CN101371425B - 方波三相无刷永磁直流电动机 - Google Patents

方波三相无刷永磁直流电动机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种方波三相无刷永磁直流电动机，为解决现有方波永磁电动机和正弦波永磁电动机所存在的问题，本发明中，所述转子铁芯上的磁极数2P＝8；所述定子铁芯的槽数Z＝12，相应有12个齿，包括三个大齿、三个中齿和六个小齿；三者的机械角度比是大齿50°±5°、中齿40°±5°、小齿15°±5°，且保证一个大齿+一个中齿+两个小齿的总机械角度等于120°。三相集中绕组分别绕在大齿和中齿上，每相仅有两个集中绕组，三相电动机仅有6个集中绕组。该电动机采用三相方波电流驱动时，能产生平稳的力矩，其力矩波动指标与正弦波永磁伺服电机相当，并具有绕组端部最小化、气隙最小化、材料最小化、定位力矩最小化以及损耗最小化等一系列优点。

Description

方波三相无刷永磁直流电动机
技术领域
本发明涉及永磁电动机，更具体地说，涉及一种方波三相无刷永磁直流电动机，该电动机适用于直接驱动和位置、速率伺服控制应用。
背景技术
永磁电动机根据驱动电流及反电势波形可分为正弦波和方波两大类。一般将正弦波永磁电动机称为永磁同步电动机(PMSM)，或称为正弦波交流伺服电动机。另一类方波永磁电动机则称为方波无刷直流电动机(BLDCM)。
80年代期间，方波永磁电动机获得了普遍应用，方波永磁电动机的外特性和有刷直流电动机基本相同，控制比较简单，但其最大的缺点是存在较大的原理性换向力矩波动，对此，研究人员提出了多种补偿措施，但实际应用效果不理想。
由于正弦波永磁电动机的力矩波动则远小于方波永磁电动机，90年代期间，在精密伺服驱动应用场合，方波永磁电动机逐渐被正弦波永磁电动机所替代，目前已经成为现今工业应用的主流。然而，正弦波永磁电动机会导致控制系统复杂性大幅增高和成本大幅增加，更重要的是电动机的力能指标大幅下降。
另一方面，传统方波无刷直流电动机及其控制技术被公认已经成熟，由于前述缺陷，导致其被限定在要求不高的场合应用，国内外对其研究已经很少。
发明内容
本发明要解决现有方波永磁电动机和正弦波永磁电动机所存在的问题，提出一种新原理、新结构、高性能、低成本的方波永磁电动机。
本发明的技术方案是，提供一种方波三相无刷永磁直流电动机，所述电动机的转子铁芯上装有多对永磁体，定子的槽中装有三相绕组，其特征在于，所述转子铁芯上的磁极数2P＝8；所述定子铁芯的槽数Z＝12，相应有12个齿，所述槽的槽口宽度为0.1～3.0mm，所述12个齿中包括三个大齿、三个中齿和六个小齿；所述三相绕组为集中绕组，分别绕在大齿和中齿上，所述绕组和齿的排列次序是：大齿上A相绕组→小齿→中齿上/C相绕组→小齿→大齿上B相绕组→小齿→中齿上/A相绕组→小齿→大齿上C相绕组→小齿→中齿上/B相绕组→小齿；其A表示A相绕组的一个集中绕组，/A表示A相绕组的一个反接集中绕组，B、/B、C、/C依此类推。
本发明的优选方案中，所述定子铁芯上的每个大齿占圆周50°±5°机械角度，即200°±20°电角度；每个中齿占圆周40°±5°机械角度，即160°±20°电角度；每个小齿占圆周15°±5°机械角度；其中每个齿所占的圆周机械角度包含其两侧槽口宽度的各一半；且一个大齿、一个中齿、再加上两个小齿所占的圆周机械角度之和等于120°。
本发明中，所述转子铁芯上各个永磁体的N、S磁极相间排列，所述永磁体是径向充磁的瓦形磁钢、或者是平行充磁的瓦形磁钢。
本发明中，所述定子与转子之间的物理气隙最好为0.2～2mm。
