一种EC内转子永磁调速电机

技术领域

本发明涉及电机设备技术领域，尤其涉及一种EC内转子永磁调速电机。

背景技术

EC电动机电源为直流电源、内置或外置直流变交流(通过六个逆变模块)、采用转子位置反馈、三相交流、永磁、同步电动机(直流无刷只是电源品质和电动机的表象，而不是电动机的实质，EC电动机实质上是三相交流永磁同步电机)

EC电动机是一台用电子换向装置取代机械换向的直流电动机，主要由同步电动机本体，电力电子逆变器、转子位置检测器和控制器组成。其中同步电动机的转子主要由永磁体(钕铁硼)等构成。

无刷直流电机由于省去了励磁用的集电环和电刷，在结构上大大简化。同时不但改善了电机的工艺性，而且电机运行的机械可靠性大为增强，寿命增加。

显而易见，EC电机不是一项新技术。它们是永磁无刷直流(BLDC)电动机，是通过电子换向方法而不是电刷的物理特征来区分。这些电动机，无论是被称为“无刷DC”还是“电子换向”，都有一个带有绕线定子的永磁转子。

现有EC电动机在使用过程中，因电机内散热不易，运转性能无法达到最大优化，此外，定子铁芯的尺寸及绕组设计没有达到电机运转时的最大优化利用率。

因此EC电动机的转子铁芯及定子铁芯的结构尺寸需重新设计。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种EC内转子永磁调速电机，采用尺寸设计过的转子铁芯以及定子铁芯，使其在散热及电机运转时的功效最大化。

为了实现上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：包括机座，以及设置在机座内的定子铁芯和转子铁芯，其中，转子铁芯可旋转设置在定子铁芯的中空区域内，定子铁芯上绑设有多组线圈，转子铁芯内埋设有永磁体；其特征在于：所述定子铁芯与转子铁芯分别通过定子冲片与转子冲片沿轴向叠压形成；所述定子冲片上径向设有多个尺寸相同的定子槽，所述转子冲片上径向设有多个尺寸相同的转子槽；所述定子槽包括相互连通的扇面部以及漏斗部，所述漏斗部的下端形成窄口；所述定子槽的高度为h12，且h12＝19.5～20.01cm；所述扇面部的上端间距为r2，且r2＝24.5～25.52cm；所述漏斗部的上端间距为b1，且b1＝21.5～22.39cm；所述漏斗部的两侧斜面所成角度为a1，且a1＝30°；所述窄口的宽度为b01，且b01＝3.8～4.3cm；所述窄口的高度为h01，且h01＝1～1.2cm；所述定子冲片的外侧周向设有多个用于与机座连接的豁口。该技术方案中，EC电动机采用跨距y＝1的分数槽集中绕组。其内的定子铁芯与转子铁芯分别通过定子冲片与转子冲片沿轴向叠压形成；其中，定子槽的槽形尺寸保证了槽分度精度达到角分级水平。定子铁芯上的定子槽数均分且数目大大减少，采用平底槽所带来的槽面积增加的百分比逐渐增加，且电机的槽宽与槽深的比值最大，采用上述各项尺寸数值优化后的定子槽，能够有效的增加槽面积与定子铁芯材料的利用率。

作为优选，所述多个定子槽沿定子冲片的中心在同一圆周线上间隔均匀分布，所述多个转子槽沿转子冲片的中心在同一圆周线上间隔均匀分布。该技术方案中，定子槽径向均布在定子冲片上，有12个，该槽型设计较大，可使内部温度不易上升，且可增加定子铁芯的铁芯轭部的宽度，使定子铁芯不容易变形；转子槽径向均布在转子冲片上，有10个，绕组元件数目也相对较少，可简化嵌线工艺及接线过程，有助于降低成本。

作为优选，所述转子槽呈扇形，所述转子槽的上端间距为br1，且br1＝28～30.06cm，下端间距为h02，且h02＝25.5～26.35cm；所述转子槽的宽度为br2，且br2＝5～6cm，所述转子冲片的中心到转子槽外端的距离为hr12，且hr12＝50.5cm；所述转子槽的端部呈圆角，所述圆角的半径为a1，且a1＝0.5cm。该技术方案中，定子槽与转子槽的两个槽型均采用大槽设计，可减小槽绝缘占据的面积，使槽满率得到提高，也进一步提高了电动机的性能；同时，增加绕组的短距和分布效应，改善反电势波形的正弦性。并且，大槽的设计，以至于元件的减少都可进一步减少转子内部的温度升高。

