若干电枢齿（1)和若干辅助齿 (2)，所述电枢齿（1)和辅助齿(2)均包括齿顶部(5)和齿部(6)，所述齿顶部(5)的宽度大于 齿部(6)的宽度，所述齿部(6)连接在齿顶部(5)底面的中部且一体成型，所述电枢齿（1)的 齿顶部(5)和齿部(6)的宽度均大于或均者小于所述辅助齿(2)的齿顶部(5)和齿部(6)的宽 度，若干电枢齿（1)和若干辅助齿(2)依次相互间隔分布，相邻的电枢齿（1)和辅助齿(2)之 间形成上述定子槽(3)，所述定子绕组(4)位于定子槽(3)内且每个电枢齿（1)上均缠绕有定 子绕组(4)。2. 根据权利要求1所述的永磁无刷直流电动机的转子定子结构，其特征在于，所述定子 绕组(4)的节距y等于电机极距τ。3. 根据权利要求2所述的永磁无刷直流电动机的转子定子结构，其特征在于，所述电枢 齿(1)的齿顶部(5)宽度大小与电机极距τ相等。4. 根据权利要求1或2或3所述的永磁无刷直流电动机的转子定子结构，其特征在于，所 述电枢齿（1)的齿顶部（5)宽度为所述辅助齿（2)的齿顶部（5)宽度的2~4倍，所述电枢齿 (1)的齿部(6)宽度为所述辅助齿(2)的齿部(6)宽度的2~4倍。5. 根据权利要求1或2或3所述的永磁无刷直流电动机的转子定子结构，其特征在于，所 述电枢齿（1)的齿顶部(5)开设有辅助槽(7)，所述辅助槽(7)沿着电枢齿（1)的齿顶部(5)宽 度方向分布。6. 根据权利要求5所述的永磁无刷直流电动机的转子定子结构，其特征在于，所述辅助 齿(2)的齿顶部(5)上开设有辅助槽(7)，所述辅助槽(7)沿着辅助齿(2)的齿顶部(5)宽度方 向分布。7. 根据权利要求6所述的永磁无刷直流电动机的转子定子结构，其特征在于，所述辅助 槽(7)的槽宽均相等，同一电枢齿（1)上或同一辅助齿(2)上相邻的两辅助槽(7)之间的间距 相等。8. 根据权利要求7所述的永磁无刷直流电动机的转子定子结构，其特征在于，所述辅助 槽(7)的槽宽为电枢齿(1)的齿顶部(5)宽度的1/6~1/12。9. 根据权利要求7所述的永磁无刷直流电动机的转子定子结构，其特征在于，所述辅助 槽(7)的槽宽等于电枢齿(1)的齿顶部(5)与辅助齿(2)的齿顶部(5)之间槽口的宽度。10. 根据权利要求8所述的永磁无刷直流电动机的转子定子结构，其特征在于，所述电 枢齿（1)的齿顶部(5)上辅助槽(7)个数为2个，所述辅助齿(2)的齿顶部(5)上辅助槽(7)的 个数为1个。
【文档编号】H02K1/14GK105978182SQ201610460654
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年6月21日
【发明人】荆汝宝
【申请人】浙江众邦机电科技有限公司