本发明中可采用霍尔位置传感器作为转子位置传感器，所述霍尔位置传感器的磁敏感方向与转子法线方向相一致，安装于定子支架上，并与转子永磁体外圆之间保持1～3mm的气隙。
本发明中，所述转子铁芯上的永磁体的极距πD/8的物理尺寸最好是10～56mm，其中D是转子外径。
本发明中，所述定子铁芯可由多层拼接硅钢片自铆迭压而成的，每一层拼接硅钢片是由大、中、小三种形状的扇形冲片拼接组成；并按“大极扇形冲片→小极扇形冲片→中极扇形冲片→小极扇形冲片→大极扇形冲片→小极扇形冲片→中极扇形冲片→小极扇形冲片→大极扇形冲片→小极扇形冲片→中极扇形冲片→小极扇形冲片”的顺序排布在一个平面上构成一张定子冲片，即一层拼接硅钢片；相邻两个扇形冲片之间通过设于轭部外侧的凹槽/凸台进行拼接。其中在大、中极扇形冲片的轭部外侧设置凹槽，并在小极扇形冲片的轭部外侧设置凸台；或者是在大、中极扇形冲片的轭部外侧设置凸台，并在小极扇形冲片的轭部外侧设置凹槽。
本发明的另一优选方案中，其中由多层硅钢片迭压成三种形状的扇形齿极，再由三种齿极组成所述定子铁芯；其中大齿极由大极扇形冲片迭压而成，中齿极由中极扇形冲片迭压而成，小齿极由小极扇形冲片迭压而成；在每一齿极中，每个扇形冲片的轭部和齿部各有一个定位盲孔，多个扇形冲片之间通过定位盲孔铆压成整体齿极；所述三种齿极按“A相大齿极→小齿极→/C相中齿极→小齿极→B相大齿极→小齿极→/A相中齿极→小齿极→C相大齿极→小齿极→/B相中齿极→小齿极”的顺序拼成一个完整的定子铁芯。
本发明的另一优选方案中，所述定子铁芯由多层整体硅钢片自铆或用铆钉铆接迭压而成；每一层整体硅钢片中同时具有三种齿形，三种齿形按″A相大齿→小齿→/C相中齿→小齿→B相大齿→小齿→/A相中齿→小齿→C相大齿→小齿→/B相中齿→小齿″的顺序圆周排布。
由上述技术方案可知，本发明的方波三相无刷永磁直流电动机的磁极数为2P＝8，其中采用磁极覆盖技术，使其气隙磁场具有120°电角度以上的平顶区；采用非均匀齿槽和磁平衡小齿，使定位力矩减至最小。该电动机每相仅有两个集中绕组，结构简单，生产成本很低。该电动机的出力比传统正弦波永磁伺服电机大33％，绕组端部比传统正弦波永磁伺服电机小3倍以上，所以铜耗大幅度减少。该方波三相无刷永磁直流电动机采用三相方波电流驱动时，能产生平稳的力矩，其力矩波动指标与正弦波永磁伺服电机相当。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明一个优选实施例中电动机的定、转子剖面结构示意图；
图2是本发明一个优选实施例中电动机总装结构示意图；
图3是图1所示实施例中的定子齿槽角度分布示意图；
图4是由三种扇形冲片构成定子冲片的结构示意图；
图5是由三种扇形冲片构成定子冲片的另一实施例；
图6是由三种扇形冲片构成定子冲片的另一实施例；
图7是由多层硅钢片组成三种齿极、再组成完整定子铁芯的示意图；
图8是由多层具有三种齿形的整体硅钢片组成完整定子铁芯的示意图。
具体实施方式
本发明的一个优选实施例如图1和图2所示。从图2中可以看出这种三相无刷永磁直流电动机的大致结构，其主要部件包括转子1、定子2、转轴30等，转子1与定子2之间的物理气隙5为0.2-2mm。其中采用霍尔位置传感器作为转子位置传感器，霍尔位置传感器的磁敏感方向与转子法线方向相一致，安装在定子支架6上，并与转子磁钢(即永磁体)外圆之间保持1～3mm的气隙。
从图1中可以看出，在转子铁芯上装有多对极的永磁体4，这些永磁体产生气隙磁场；图1中有4对8个永磁体，8个磁极N、S相间排列，也就是说，转子的磁极数2P＝8。具体实施时，永磁体4可以是径向充磁的瓦形磁钢、或者是平行充磁的瓦形磁钢。转子铁芯上的永磁体的极距πD/8的物理尺寸是10～56mm，其中D是转子外径。