作为优选，还包括转轴，所述转子冲片的中心设有供所述转轴穿过的轴孔；所述转子冲片上径向设有多个通风孔，所述多个通风孔以轴孔为中心沿同一圆周线均匀分布。该技术方案中，多个径向通风孔沿同一圆周线均布，如此设置，可对内部的热量均匀的搅拌，使每处的热量都能被散发，提升电机运转性能。

作为优选，所述轴孔的中心点至通风孔的孔心的连线与轴孔的中心点到相邻的通风孔的孔心的连线之间的夹角为α，所述α＝36°；所述通风孔的直径为9.8～10.3cm。该技术方案中，该通风孔尺寸为适中孔型设计，通风孔的个数为10个，直径为9.8～10.3cm，经过实验数据验证，如此设置，可大大提升散热效果，并且使转子铁芯不会因质量大小而影响运转功效。

作为优选，所述转子冲片上且位于通风孔的外侧径向设有多个平衡孔，所述相邻的两个平衡孔之间设有一个通风孔；所述多个平衡孔以轴孔为中心沿同一圆周线均匀分布，所述轴孔的中心点至平衡孔的孔心的连线与轴孔的中心点到相邻的平衡孔的孔心的连线之间的夹角为γ，所述γ＝36°；所述平衡孔的直径为4.2～4.8cm。该技术方案中，该技术方案中，多个径向平衡孔沿同一圆周线均布，增加了配重范围，保持了360度的平衡，使转子平衡做到极致；该平衡孔的个数为10个，直径为4.2～4.8cm，经过实验数据验证，如此设置，可满足360度的配重需求做到更大范围的转子平衡，并且不会干扰到电机的运转性能。

作为优选，所述轴孔的中心点与平衡孔的孔心之间的连线延伸经过扇形面弧线的中点。该技术方案中，一个转子槽的内弧相对应一个平衡孔，转子槽、平衡孔以及通风孔均是相对均布，使转子在运转时，各方面性能如散热、配重等都较为均衡。

作为优选，所述相邻的两个转子槽之间设有隔磁桥，所述隔磁桥的宽度为1.45～1.65cm，所述沿隔磁桥长度方向的中心线延伸经过通风孔的孔心及轴孔的中心点。该技术方案中，气隙磁通和漏磁通之和为电动机上所有永磁体产生的总磁通，为了不使永磁体的漏磁系数过大而导致永磁体的利用率过低，因此设置了隔磁桥，同时减小了转子轭高。隔磁桥的原理是通过磁桥部位磁通达到饱和来起到限制漏磁的作用，所以从防止漏磁的角度来看隔磁桥的宽度越小隔磁效果越好。上述尺寸设计能满足空载漏磁系数的要求，又有足够的强度，可提高电机的机械强度和降低电机的制造成本。

作为优选，还包括盖板，所述盖板沿轴向设置于转子铁芯的端部；所述盖板包括上盖板和下盖板，所述上盖板和下盖板上分别开设有与平衡孔及通风孔相对应的孔位。该技术方案中，盖板的设计用于将永磁体封装在转子铁芯内，并且通过盖板上的与通风孔以及平衡孔相对的孔位设计，不影响转子铁芯内的散热与配重。

作为优选，还包括后端盖、多个轴承以及电缆组件，其中，电缆组件用于将电机与外部连接，后端盖设置于机座的端部将定子铁芯与转子铁芯隐于机座内，多个轴承套接在转轴上。该技术方案中，转轴穿设于转子铁芯上，且转子铁芯设置于定子铁芯内，而多个轴承用于转子旋转支撑及保持旋转精度。

