CN101895180A - 三相交流永磁电动机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种三相交流永磁电动机，包括转子和定子。本发明通过在定子上设置9M个电枢绕组、在转子设置8M或者10M个磁极数，来实现三相交流永磁电动机在左右空间、上下空间的对称，从而大大降低啮合转矩和单边磁拉力。通过具有相同径向磁极性的永久磁钢和转子齿槽的周期性排布来实现所需要的转子磁场的极对数，从而大大提高转子磁钢的机械强度以及提高电机性能。

Description

三相交流永磁电动机
技术领域
本发明涉及电动机技术，具体涉及三相交流永磁电动机。
背景技术
随着电子技术、传感器技术、控制技术以及材料科学的发展，三相交流永磁电动机在伺服系统等诸多领域得到了广泛应用，并且各使用领域对其性能要求也愈来愈高。
由于三相交流永磁电动机的铁芯材料工作于饱和状态，因而电动机的电枢反应是不可避免的。而电枢反应对转矩系数的影响很大，造成该系数随着电枢电流的增加而减少。为了降低电枢反应，许多用于伺服系统的三相交流永磁电动机采用表面安装磁钢(Surface mountedmagnet，SMM)的结构，并且加大电动机的定子与转子之间的气隙。永磁转子在使用SMM结构的时，永久磁钢是通过粘接剂来粘接在转子的表面上的。当电动机的功率很小的时候，永磁磁钢采用像粘接钕铁硼这样的压模方式形成的，这种表面安装磁钢的方式非常有效。
转子磁钢的主磁路磁阻在随着转子转到不同的位置而发生变化，啮合转矩也因此产生。单边磁拉力是由于电动机磁场在空间的不平衡而产生的。三相交流永磁电动机由于使用高磁能积的永久磁钢，所以很容易出现严重的啮合转矩以及单边磁拉力。啮合转矩和单边磁拉力是三相交流永磁电动机的重要性能参数，对电动机噪音大小、平稳性等有着重要影响，因此对三相交流永磁电动机的设计具有重要指导意义。
在电动机设计过程中，很多情况下对啮合转矩的要求是和对单边磁拉力的要求相矛盾的。例如，定子槽数为6、转子为4对磁极的三相交流永磁电动机为目前常规三相交流永磁电动机。这种三相交流永磁电动机单边磁拉力可以控制得很小，但啮合转矩却比较严重，其啮合转矩如图1所示。为了减少啮合转矩，许多三相交流永磁电动机不得不采用如图2定子槽数为9、转子为4对磁极的结构。这种定子槽数为9、转子为4对磁极的结构对于减少啮合转矩非常有效，但它是一种会产生单边磁拉力的结构，即使驱动电流为零，单边磁拉力还是会产生，单边磁拉力如图3所示。而驱动电流的作用会使得这种电动机的单边磁拉力的影响更加严重和复杂。目前的三相交流永磁电动机的结构不能同时解决啮合转矩严重和单边磁拉力大的问题，因此需要改进。
发明内容
本发明的目的是要为交流永磁电机提供一种永久磁钢在转子表面安装的有效方案，从而解决交流永磁电机啮合转矩严重和单边磁拉力大的技术问题。
本发明提供了一种三相交流永磁电动机，包括转子和定子，所述转子包括转子铁芯和设置在转子铁芯上的磁钢；所述定子包括定子铁芯、A相电枢绕组、B相电枢绕组、C相电枢绕组，所述定子铁芯上设置有定子槽和定子齿，其中：所述转子的磁极对数为4M或者5M，即所述转子的磁极数为8M或者10M；所述定子槽的个数为9M；所述定子齿的个数为9M；A相电枢绕组的个数为3M，且分别独立设置在3M个定子齿上，；B相电枢绕组的个数亦为3M，亦分别独立设置在3M个定子齿上；C相电枢绕组的个数亦为3M，且分别独立设置在3M个定子齿上；M为大于等于2的自然数。
进一步的，所述磁钢沿转子径向、呈N极与S极循环向外状固定在所述转子的表面上，每对磁极包含了两个磁场方向相反的磁钢，转子磁场的N极和S极均由磁钢实现。
进一步的，所述转子铁芯上设置有转子槽和转子齿，所述磁钢嵌入转子槽内，且呈N极(或S极)全部向外状设置，所述转子磁场的N极(或S极)由磁钢实现，而相对应的S极(或N极)由转子齿实现。更进一步的，所述磁钢通过楔子固定于转子槽内。
进一步的，所述转子上设置有抵顶于磁钢外表面上的磁帽，该磁帽通过非磁性楔子与所述转子铁芯隔离；再进一步的，所述磁帽由软磁材料构成；具体的，所述磁帽可以是由矽钢片叠装而成，或者整钢加工而成。