同时，定子槽21的数目Z＝12，对应有12个齿；定子槽的槽口3的宽度为0.1～3mm；12个齿中包括三个大齿、三个中齿和六个小齿，并在圆周内按大齿→小齿→中齿→小齿的次序循环排布。装配时，会在定子铁芯的这12个槽中安装三相绕组。
本实施例中，三相绕组为集中绕组，分别用定子绕组内绕机直接绕在大齿极和中齿极的绝缘上，绕组和齿的排列次序是：大齿上A相绕组→小齿→中齿上/C相绕组→小齿→大齿上B相绕组→小齿→中齿上/A相绕组→小齿→大齿上C相绕组→小齿→中齿上/B相绕组→小齿；其A表示A相绕组的一个集中绕组，/A表示A相绕组的一个反接集中绕组；B表示B相绕组的一个集中绕组，/B表示B相绕组的一个反接集中绕组；C表示C相绕组的一个集中绕组，/C表示C相绕组的一个反接集中绕组。如此绕制后，每相两个集中绕组之间是通过绕制串联的，减少了接线，简化了工艺。可见，该电动机每相仅有两个集中绕组，三相电动机仅有6个集中绕组，电动机的绕组总数非常少，大大简化了电动机结构，降低了成本，同时绕组端部减少到传统电动机的1/3～1/6甚至更多，达到了最小化，于是铜耗大幅下降。
从图3可以看出，定子铁芯2的每个大齿占圆周50°±5°机械角度，由于是4对磁级即4×360°电角度，所以每个大齿占200°±20°电角度，该集中绕组极宽大于180°电角度，完全覆盖磁极极距，也即通过人为增加绕组节距，以此来收集更多的气隙磁通，达到方波的目的。每个中齿占圆周40°±5°机械角度，即160°±20°电角度，该集中绕组极宽大于120°电角度。每个小齿占圆周15°±5°机械角度，但不套绕组；其中所说的每个齿所占的圆周机械角度是包含其两侧槽口宽度(0.1～3mm)的各一半。三种齿所占的圆周比率关系为：大齿50°±5°、中齿40°±5°、小齿15°±5°，且保证一个大齿+一个中齿+两个小齿所占的总圆周机械角度等于120°。具体实施时，大齿、中齿、小齿的机械角度可以是50°、40°、15°，或者是48°、42°、15°，或者是52°、40°、14°，或者是其他可满足上述要求的角度组合。
上述实施例中采用的方案可称为磁极覆盖技术，由于A相两个集中绕组的极宽大于或接近160°电角度，大齿上的集中绕组产生135°电角度以上的平顶区气隙磁场，中齿上的集中绕组产生120°电角度以上的平顶区气隙磁场。由于每相两个磁极在空间上相差180°机械角、且每相两个磁极的覆盖率为(200°+160°)/2＝180°。因此，两个集中绕组串连而成的相绕组反电势具有120°电角度以上的平顶区。传统方波永磁直流电动机不可能获得大于120°电角度平顶区气隙磁场，于是会造成换向力矩波动，并导致定位力矩增加。
传统8极12槽均布的方波永磁直流电动机的定位力矩的频率是8×12/4＝24次定位力矩，一般可认为定位力矩的幅值是力矩基波的24分之一，即1/24＝4.1％，所以定位力矩相当大。本发明中采用大、中、小三种不同齿型后，定位力矩的频率是216次定位力矩，可以粗略地认为定位力矩的幅值是力矩基波的216分之一，即1/261＝0.45％。对比可以看出，定位力矩减小了近10倍，这种大、中、小齿型结构使定位力矩大幅下降，克服了传统方波永磁直流电动机的最致命的缺点，甚至优于正弦波永磁直流电动机。
