一种低电磁振动的有刷直流电机

1.本发明涉及一种直流电机，特别是一种低电磁振动的有刷直流电机。


背景技术：

2.电机的电磁振动不仅会损坏电机的结构，影响电机寿命，还会向外辐射噪声。在日常生活中，过大的噪声将会影响人们的正常生活。在军用领域，过大的噪声会严重影响设备的性能，例如，潜艇领域，过高的噪声会严重暴露潜艇目标，降低潜艇的生存周期。
3.因此，降低电机的振动噪声具有重要的意义。
4.直流电机振动产生的根本原因是电机中的电磁激振力。直流电机定子上的永磁体产生磁动势，忽略边缘效应，则永磁体在气隙内的磁动势近似为方波，每一对磁极下磁极方向变化一次，设其磁动势幅值为fm，则：
[0005][0006]
式中p为磁极对数，α为极弧系数，j代表磁极序数，即第j个磁极，θ为电机转子电角度，t为时间，f为永磁体产生的磁动势幅值。
[0007]
当考虑转子开槽的影响时，可用气隙磁导表示：
[0008][0009]
式中，z为转子槽数，ωr为旋转角速度，k为谐波次数。λ0为平均磁导，λk为第k次谐波磁导。
[0010]
永磁体在气隙内的磁动势近似为方波，根据磁势磁导法计算磁密，可得：
[0011][0012][0013]
式中，b0＝fλ0为磁密平均值，bk＝fλk为k次谐波磁密，式中第一项表示由永磁体产生的、不随时间变化的主磁场，第二项表示转子开槽且旋转时，气隙磁导发生周期性变化
而在主极磁场上叠加的随时间变化的附加磁场。
[0014]
根据麦克斯韦应力张量法，铁磁物质表面的径向电磁力密度为：
[0015][0016]
式中第一项是由永磁体中不随时间变化的磁场作用产生，是电机径向力波中不随时间变化的直流分量。由于不随时间变化，因此该项径向力作用在电机结构上不能产生振动。式中第二项为随时间变化的径向力，由气隙磁导周期性变化产生的附加磁场作用产生。由于系数是由各次谐波磁导平方得到，数值较小。式中第三项为随时间变化的径向力，由不随时间变化的磁场与周期性变化附加磁场相互作用产生，幅值较大。
[0017]
由上述分析可知，引起直流电机电磁振动的电磁力分量主要为槽频与旋转频率相关的频率分量，即，f
fre
＝k
×z×
ωr/2π。要想降低电机中的电磁振动，就必须降低电机中的这些槽频电磁力。到目前为止，还没有解决该电机电磁振动和噪声较好的方案。