附图说明

图1为一种EC内转子永磁调速电机的立体结构分解示意图。

图2为一种EC内转子永磁调速电机的定子冲片的截面示意图。

图3为一种EC内转子永磁调速电机的转子冲片的截面示意图。

图4为一种EC内转子永磁调速电机的定子槽的截面示意图。

图5为一种EC内转子永磁调速电机的转子槽的截面示意图。

图6为一种EC内转子永磁调速电机的转子冲片上的N处的对位槽的放大示意图。

图7为一种EC内转子永磁调速电机的集中绕组展开示意图。

图8为一种EC内转子永磁调速电机的接线示意图。

图9为一种EC内转子永磁调速电机的电磁设计流程示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“顺时针”、“逆时针”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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

如图1～9一种EC内转子永磁调速电机，包括机座1，以及设置在机座1内的定子铁芯2和转子铁芯3，其中，转子铁芯3可旋转设置在定子铁芯2的中空区域内，定子铁芯2上绑设有多组线圈4，转子铁芯3内埋设有永磁体5；定子铁芯2与转子铁芯3分别通过定子冲片6与转子冲片7沿轴向叠压形成；定子冲片6上径向设有多个尺寸相同的定子槽8，转子冲片7上径向设有多个尺寸相同的转子槽9；定子槽8包括相互连通的扇面部10以及漏斗部11，漏斗部11的下端形成窄口12；定子槽8的高度为h12，且h12＝19.5～20.01cm；扇面部10的上端间距为r2，且r2＝24.5～25.52cm；漏斗部11的上端间距为b1，且b1＝21.5～22.39cm；漏斗部11的两侧斜面所成角度为a1，且a1＝30°；窄口12的宽度为b01，且b01＝3.8～4.3cm；窄口12的高度为h01，且h01＝1～1.2cm；定子冲片6的外侧周向设有多个用于与机座1连接的豁口13。该技术方案中，EC电动机采用跨距y＝1的分数槽集中绕组。其内的定子铁芯2与转子铁芯3分别通过定子冲片6与转子冲片7沿轴向叠压形成；其中，定子槽8的槽形尺寸保证了槽分度精度达到角分级水平。定子铁芯2上的定子槽8数均分且数目大大减少，采用平底槽所带来的槽面积增加的百分比逐渐增加，且电机的槽宽与槽深的比值最大，采用上述各项尺寸数值优化后的定子槽，能够有效的增加槽面积与定子铁芯材料的利用率。

进一步地，多个定子槽8沿定子冲片6的中心在同一圆周线上间隔均匀分布，多个转子槽9沿转子冲片7的中心在同一圆周线上间隔均匀分布。该技术方案中，定子槽8径向均布在定子冲片6上，有12个，该槽型设计较大，可使内部温度不易上升，且可增加定子铁芯2的铁芯轭部的宽度，使定子铁芯2不容易变形；转子槽9径向均布在转子冲片7上，有10个，绕组元件数目也相对较少，可简化嵌线工艺及接线过程，有助于降低成本。

进一步地，转子槽9呈扇形，转子槽9的上端间距为br1，且br1＝28～30.06cm，下端间距为h02，且h02＝25.5～26.35cm；转子槽9的宽度为br2，且br2＝5～6cm，转子冲片7的中心到转子槽9外端的距离为hr12，且hr12＝50.5cm；转子槽9的端部呈圆角，所述圆角的半径为a1，且a1＝0.5cm。该技术方案中，定子槽8与转子槽9的两个槽型均采用大槽设计，可减小槽绝缘占据的面积，使槽满率得到提高，也进一步提高了电动机的性能；同时，增加绕组的短距和分布效应，改善反电势波形的正弦性。并且，大槽的设计，以至于元件的减少都可进一步减少转子内部的温度升高。

进一步地，电机还包括转轴14，所述转子冲片7的中心设有供转轴14穿过的轴孔15；转子冲片7上径向设有多个通风孔16，且多个通风孔16以轴孔15为中心沿同一圆周线均匀分布。该技术方案中，多个径向通风孔16沿同一圆周线均布，如此设置，可对内部的热量均匀的搅拌，使每处的热量都能被散发，提升电机运转性能。

进一步地，轴孔15的中心点至通风孔16的孔心的连线与轴孔15的中心点到相邻的通风孔16的孔心的连线之间的夹角为α，所述α＝36°；通风孔16的直径为9.8～10.3cm。该技术方案中，该通风孔16尺寸为适中孔型设计，通风孔16的个数为10个，直径为9.8～10.3cm，经过实验数据验证，如此设置，可大大提升散热效果，并且使转子铁芯3不会因质量大小而影响运转功效。