对于本发明的三相无刷永磁直流电动机，可采用国际申请号为PCT/CN2007/000178、名称为“无刷直流电动机控制系统及其控制方法”的发明专利中所公开的控制系统及方法进行驱动控制，其中采用全新的方波无刷电动机连续电流采样和闭环控制，其综合性能超越正弦波交流伺服系统，其力矩波动指标相当，但出力提高33％，铜耗大幅下降。本发明的三相无刷永磁直流电动机，可以替代现有的正弦波交流伺服电动机及其伺服单元，成为未来伺服电动机及其伺服单元的主要分支。
在图4所示的实施例中，定子铁芯2由多层拼接硅钢片7自铆迭压而成，其中每一层拼接硅钢片是由三种冲片组成，具体是大、中、小极扇形冲片。大极扇形冲片8的轭部外侧有两个凹槽，中极扇形冲片9的轭部外侧也有两个凹槽，小极扇形冲片10的轭部外侧有两个凸台，该凸台可插入前述凹槽内并齐缝。在图4中，按如下顺序排布：大极扇形冲片→小极扇形冲片→中极扇形冲片→小极扇形冲片→大极扇形冲片→小极扇形冲片→中极扇形冲片→小极扇形冲片→大极扇形冲片→小极扇形冲片→中极扇形冲片→小极扇形冲片，这些冲片拼接在一个平面上，构成一张定子冲片，即一层拼接硅钢片，多层拼接硅钢片自铆迭压可得到一个完整的定子铁芯。
具体实施时，还可采用图5所示的定子冲片，其中同样包括大极扇形冲片8、中极扇形冲片9、小极扇形冲片10；在图4中是小极扇形冲片的外侧有弧形延伸臂，在图5中则是大极扇形冲片和中极扇形冲片的外侧有弧形延伸臂。还可采用图6所示的定子冲片，其中在大、中极扇形冲片上设置凸台，并在小极扇形冲片上设置凹槽。为了减小拼缝对定子铁芯磁路的影响，可选择凹槽、凸台的设置位置不同的定子冲片，并相间迭压成一个定子整体。
在图7所示的实施例中，由多层硅钢片迭压成三种形状的扇形齿极，再组成定子铁芯；大齿极由大极扇形冲片11迭压而成，扇形冲片的轭部和齿部各有一个定位盲孔12，并通过定位盲孔铆压成整体齿极；中齿极由中极扇形冲片13迭压而成，扇形冲片的轭部和齿部各有一个定位盲孔14，并通过定位盲孔铆压成整体齿极；小齿极由小极扇形冲片16迭压而成，扇形冲片的轭部两边和齿部各有一个定位盲孔15，并通过定位盲孔铆压成整体齿极。各个齿极按“A相大齿极→小齿极→/C相中齿极→小齿极→B相大齿极→小齿极→/A相中齿极→小齿极→C相大齿极→小齿极→/B相中齿极→小齿极”的顺序拼成一个完整的定子铁芯。
在图8所示的实施例中，每层硅钢片是一个完整的定子冲片，即整体硅钢片17，其中包含三种齿形，三种齿形按″A相大齿→小齿→/C相中齿→小齿→B相大齿→小齿→/A相中齿→小齿→C相大齿→小齿→/B相中齿→小齿″的顺序圆周排布；将多层的整体硅钢片通过自铆或用铆钉铆接迭压在一起，可得到一个完整的定子铁芯。在每一层整体硅钢片上均设置有用于实现铆接的盲孔18。相应的三相集中绕组用定子绕组内绕机直接绕在大齿极和中齿极的绝缘上，按以下顺序绕制：A相大齿极→/A相中齿极；B相大齿极→/B相中齿极；C相大齿极→/C相中齿极，如此绕制每相两个集中绕组之间是通过绕制串联的，减少了接线，简化了工艺。
本发明的方波三相无刷永磁直流电动机具有绕组端部最小化、气隙最小化、材料最小化、定位力矩最小化以及损耗最小化等一系列优点，具有更高的功率/体积比和力矩/体积比，成本达到了最低化。其控制器可采用全新概念的方波无刷电动机连续电流采样和闭环控制，其综合性能超越正弦波交流伺服系统。本方波三相无刷永磁直流电动机，可以替代现有的正弦波交流伺服电动机及其伺服单元，成为未来伺服电动机及其伺服单元的主要分支。

Claims (10)

1.一种方波三相无刷永磁直流电动机，所述电动机的转子铁芯(1)上装有多对永磁体(4)，定子(2)的槽(21)中装有三相绕组，其特征在于，
所述转子铁芯上的磁极数2P＝8；
所述定子铁芯的槽数Z＝12，相应有12个齿，所述槽的槽口(3)宽度为0.1～3.0mm，所述12个齿中包括三个大齿、三个中齿和六个小齿；
