外转子电机和无人机装置的制作方法

1.本发明属于电机相关技术领域，具体涉及一种外转子电机和无人机装置。


背景技术：

2.电机作为无人机驱动元件之一，传统气隙均匀的单元电机为14极12槽的外转子永磁无刷直流电机，具有较高的功率密度；但是气隙均匀的电机具有更大的齿槽转矩峰峰值和反电势波形畸变率，进而使电机均有更高的切向转矩脉动，电机噪音相对较大。
3.因此，有必要对现有技术予以改良以克服现有技术中的所述缺陷。


技术实现要素：

4.因此，本发明所要解决的技术问题是现有技术中的电机内部的气隙均匀导致使用效率差且噪音大的问题。
5.为解决上述技术问题，本发明提供一种外转子电机。外转子电机包括转子组件，转子组件包括转子组件包括多个永磁体转子元件；定子组件，定子组件包括定子轭和沿定子轭的周向设置的多个定子齿；气隙，气隙用于将转子组件与定子组件呈间隙分开；定子齿的面向气隙的外弧面与永磁体转子元件面向气隙的内弧面之间的气隙中，气隙的中间段的间隙小于气隙两端的间隙。
6.可选地，定子齿的外弧面具有顺次连接的第一圆弧段、第二圆弧段和第三圆弧段，第一圆弧段、第二圆弧段和第三圆弧段的圆心不重合。
7.可选地，第一圆弧段和第三圆弧段对称设置在第二圆弧段的两端；和/或第一圆弧段和第三圆弧段同圆心设置；和/或第二圆弧段的曲率半径大于第一圆弧段和第三圆弧段的曲率半径。
8.可选地，多个定子齿沿定子轭的周向等间隔设置以形成多个定子槽，外转子电机还包括定子绕组，定子绕组绕设在定子齿上并贯穿定子槽，永磁体转子元件设置有14p个，定子齿设置有12p个，各定子槽的槽口宽度满足0.77*dso*sin(7*p*π/(4*lcm(12p，14p))≤bso≤0.91*dso*sin(7*p*π/(4*lcm(12p，14p))，其中，dso为第二圆弧段的直径，lcm(12p，14p)为最小极槽公倍数。
9.可选地，转子组件还包括转子磁轭，永磁体转子元件的外边缘与转子磁轭连接，永磁体转子元件的外边缘与永磁体转子元件的内边缘的圆心不重合。
10.可选地，永磁体转子元件的外边缘与内边缘的半径相等，转子组件还包括转轴，外边缘与转轴同圆心。
11.可选地，转子组件还包括转子磁轭，永磁体转子元件设置有14p个，定子齿设置有12p个，多个永磁体转子元件沿转子磁轭的内周面的周向等间隔设置，永磁体转子元件的宽度mag为0.81*dso*π/(14p)≤mag≤0.89*dso*π/(14p)；其中，dso为第二圆弧段的直径，lcm(12p，14p)为最小极槽公倍数。
12.可选地，永磁体转子元件设置有14p个，定子齿设置有12p个，第二圆弧段的圆弧角
为α1，0＜α1＜0.86*lcm(12p，14p)*π/180，其中lcm(12p，14p)为最小极槽公倍数。
13.可选地，第二圆弧段的圆弧角为α1，第一圆弧段和第三圆弧段对称设置在第二圆弧段的两端，第二圆弧段的圆心与第三圆弧段的圆心之间的距离为ra，0《ra《2+α1。
14.可选地，第二圆弧段与永磁体转子元件的内边缘之间的距离小于第一圆弧段和第三圆弧段与永磁体转子元件的内边缘之间距离。
15.可选地，永磁体转子元件设置有14p个，定子齿设置有12p个，第二圆弧段与永磁体转子元件的内边缘之间形成的气隙为δmin，0.53≤δmin*lcm(12p，14p)/dso≤1.06，其中，dso为第二圆弧段的直径，lcm(12p，14p)为最小极槽公倍数。
16.可选地，转子组件还包括转子磁轭，转子磁轭为软磁材料。
17.本发明还提供一种无人机装置，无人机装置包括上述的外转子电机。
18.本发明提供的技术方案，具有以下优点：
19.本发明提供的外转子电机包括外转子电机包括转子组件和定子组件，转子组件包括多个永磁体转子元件，定子组件包括定子轭和沿定子轭的周向设置的多个定子齿，气隙用于将转子组件与定子组件呈间隙分开，定子齿的面向气隙的外弧面与永磁体转子元件面向气隙的内弧面之间的气隙中，气隙的中间段的间隙小于气隙两端的间隙。
20.由上可知，在本技术采用的外转子电机中，由于定子齿朝向永磁体转子元件的端面与永磁体转子元件之间的气隙为不均匀气隙，与现有技术相比本技术的外转子电机具有较高的功率密度，且齿槽转矩峰峰值和反电势畸变率更低。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1示出了本发明提供的外转子电机的结构示意图；