技术实现要素：

[0018]
为解决上述技术问题，本发明提供一种低电磁振动的有刷直流电机，能够降低电磁振动的有刷直流电机，从而实现电机系统减振降噪。
[0019]
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
[0020]
一种低电磁振动的有刷直流电机，包括定子基座、定子铁心、定子磁极、阻尼环、转子铁心、转子绕组、转轴、轴承、换向器和碳刷；所述定子铁心固定在定子基座上，所述定子铁心是电机磁路的一部分，所述的定子磁极固定在所述定子铁心内，所述的阻尼环固定在定子磁极内表面，所述绕组呈一定规律绕制在所述转子铁心上，所述转子铁心固定在所述转子轴上，所述转子轴带动所述转子铁心绕轴旋转，转子绕组通过所述的换向器和碳刷与外部直流电源相连，转子轴通过轴承与电机端盖相连。
[0021]
进一步地，所述的定子磁极可以采用永磁体或者带励磁绕组的铁心结构。
[0022]
进一步地，所述转子绕组由多个线圈构成；
[0023]
进一步地，所述阻尼环内置在定子磁极内表面，为金属结构；
[0024]
进一步地，所述转子铁心采用多槽结构；
[0025]
进一步地，所述有刷直流电机采用直流电源供电。
[0026]
本发明由于采取了以上技术方案，其具有以下优点：
[0027]
1、仅有槽频相关的电磁力；
[0028]
2、本发明的转子铁心采用多槽结构，这增加了绕组的线圈数，使得绕组的感应电势更加接近方波，有利于直流电机的换相，因此，能实现降低转矩脉动，从而降低电机的振动和噪声。
[0029]
3、内置在气隙中的阻尼环，能感应出与原槽频气隙磁场相反的谐波磁场，从而削弱原电机中的槽频谐波磁场，从而达到降低槽频电磁力和槽频电磁振动。
[0030]
4、本发明由于采用直流电源供电，电机电流中无开关频率相关的谐波电流，因此，电机中不存在开关频率的高频电磁振动噪声。
[0031]
基于以上优点，本发明的低振动有刷直流电机可广泛应用于家用电器、工业生产及民用领域的电机系统中，对系统设备的减振降噪具有重要的意义。
附图说明
[0032]
图1是本发明的有刷直流电机的横截面示意图；
[0033]
图2是本发明所采用的阻尼铜环结构示意图；
[0034]
图3是原有刷直流电机与本发明有刷直流电机气隙中的磁密波形及傅里叶分解结果；
[0035]
图4为原有刷直流电机与本发明有刷直流电机气隙中的电磁力波形及傅里叶分解结果；
[0036]
图5为导条状的铜环示意图。
具体实施方式
[0037]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0038]
如图1所示，本发明的低电磁振动的有刷直流电机包括定子基座1、定子铁心2、定子磁极3、阻尼环4、转子铁心5、转子绕组6、转子轴7、轴承、换向器和碳刷；所述定子铁心2固定在定子基座1上，所述定子铁心2是电机磁路的一部分，所述的定子磁极3固定在所述定子铁心2内，所述的阻尼环4固定在定子磁极3内表面，所述转子绕组6呈一定规律绕制在所述转子铁心5上，所述转子铁心5固定在所述转子轴7上，所述转子轴7带动所述转子铁心5绕轴旋转，转子绕组6通过所述的换向器和碳刷与外部直流电源相连，转子轴通过轴承与电机端盖相连。
[0039]
所述的定子磁极3可以采用永磁体或者带励磁绕组的铁心结构。所述转子绕组6由多个线圈构成。所述阻尼环4内置在定子磁极3内表面，为金属结构。所述转子铁心5采用多槽结构。所述有刷直流电机采用直流电源供电。如图2所示，优选的，阻尼环4采用非导磁铜制环结构。由背景技术中的式(4)可知，产生直流电机槽频电磁振动的主因是由于电机转子电枢齿开槽而引起的槽频磁场相互作用，故降低气隙中的槽频磁场即可达到减振降噪的目的，电机中的槽频磁场可以表示为：
[0040]br
＝bkcos(kzωrt-θ)
ꢀꢀ
(5)
[0041]
式中，br为电机气隙中的槽频径向磁场，bk为k次槽频谐波磁密的幅值，z为转子槽数，ωr为旋转角速度，k为谐波次数θ为电机转子电角度，t为时间。
[0042]
由于阻尼环内置在气隙中，根据法拉第电磁感应定律，铜环中会产生感应电势，由于铜环的闭合且具有导电性，因此在电机中会产生感应电流，由楞次定律可知，铜环中感应电流产生的磁场将阻碍原磁场的变化，即可表示为：
[0043]be
＝-b
ka
cos(kzωrt-θ)
ꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0044]
式中，be为铜环中涡流产生的磁场，b
ka
为产生的k次谐波磁场幅值。
[0045]
因此，气隙中总磁场可以表示为：
[0046]bδ
＝br+be＝(b
k-b
ka
)cos(kzωrt-θ)
[0047]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0048]
由此可知，气隙中的磁场由两部分磁场构成，一部分为励磁磁极产生的磁场，另一部分为铜环中涡流产生的磁场，由于涡流产生的磁场与原磁极产生的气隙高频磁场相位相反，因此，引起直流电机高频电磁力的气隙磁场中的高次谐波幅值会降低。由式(4)可知，高次谐波磁场的降低将会有效降低槽频电磁力的幅值，从而削弱电机的电磁振动。
[0049]
为消除与电力电子装置开关频率相关的高频激振力，电机采用直流电源进行供电，这样，绕组中将不会流过开关频率的谐波电流，电机中也就不会产生开关频率的高频电磁激振力。
[0050]
图3是原有刷直流电机与本发明有刷直流电机气隙中的磁密波形及傅里叶分解结果，对于本发明实施例中的2极24槽有刷直流电机，当转速运行在1500rpm时，电机的槽频为fz＝n*24*1500/60＝n*600hz。以一倍(即n＝1时)槽频600hz为例，带金属环电机气隙的磁场幅值为0.00662t，为原电机0.00778t的85％。二倍、三倍和四倍槽频的比例分别为63.1％，47.1％和41.9％。
[0051]
图4为原有刷直流电机与本发明有刷直流电机气隙中的电磁力波形及傅里叶分解结果，一倍、二倍、三倍和四倍槽频的电磁力分别为0.279n，0.0291n，0.000465n和0.00106n，相对于原电机对应槽频的比例分别为88.8％，92.3％，32％和71.6％。
[0052]
由此可知，内置铜环的有刷直流电机能有效降低电机中的槽频气隙磁场和电磁力，从而有效降低槽频电磁振动。
[0053]
此外，所述的铜环也可做成如图5所示的导条形状，优选地，两根导条间的距离可选为1.5倍转子槽距。
[0054]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。