进一步的，所述转子在转子轴向上至少分为两个区域段，各个区域段在空间对称分布，区域段之间具有使得各个区域段的啮合转矩的基波分量彼此抵消的相位差。具体的，所述转子在转子轴向上分为两个区域段；相位差为啮合转矩基波的180°电角度。
进一步的，所述转子铁芯由矽钢片叠装而成，或者由整钢加工而成。
本发明中三相交流永磁电动机通过设置特定数目的定子槽、极数，来实现三相交流永磁电动机的磁场在左右空间、上下空间的对称，从而大大降低啮合转矩和单边磁拉力。
附图说明
图1是定子槽数为6、转子为4对磁极的三相交流永磁电动机的啮合转矩；
图2是定子槽数为9、转子为4对磁极的三相交流永磁电动机；
图3是定子槽数为9、转子为4对磁极的三相交流永磁电动机的单边磁拉力；
图4是定子槽数为18、转子为16磁极的三相交流永磁电动机；
图5是定子槽数为18、转子为20磁极的三相交流永磁电动机；
图6是定子槽数为18、转子为16磁极且具有单向磁钢SMM转子的三相交流永磁电动机；
图7是三相交流永磁电动机的磁场分布图；
图8是阶梯形嵌入式转子；
图9是梯形嵌入式转子；
图10是弧形嵌入式转子；
图11是固定楔子形嵌入式转子；
图12是具有磁帽结构的转子；
图13具有两个区域段的双向磁钢SMM转子；
图14具有两个区域段的单向磁钢SMM转子。
具体实施方式
实施例1
如图4所示，一种三相交流永磁电动机，包括转子和定子，所述转子包括转子铁芯402和设置在转子铁芯402上的磁钢405；所述定子包括定子铁芯401、A相电枢绕组、B相电枢绕组、C相电枢绕组，定子铁芯401上设置有定子槽403和定子齿404，转子的磁极数为16；定子槽403的个数为18；定子齿404的个数为18；A相电枢绕组的个数为6，且分别独立设置在6个定子齿404上，每个线圈围绕着一个定子齿；B相电枢绕组的个数亦为6，且分别独立设置在另外6个定子齿上，绕制的形式和A相相同。C相电枢绕组的个数亦为6，其分别独立设置在其他6个定子齿上，绕制的形式亦和A相相同。
磁钢405是沿转子径向呈N极、S极循环向外状固定在转子的表面上，每对磁极包含了两个磁场方向相反的磁钢，使得转子磁场的N极和S极均由磁钢实现。
图4中，电枢绕组具有如下电流流向表示：
A：A相电枢绕组的电流进入部分；X：A相电枢绕组的电流流出部分；
B：B相电枢绕组的电流进入部分；Y：B相电枢绕组的电流流出部分；
C：C相电枢绕组的电流进入部分；Z：C相电枢绕组的电流流出部分。
从图4可以看到，每相绕组是由两个周期绕组构成。这两个周期绕组之间可以是串形连接的，但也可以是并行连接的。而在图4所示的3相绕组之间是可以采用Y型连接的，但也可以采用Δ连接的方式。
这种18槽16极结构，由于在左右空间和上下空间的对称，不会产生单边磁拉力。理论上可以证明，这种结构的啮合转矩的周期为2.5°，因此电动机的啮合转矩还是很小的。
实施例2
如图5所示，一种三相交流永磁电动机，与实施例1基本相同，不同之处在于转子的磁极数为20。这种18槽20极的电动机结构，由于在左右空间和上下空间的对称，也不会产生单边磁拉力。由于其啮合转矩的周期是2°，这种电动机的啮合转矩也是很小的。
实施例1、实施例2提供的三相交流永磁电动机，其转子上的每对磁极包含了两个磁场方向相反的磁钢，此处将具有这种结构的转子定义为双向磁钢SMM转子。双向磁钢SMM转子可以减少电枢反应对电动机特性的影响，但仍然存在以下问题：
(1)永久磁钢是采用粘接的方式安装在转子表面，而磁钢是直接面向电动机的气隙。磁钢底面的粘结剂层以及磁钢尺寸的误差使得气隙的尺寸精度很难控制，这会使得转子在安装后的重心分布的离散度较大，从而影响电动机的运行和控制质量；
(2)底面的粘接剂层使得电动机的等效气隙加大，气隙磁场减弱，从而降低电动机的功率密度和效率；
(3)因为转子的表面尺寸很难控制得很准，为了保证电动机的有效运行，电动机的物理气隙必须设计的比较大，这会降低进一步电动机的功率密度和效率；