23.图2示出了本发明提供的定子组件的结构示意图；
24.图3示出了本发明提供的转子组件的结构示意图；
25.图4示出了本发明提供的气隙的结构示意图；
26.图5示出了本发明提供的定子槽的槽口宽度和永磁体转子元件的宽度组合下反电势波形畸变率示意图；
27.图6示出了本发明提供的定子槽的槽口宽度和永磁体转子元件的宽度组合下齿槽转矩峰峰值示意图；
28.图7示出了本发明提供的定子槽的槽口宽度和永磁体转子元件的宽度组合下基波反电势值示意图；
29.图8示出了本发明提供的第二圆弧段的圆弧角、第二圆弧段的圆心与第三圆弧段的圆心之间的距离组合下反电势波形畸变率示意图；
30.图9示出了本发明提供的第二圆弧段的圆弧角、第二圆弧段的圆心与第三圆弧段的圆心之间的距离组合下齿槽转矩峰峰值示意图；
31.图10示出了本发明提供的第二圆弧段的圆弧角、第二圆弧段的圆心与第三圆弧段
的圆心之间的距离组合下基波反电势值示意图。
32.附图标记说明：
33.10、转子磁轭；20、永磁体转子元件；210、外边缘；220、内边缘；30、转轴；40、定子齿；410、第一端面；411、第一圆弧段；412、第二圆弧段；413、第三圆弧段；50、定子绕组；60、气隙；70、定子轭。
具体实施方式
34.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，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。下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
35.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
36.在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。
37.实施例1
38.本发明解决了现有的电机内部的气隙均匀导致使用效率差且噪音大的问题。
39.需要说明的是，在定子组件中相邻的两个定子齿40之间设置定子绕组50，在转子磁轭10内表面设置永磁体转子元件20，永磁体转子元件20在气隙中生成磁密，进而在定子绕组50通电时生成的磁密相互作用驱动转子组件转动。而转子组件和定子组件之间一定要有空隙，即气隙，以保证转子组件的正常转动。并且，定子外齿和正对着永磁体转子元件20的内边缘220会在气隙中引起的基波磁密和其它高次谐波磁密(统称谐波磁密)，通过自耦合及相互耦合作用，进而产生对定子组件和转子组件的切向力矩。
40.传统均匀气隙磁场产生的谐波磁密，通过耦合之后，产生较大的切向脉动转矩，引起较大的切向转矩脉动；传统方法是通过减小磁钢宽度，即永磁体转子元件20的宽度mag、改变定子槽的槽口宽度bso或者增加气隙来削弱谐波磁密幅值，以降低齿槽转矩峰峰值和反电势波形畸变率，但削减谐波磁密幅值的同时，基波磁密幅值也将降低，电机基波反电势幅值将减小，外转子电机的功率密度也将变小。
41.本技术将外转子电机的气隙沿周向设计成非均匀气隙，确保基波磁密峰值不变的同时，还可有效削弱高次气隙磁密引起较大的谐波转矩，既能保证转子电机具有较大的功率密度，又能降低转子电机的切向转矩脉动引起的振动噪音，提高飞机飞行平稳性。
42.如图1至图10所示，外转子电机包括转子组件和定子组件，转子组件包括转轴30、环形的转子磁轭10和永磁体转子元件20，永磁体转子元件20设置在转子磁轭10的内周面上，永磁体转子元件20和转轴30之间形成环形的安装区域，定子组件安装在安装区域的内部，定子组件包括定子轭70和沿定子轭70的周向设置的多个定子齿40，定子轭70套设在转轴30上并与转轴30转动配合，定子齿40远离定子轭70的端面与永磁体转子元件20的内边缘220面之间形成气隙60，定子齿40远离定子轭70的端面具有周向顺次连接的第一圆弧段
411、第二圆弧段412和第三圆弧段413，第一圆弧段411、第二圆弧段412和第三圆弧段413的圆心不重合。