进一步地，转子冲片7上且位于通风孔16的外侧径向设有多个平衡孔18，相邻的两个平衡孔18之间设有一个通风孔16；多个平衡孔18以轴孔15为中心沿同一圆周线均匀分布，轴孔15的中心点至平衡孔18的孔心的连线与轴孔15的中心点到相邻的平衡孔18的孔心的连线之间的夹角为γ，且γ＝36°；平衡孔18的直径为4.2～4.8cm。该技术方案中，该技术方案中，多个径向平衡孔18沿同一圆周线均布，增加了配重范围，保持了360度的平衡，使转子平衡做到极致；该平衡孔18的个数为10个，直径为4.2～4.8cm，经过实验数据验证，如此设置，可满足360度的配重需求做到更大范围的转子平衡，并且不会干扰到电机的运转性能。

进一步地，轴孔15的中心点与平衡孔18的孔心之间的连线延伸经过扇形面弧线的中点。该技术方案中，一个转子槽9的内弧相对应一个平衡孔18，转子槽9、平衡孔18以及通风孔16均是相对均布，使转子在运转时，各方面性能如散热、配重等都较为均衡。

进一步地，相邻的两个转子槽9之间设有隔磁桥19，隔磁桥19的宽度为1.45～1.65cm，且沿隔磁桥19长度方向的中心线延伸经过通风孔16的孔心及轴孔15的中心点。该技术方案中，气隙磁通和漏磁通之和为电动机上所有永磁体产生的总磁通，为了不使永磁体的漏磁系数过大而导致永磁体的利用率过低，因此设置了隔磁桥19，同时减小了转子轭高。隔磁桥19的原理是通过磁桥部位磁通达到饱和来起到限制漏磁的作用，所以从防止漏磁的角度来看隔磁桥19的宽度越小隔磁效果越好。上述尺寸设计能满足空载漏磁系数的要求，又有足够的强度，可提高电机的机械强度和降低电机的制造成本。

进一步地，电机还包括盖板20，盖板20沿轴向设置于转子铁芯3的端部；盖板20包括上盖板和下盖板，上盖板和下盖板上分别开设有与平衡孔18及通风孔16相对应的孔位。该技术方案中，盖板20的设计用于将永磁体封装在转子铁芯3内，并且通过盖板20上的与通风孔16以及平衡孔18相对的孔位设计，不影响转子铁芯3内的散热与配重。

进一步地，电机还包括后端盖21、多个轴承22以及电缆组件23，其中，电缆组件23用于将电机与外部连接，后端盖21设置于机座1的端部将定子铁芯2与转子铁芯3隐于机座1内，多个轴承22套接在转轴14上。该技术方案中，转轴14穿设于转子铁芯3上，且转子铁芯3设置于定子铁芯1内，而多个轴承22用于转子旋转支撑及保持旋转精度。

此处需要说明的是，图7中100为铁芯齿轭，101为漆包圆铜线。

在本具体实施例中，需要另外说明的是，EC电动机采用集中式绕组，每个齿上绕了一个线圈，缩短了绕组端部伸出长度和线圈周长，降低电动机的用铜量；而且线圈端部之间无重叠；不必设相间绝缘。为此有文献称这种绕组为非重叠绕组，同时分数槽集中式绕组方便使用专用的绕线机，将线圈直接绕在齿上，取代了传统的嵌线工艺。以提高工效；绕组端部伸出的长度的缩短和槽满率的提高，使电动机绕组电阻减小和铜耗也随之较小，进而降低了温升和提高电动机效率，同时又增加功率密度，提高快速性，降低时间常数。进而提高了电动机的性能。

其定子绕组设计中要求定子绕组中获得顶宽为120°的梯形波形，因此绕组形式往往采用整距、集中式或接近整距、集中式的形式，已保留磁密中幅值其他谐波。当定子绕组的某相通电时，该相电流产生的磁场与转子磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，位置传感器将转子钕铁硼磁体位置变换成电信号去控制电子开关电路，从而使定转子各相绕组按一定次序导通，使定子的相序电流随转子位置的变化而按已确定的次序换向，这样才能让电磁场随着转子的旋转不断变化，产生于转子同步转速的旋转磁场，并使定子磁场与转子磁场始终保持90°左右的空间角，用最大转矩推动转子旋转。由于电子开关线路的导通次序与转子转角同步，起到机械换向器的换向作用，保证了电动机在运行过程中定子与转子的磁场始终保持基本垂直，以提高运行效率。所以EC电动机就其基本结构而言。可以认为是一台电子开关换相电流永磁EC电动机、位置传感器，三者组成的“自同步电机系统”，它在运行过程中不会“失步”。