(4)磁钢主要靠粘结剂与磁钢底部和转子铁芯之间的的抗拉能力来承受转子旋转时的离心力，而这种能力是比较弱的，因而电动机无法实现高速运行。
为解决双向磁钢SMM转子上述4个技术缺陷，特提出实施例3、实施例4、实施例5、实施例6、实施例7、实施例8等5个具体的实施例。
实施例3
一种三相交流永磁电动机，包括定子和转子。
定子具有与实施例1具有相同的定子结构，即定子包括定子铁芯、A相电枢绕组、B相电枢绕组、C相电枢绕组，定子铁芯上设置有定子槽和定子齿，转子的磁极数为16；定子槽的个数为18；定子齿的个数为18；A相电枢绕组的个数为6，且分别独立设置在6个定子齿404上，每个线圈围绕着一个定子齿；B相电枢绕组的个数亦为6，且分别独立设置在另外6个定子齿上，绕制的形式和A相相同。C相电枢绕组的个数亦为6，其分别独立设置在其他6个定子齿上，绕制的形式亦和A相相同。
转子如图6所示，包括转子铁芯601和设置在转子铁芯601上的磁钢603；转子铁芯601上设置有8个转子槽608和8个转子齿602。8个磁钢603嵌入8个转子槽608中，磁钢603和转子齿602的齿壁之间由非磁性的填充物以及气隙605隔开；所有磁钢603的充磁方向相同，即磁钢603的磁场方向，采用如图6所示外N内S的方式设置；在该转子中，共形成8对磁极，每对磁极只有一个磁钢，即每对磁极由磁钢、与该磁钢相对应的转子齿构成。从机械结构的角度讲，上述非磁性填充物即为用于固定磁钢603的楔子604，楔子604是由非磁性的物质构成，如不锈钢、铝片、铜片和塑料片等。在本发明中，将转子中由一个磁钢形成一对磁极的结构定义为单向磁钢SMM转子。
本实施例中，三相交流永磁电动机啮合转矩的周期为5°。
图7是图6所示三相交流永磁电动机的磁场分布图，由本图可知，尽管所有的磁钢的磁场方向是相同的，但磁路的设计使得气隙磁场能够产生和磁钢数目相同的磁场极对数。因此，这种三相交流永磁电动机的磁极对数是和所用到的磁钢数目是相同的，也就是说，三相交流永磁电动机的磁极数是磁钢的两倍。
由于磁钢603是靠磁钢603侧面的楔子604以及在楔子604上适当的粘结剂来嵌入转子转子槽608中的，因此连接强度大，大大提高了转子表面的磁钢608对于离心力的承受能力，这使得转子更适合高速旋转。由于磁钢603底部是直接和转子铁芯601接触，因而没有双向磁钢SMM转子的底面粘结剂层所形成的间隙，磁钢的利用率高，提高了效率。制造过程中，采用单向磁钢SMM转子嵌入式结构，容易实现对磁钢表面606尺寸的高精度控制；再者，由于转子齿602是转子铁芯601的一部分，因此转子齿表面607尺寸精度亦能得到较好控制，解决双向磁钢SMM转子重心离散度大的问题，使得具有单向磁钢SMM转子的三相交流永磁电动机高速旋转更平稳。
实施例4
一种三相交流永磁电动机，具有与实施例3基本相同的结构，不同之处在于：磁钢的磁场方向，采用外S内N的方式设置。
实施例5
一种三相交流永磁电动机，具有与实施例3基本相同的结构，不同之处在于：转子采用图8所示的阶梯形嵌入式结构。
实施例6
一种三相交流永磁电动机，具有与实施例3基本相同的结构，不同之处在于：转子采用图9所示的梯形嵌入式结构。
实施例7
一种三相交流永磁电动机，具有与实施例3基本相同的结构，不同之处在于：转子采用图10所示的弧形嵌入式结构。
实施例8
一种三相交流永磁电动机，具有与实施例3基本相同的结构，不同之处在于：转子采用图11所示的固定楔子形嵌入式结构，固定楔子111将磁钢112锁紧于转子铁芯113上
实施例9
一种三相交流永磁电动机，包括定子和转子。定子与实施例1中的定子具有相同的结构。转子具有图12所示的结构，即转子铁芯121上设置有8个转子槽127和8个转子齿124，8个由软磁材料构成的磁帽122通过抵顶的连接方式、将8个磁钢123分别紧固在8个转子槽127内，磁帽122通过非磁性楔子125锁紧于转子齿124上，磁帽122还通过非磁性楔子125、楔缝126与定子铁芯121隔离，降低了磁钢123的涡流损耗。由于磁帽和转子铁芯之间没有直接的磁接触，磁钢被“短路”到转子铁芯上的的漏磁要比嵌入式转子小的多，因而磁钢的利用率就好，电动机的功率密度可以得到提高。当转子铁芯和磁帽是由矽钢片叠装而成时，转子的铁耗可以大大降低，而磁钢上的电损耗基本上可以消除。这对于提高磁钢的寿命很有帮助。