43.其中，周向顺次连接的第一圆弧段411、第二圆弧段412和第三圆弧段413配合形成第一端面410，第一端面410与永磁体转子元件20的内边缘220之间形成不均匀的气隙60。
44.具体地，在本技术采用的外转子电机中，由于定子齿40朝向永磁体转子元件20的端面上的第一圆弧段411、第二圆弧段412和第三圆弧段413非同圆心，因此定子齿40与永磁体转子元件20之间的气隙60为不均匀气隙60，与现有技术相比本技术的外转子电机具有较高的功率密度，且齿槽转矩峰峰值和反电势畸变率更低。
45.进一步地，第二圆弧段412与转轴30同圆心如图2中的01，以实现多个定子凸齿上的第二圆弧段412与转轴30的距离相等，多个第二圆弧段412均布在转轴30的外侧，以方便定子组件和转子组件的相对位置。
46.进一步地，为了保证气隙60为非均匀气隙的同时按照一定的规律进行变化，以降低外转子电机反电势畸变率和齿槽转矩峰峰值，同时保证外转子电机具有较高的基波反电势值。本技术采用第一圆弧段411和第三圆弧段413对称设置在第二圆弧段412的两端，以通过第一圆弧段411、第二圆弧段412和第三圆弧段413配合实现与永磁体转子元件20的内边缘220之间形成非均匀的气隙60。
47.进一步地，如图2中的02，第一圆弧段411和第三圆弧段413同圆心设置，即第一圆弧段411和第二圆弧段412为同一个圆的轨迹上，进而使第一圆弧段411和第二圆弧段412的弧度处形成的气隙60均匀。
48.在本实施例中，第二圆弧段412的曲率半径大于第一圆弧段411和第三圆弧段413的曲率半径，以实现第二圆弧段412到永磁体转子元件20的内边缘220之间的距离为间隙的最小距离，即第二圆弧段412至永磁体转子元件20的距离小于第一圆弧段411和第三圆弧段413至永磁体转子元件20的距离。在定子凸齿与永磁体转子元件20之间的气隙60处形成，中间窄两端宽的不均匀气隙60。
49.如图1至图10所示，多个定子齿40沿定子轭70的周向等间隔设置以形成多个定子槽，外转子电机还包括定子绕组50，定子绕组50绕设在定子齿40上并贯穿定子槽，永磁体转子元件20设置有14p个，定子齿40设置有12p个。
50.具体地，本技术为14极12槽结构的外转子电机。
51.其中，本技术的定子槽的槽口宽度bso与永磁体转子元件20的宽度mag选取不同组合时，电机的反电势波形畸变率、齿槽转矩峰峰值和基波反电势值map云图。
52.进一步地，当各定子槽的槽口宽度bso满足0.77*dso*sin(7*p*π/(4*lcm(12p，14p))≤bso≤0.91*dso*sin(7*p*π/(4*lcm(12p，14p))，其中，dso为第二圆弧段412的直径，lcm(12p，14p)为最小极槽公倍数；同时，永磁体转子元件20的宽度mag满足0.81*dso*π/(14p)≤mag≤0.89*dso*π/(14p)；其中，dso为第二圆弧段412的直径，lcm(12p，14p)为最小极槽公倍数时，外转子电机的齿槽转矩峰峰值和反电势波形畸变率均较低，且基波反电势值维持不变。由于第二圆弧段412的曲率半径大于第一圆弧段411和第三圆弧段413的曲率半径，因此第二圆弧的直径相当于是定子齿40的外径。
53.需要说明的是，本实施例中传统电机的基波反电势值为0.97v/rms，反电势波形畸变率为7％，齿槽转矩峰峰值为6mn*m；图5、图6和图7中，选择一个较优的参数时，例如bso为
1.3mm和mag为4.55mm，基波反电势值为0.97v/rms，反电势波形畸变率为4.9％，齿槽转矩峰峰值为0.8mn*m；采用本技术的实施例时，外转子电机的齿槽转矩峰峰值和反电势波形畸变率相较传统更低，且基波反电势值维持不变。
54.在本实施例中，为了降低齿槽转矩峰峰值和反电势波形畸变率，第二圆弧段412的圆弧角为α1与第二圆弧段412的圆心与第三圆弧段413的圆心之间的距离为ra之间满足：
55.第二圆弧段412的圆弧角为α1，0＜α1＜0.86*lcm(12p，14p)*π/180，其中lcm(12p，14p)为最小极槽公倍数。
56.第二圆弧段412的圆弧角为α1，第一圆弧段411和第三圆弧段413对称设置在第二圆弧段412的两端，第二圆弧段412的圆心与第三圆弧段413的圆心之间的距离为ra，0＜ra＜2+α1。