所述三相绕组为集中绕组，分别绕在大齿和中齿上，所述绕组和齿的排列次序是：大齿上A相绕组→小齿→中齿上/C相绕组→小齿→大齿上B相绕组→小齿→中齿上/A相绕组→小齿→大齿上C相绕组→小齿→中齿上/B相绕组→小齿；其A表示A相绕组的一个集中绕组，/A表示A相绕组的一个反接集中绕组，B、/B、C、/C依此类推。
2.根据权利要求1所述的方波三相无刷永磁直流电动机，其特征在于，所述定子铁芯上的每个大齿占圆周50°±5°机械角度，即200°±20°电角度；每个中齿占圆周40°±5°机械角度，即160°±20°电角度；每个小齿占圆周15°±5°机械角度；其中每个齿所占的圆周机械角度包含其两侧槽口宽度的各一半；且一个大齿、一个中齿、再加上两个小齿所占的圆周机械角度之和等于120°。
3.根据权利要求2所述的方波三相无刷永磁直流电动机，其特征在于，所述转子铁芯上各个永磁体的N、S磁极相间排列，所述永磁体是径向充磁的瓦形磁钢、或者是平行充磁的瓦形磁钢。
4.根据权利要求3所述的方波三相无刷永磁直流电动机，其特征在于，所述定子与转子之间的物理气隙为0.2～2mm。
5.根据权利要求4所述的方波三相无刷永磁直流电动机，其特征在于，其中采用霍尔位置传感器作为转子位置传感器，所述霍尔位置传感器的磁敏感方向与转子法线方向相一致，安装于定子支架上，并与转子永磁体外圆之间保持1～3mm的气隙。
6.根据权利要求5所述的方波三相无刷永磁直流电动机，其特征在于，所述转子铁芯上的永磁体的极距πD/8的物理尺寸是10～56mm，其中D是转子外径。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的方波三相无刷永磁直流电动机，其特征在于，所述定子铁芯是由多层拼接硅钢片自铆迭压而成的，每一层拼接硅钢片(7)是由大、中、小三种形状的扇形冲片拼接组成；并按“大极扇形冲片→小极扇形冲片→中极扇形冲片→小极扇形冲片→大极扇形冲片→小极扇形冲片→中极扇形冲片→小极扇形冲片→大极扇形冲片→小极扇形冲片→中极扇形冲片→小极扇形冲片”的顺序排布在一个平面上构成一张定子冲片，即一层拼接硅钢片；相邻两个扇形冲片之间通过设于轭部外侧的凹槽/凸台进行拼接。
8.根据权利要求7所述的方波三相无刷永磁直流电动机，其特征在于，其中在大、中极扇形冲片的轭部外侧设置凹槽，并在小极扇形冲片的轭部外侧设置凸台；或者是在大、中极扇形冲片的轭部外侧设置凸台，并在小极扇形冲片的轭部外侧设置凹槽。
9.根据权利要求1-6中任一项所述的方波三相无刷永磁直流电动机，其特征在于，其中由多层硅钢片迭压成三种形状的扇形齿极，再由三种齿极组成所述定子铁芯；其中大齿极由大极扇形冲片迭压而成，中齿极由中极扇形冲片迭压而成，小齿极由小极扇形冲片迭压而成；在每一齿极中，每个扇形冲片的轭部和齿部各有一个定位盲孔，多个扇形冲片之间通过定位盲孔铆压成整体齿极；所述三种齿极按“A相大齿极→小齿极→/C相中齿极→小齿极→B相大齿极→小齿极→/A相中齿极→小齿极→C相大齿极→小齿极→/B相中齿极→小齿极”的顺序拼成一个完整的定子铁芯。
10.根据权利要求1-6中任一项所述的方波三相无刷永磁直流电动机，所述定子铁芯由多层整体硅钢片自铆或用铆钉铆接迭压而成；每一层整体硅钢片(17)中同时具有三种齿形，三种齿形按″A相大齿→小齿→/C相中齿→小齿→B相大齿→小齿→/A相中齿→小齿→C相大齿→小齿→/B相中齿→小齿″的顺序圆周排布。
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