此外，需要进一步说明的是，因具备良好的尺寸设计，EC电动机具备良好的电磁性能。该EC电动机中槽型尺寸及电磁计算采用以下步骤：

一、额定参数与极数要求，其中，

(1).额定功率：P

(2).相数：m＝3

(3).额定线电压：U

(4).额定频率：f＝50Hz

(5).额定效率：ηn＝92.5％

(6).额定功率因数：cosΦ

(7).额定转速：n

(8).失步转矩倍数：

(9).启动转矩倍数：

(10).启动电流倍数：

(11).绕组形式：分数槽集中式绕组三角形联结

(12).极对数：10极

二、槽型计算

(13).定子槽形：

如图4中定子槽型各部尺寸如下：

h12＝19.5～20.01cm；

r2＝24.5～25.52cm；

b1＝21.5～22.39cm；

a1＝30°；

b01＝3.8～4.3cm；

h01＝1～1.2cm；

(14).转子槽形：

如图5中转子槽型各部尺寸如下：

br1＝28～30.06cm；

h02＝25.5～26.35cm；

br2＝5～6cm；

hr12＝50.5cm；

a1＝0.5cm。

(15).定子齿距：

(16).定子斜槽距离：t

(17).定子计算齿宽：

式中，

(18).定子轭计算高度：

(19).定子齿磁路计算长度：

(20).定子轭磁路计算长度：

(21).定子齿体积：

V

(22).定子轭体积：

V

(23).转子齿距：

(24).转子齿磁路计算长度：h

(25).转子轭计算高度：

(26).转子轭磁路计算长度：

三、磁路计算

(27).极弧系数：

(28).计算极弧系数：α

(29).气隙磁密波形系数：

(30).气隙系数：

(31).气隙磁通波形系数：K

式中，

(32).空载漏磁系数假定值：σ

(33).永磁体空载工作点假定值：b

(34).空载主磁通：

(35).气隙磁密：

(36).气隙磁位差：

直轴磁路

交轴磁路

式中，δ

以下列式中所用到的有关场强H的值均为根据所对应磁密B查硅钢片磁化曲线所得到

(37).定子齿磁密：

(38).定子齿磁位差：

F

(39).定子轭磁密：

(40).定子轭磁位差：

F

式中，C

(41).转子齿磁密：

式中，

(42).转子齿磁位差：

F

(43).转子轭磁密：

(44).转子轭磁位差：

F

式中，C

(45).每对极总磁位差：

∑F＝F

计算漏磁系数时，每极总磁位差为：

F

(46).空载漏磁系数计算：

1)通过转子槽的漏磁通Φ

2)通过隔磁磁桥的磁通Φ

Φ

Φ

Φ

式中，ω

ω

3)转子内部漏磁系数

4)转子端部漏磁系数

其中，转子单位端部漏磁系数σ

5)空载漏磁系数

σ

与设定值σ

(47).磁路齿饱和系数：

(48).主磁导：

(49).主磁导标么值：

(50).外磁路总磁导标么值：

λ

(51).漏磁导标么值：

λ

(52).永磁体空载工作点：

与设定b

(53).气隙磁密基波幅值：

(54).空载反电动势：

E

(55).定子槽漏抗：

(56).定子谐波漏抗：

(57).定子端部漏抗：

(58).定子斜槽漏抗：

(59).定子漏抗：

X

(60).转子槽比漏磁导：

λ

式中，

(61).转子槽漏抗：

(62).转子谐波漏抗：

式中，

(63).转子端部漏抗：

(64).转子漏抗：

X

(65).直轴电枢磁动势折算系数：

(66).直轴电枢反应电抗：

式中，

E

Φ

式中，

以上为EC电动机中的槽型尺寸设计与电磁计算的过程。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。