57.当α1和ra满足上述的范围时，外转子电机的齿槽转矩峰峰值和反电势波形畸变率均进一步降低，且基波反电势值维持不变。
58.例如，传统电机的基波反电势值为0.97v/rms，反电势波形畸变率为7％，齿槽转矩峰峰值为6mn*m；图8、图9和图10中，选择一个较优的参数时，例如α1为3
°
和ra为6mm，基波反电势值为0.97v/rms，反电势波形畸变率为3.4％，齿槽转矩峰峰值为0.4mn*m；采用本发明实施例时，电机齿槽转矩峰峰值和反电势波形畸变率相较传统进一步降低，且基波反电势值维持不变。
59.如图1至图10所示，永磁体转子元件20的外边缘210与永磁体转子元件20的内边缘220的圆心不重合，外边缘210为与转子磁轭10的内周面贴合连接的圆弧面，内边缘220为永磁体转子元件20远离转子磁轭10的圆弧面。
60.具体地，多个永磁体转子元件20沿转子磁轭10的周向等间隔设置，以均布设置在转子磁轭10的内周面上。
61.进一步地，永磁体转子元件20的外边缘210与内边缘220的半径相等，如图3中的01，永磁体转子元件20的外边缘210与转轴30同圆心，如图3中的03为永磁体转子元件20的内边缘220的圆心。
62.在本实施例中，每个永磁体转子元件20内外边缘为半径大小相同的非同心圆弧组成，整体呈瓦片状结构。
63.如图1至图10所示，第二圆弧段412与永磁体转子元件20的内边缘220之间的距离小于第一圆弧段411和第三圆弧段413与永磁体转子元件20的内边缘220之间距离。
64.具体地，在转子组件旋转的过程中，任一个定子齿40中心线和一个永磁体转子元件20中心线重合时，第二圆弧段412的中点处与该永磁体转子元件20内边缘220的中点处的径向最小距离形成最小气隙δmin；最小气隙δmin和定子齿40的外径的积和最小极槽公倍数lcm(12p，14p)成一定关系，以保持较大的基波反电势值，并降低齿槽转矩峰峰值；即：0.53≤δmin*lcm(12p，14p)/dso≤1.06，其中，dso为第二圆弧段412的直径，lcm(12p，14p)为最小极槽公倍数。
65.在本实施例中，转子磁轭10为圆环结构，由导磁性较好的软磁材料组成，以保持较大的基波反电势值。
66.实施例2
67.本实施例提供了一种无人机装置，无人机装置包括实施例1中的外转子电机。
68.从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
69.1、在本技术采用的外转子电机中，由于定子齿40朝向永磁体转子元件20的端面上的第一圆弧段411、第二圆弧段412和第三圆弧段413非同圆心，因此定子齿40与永磁体转子元件20之间的气隙60为不均匀气隙60，与现有技术相比本技术的外转子电机具有较高的功率密度，且齿槽转矩峰峰值和反电势畸变率更低。
70.2、转子磁轭10采用导磁性较好的软磁材料组成，以保持较大的基波反电势值。
71.显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，可以做出其它不同形式的变化或变动，都应当属于本发明保护的范围。

技术特征：
1.一种外转子电机，包括：转子组件，所述转子组件包括多个永磁体转子元件(20)；定子组件，所述定子组件包括定子轭(70)和沿所述定子轭(70)的周向设置的多个定子齿(40)；气隙(60)；所述气隙(60)用于将所述转子组件与定子组件呈间隙分开；其特征在于，所述定子齿(40)的面向所述气隙(60)的外弧面与所述永磁体转子元件(20)面向所述气隙(60)的内弧面之间的气隙(60)中，所述气隙(60)的中间段的间隙小于所述气隙(60)两端的间隙。2.根据权利要求1所述的外转子电机，其特征在于，所述定子齿(40)的外弧面具有顺次连接的第一圆弧段(411)、第二圆弧段(412)和第三圆弧段(413)，所述第一圆弧段(411)、所述第二圆弧段(412)和第三圆弧段(413)的圆心不重合。3.根据权利要求2所述的外转子电机，其特征在于，所述第一圆弧段(411)和所述第三圆弧段(413)对称设置在所述第二圆弧段(412)的两端；和/或所述第一圆弧段(411)和所述第三圆弧段(413)同圆心设置；和/或所述第二圆弧段(412)的曲率半径大于所述第一圆弧段(411)和所述第三圆弧段(413)的曲率半径。4.根据权利要求2所述的外转子电机，其特征在于，多个所述定子齿(40)沿所述定子轭(70)的周向等间隔设置以形成多个定子槽，所述外转子电机还包括定子绕组(50)，所述定子绕组(50)绕设在所述定子齿(40)上并贯穿所述定子槽，所述永磁体转子元件(20)设置有14p个，所述定子齿(40)设置有12p个，各所述定子槽的槽口宽度bso满足0.77*dso*sin(7*p*π/(4*lcm(12p，14p))≤bso≤0.91*dso*sin(7*p*π/(4*lcm(12p，14p))，其中，dso为所述第二圆弧段(412)的直径，lcm(12p，14p)为最小极槽公倍数。5.根据权利要求1所述的外转子电机，其特征在于，所述转子组件还包括转子磁轭(10)，所述永磁体转子元件(20)的外边缘(210)与所述转子磁轭(10)连接，所述永磁体转子元件(20)的外边缘(210)与所述永磁体转子元件(20)的内边缘(220)的圆心不重合。6.根据权利要求5所述的外转子电机，其特征在于，所述永磁体转子元件(20)的外边缘(210)与所述永磁体转子元件(20)的内边缘(220)的半径相等，所述转子组件还包括转轴(30)，所述外边缘(210)与所述转轴(30)同圆心。7.根据权利要求2所述的外转子电机，其特征在于，所述转子组件还包括转子磁轭(10)，所述永磁体转子元件(20)设置有14p个，所述定子齿(40)设置有12p个，多个所述永磁体转子元件(20)沿所述转子磁轭(10)的内周面的周向等间隔设置，所述永磁体转子元件(20)的宽度满足0.81*dso*π/(14p)≤mag≤0.89*dso*π/(14p)；其中，dso为所述第二圆弧段(412)的直径，lcm(12p，14p)为最小极槽公倍数。8.根据权利要求2所述的外转子电机，其特征在于，所述永磁体转子元件(20)设置有14p个，所述定子齿(40)设置有12p个，所述第二圆弧段(412)的圆弧角为α1，0＜α1＜0.86*lcm(12p，14p)*π/180，其中lcm(12p，14p)为最小极槽公倍数。
9.根据权利要求2所述的外转子电机，其特征在于，所述第二圆弧段(412)的圆弧角为α1，所述第一圆弧段(411)和所述第三圆弧段(413)对称设置在所述第二圆弧段(412)的两端，所述第二圆弧段(412)的圆心与所述第三圆弧段(413)的圆心之间的距离为ra，0＜ra＜2+α1。10.根据权利要求2所述的外转子电机，其特征在于，所述第二圆弧段(412)与所述永磁体转子元件(20)的内边缘(220)之间的距离小于所述第一圆弧段(411)和所述第三圆弧段(413)与所述永磁体转子元件(20)的内边缘(220)之间距离。11.根据权利要求2所述的外转子电机，其特征在于，所述永磁体转子元件(20)设置有14p个，所述定子齿(40)设置有12p个，所述第二圆弧段(412)与所述永磁体转子元件(20)的内边缘(220)之间形成的所述气隙(60)为δmin，0.53≤δmin*lcm(12p，14p)/dso≤1.06，其中，dso为所述第二圆弧段(412)的直径，lcm(12p，14p)为最小极槽公倍数。12.根据权利要求1至11中任一项所述的外转子电机，其特征在于，所述转子组件还包括转子磁轭(10)，所述转子磁轭(10)为软磁材料。13.一种无人机装置，其特征在于，所述无人机装置包括权利要求1至12中任一项所述的外转子电机。

技术总结
本发明公开一种外转子电机和无人机装置，外转子电机包括转子组件和定子组件，转子组件包括多个永磁体转子元件，定子组件包括定子轭和沿定子轭的周向设置的多个定子齿，气隙用于将转子组件与定子组件呈间隙分开，定子齿的面向气隙的外弧面与永磁体转子元件面向气隙的内弧面之间的气隙中，气隙的中间段的间隙小于气隙两端的间隙。本发明公开的外转子电机和无人机装置能够解决现有技术中的电机内部的气隙均匀导致使用效率差且噪音大的问题。隙均匀导致使用效率差且噪音大的问题。隙均匀导致使用效率差且噪音大的问题。


技术研发人员：邵非非
受保护的技术使用者：深圳市道通智能航空技术股份有限公司
技术研发日：2023.06.29
技术公布日：2023/9/22