本实施例中磁钢、楔子、楔缝和转子齿的形状还可以演化成其它多种形式。
实施例10
一种三相交流永磁电动机，包括定子和转子。定子与实施例1中的定子具有相同的结构。转子具有图13所示的结构，即转子分为电磁结构相同的A段、B段两个区域段，两个区域段上沿之间在切向有位置差别，该位置差别具体为A段转子产生的啮合转矩的基波与B段的电角度相差为180°。两个区域段上均设置有16个转子槽、16个转子齿和16个磁钢，16个磁钢嵌入16个转子槽中。电磁结构相同的A段、B段的啮合转矩的基波的电角度相差180°，这使得转子所产生的啮合转矩会基本上互相抵消，从而使得电动机的总啮合转矩大大减少。
对于上述18槽16极的双向磁钢SMM转子来讲，由于在空间啮合转矩的基波极对数远远高于转子磁场的基波极对数，所以对于电动机的电参数和电动机特性不会有明显的影响；因此，两段型的转子这种减小啮合转矩的结构是合理的。与利用斜槽以及斜极减小啮合转矩的传统结构设计相比较，利用两段型的结构来消除啮合转矩也比较容易实现，而这对于较低电动机成本和提高电动机的可靠性是非常有意义的。
实施例11
一种三相交流永磁电动机，包括定子和转子。定子与实施例3中的定子具有相同的结构。转子具有图14所示的结构，即转子分为电磁结构相同的A段、B段两个区域段，两个区域段沿切向有位置差别，该位置差别具体为A段转子啮合转矩基波与B段之间电角度相差为180°。两个区域段上均设置有8个转子槽、8个转子齿和8个磁钢，8个磁钢嵌入8个转子槽中。电磁结构相同的A段、B段的啮合转矩基波的电角度相差180°，这使得转子所产生的啮合转矩会基本上互相抵消，从而使得总啮合转矩大大减少。
对于上述18槽16极的单向磁钢SMM转子来讲，由于在空间啮合转矩的基波极对数远远高于转子磁场的基波极对数，所以该两段型结构的采用对于电动机的电参数和运行特性不会有明显的影响；因此，两段型的转子这种减小啮合转矩的结构是合理的。与利用斜槽以及斜极减小啮合转矩的传统结构设计相比较，利用两段型的结构来消除啮合转矩也比较容易实现，而这对于较低电动机成本和提高电动机的可靠性是非常有意义的。
实施例10及实施例11虽然仅披露了两段型转子结构设计，但根据本实施实施例10及实施例11的教导可知，转子设置成多个区域段也是可以的，只要使得各个区域段上的啮合转矩的基波分量能够彼此抵消从而减少总体的啮合转矩即可。
以上实施例1～11是将定子的槽数定为9M、转子槽数定为8M或者10M，而M设定为2时进行的详细描述，本领域技术人员同样可以将M设置为3、4、5……等自然数。

Claims (9)

1.三相交流永磁电动机，包括转子和定子，所述转子包括转子铁芯和设置在转子铁芯上的磁钢；所述定子包括定子铁芯、A相电枢绕组、B相电枢绕组、C相电枢绕组，所述定子铁芯上设置有定子槽和定子齿，其特征是：所述转子的磁极对数为4M或者5M，即所述转子的磁极数为8M或者10M；所述定子槽的个数为9M；所述定子齿的个数为9M；A相电枢绕组的个数为3M，且分别独立设置在3M个定子齿上；B相电枢绕组的个数亦为3M，亦分别独立设置在3M个定子齿上；C相电枢绕组的个数亦为3M，亦分别独立设置在3M个定子齿上；其中，M为大于等于2的自然数。
2.根据权利要求1所述的三相交流永磁电动机，其特征是：所述磁钢沿转子径向、呈N极与S极循环向外状固定在所述转子的表面上，每对磁极包含了两个磁场方向相反的磁钢，转子磁场的N极和S极均由磁钢实现。
3.根据权利要求1所述的三相交流永磁电动机，其特征是：所述转子铁芯设置有转子槽和转子齿，所述磁钢嵌入转子槽内，且呈N极(或S极)全部向外状设置，所述转子磁场的N极(或S极)由磁钢实现，而相对应的S极(或N极)由转子齿实现。
4.根据权利要求3所述的三相交流永磁电动机，其特征是：所述磁钢通过楔子固定于转子槽内。
5.根据权利要求3所述的三相交流永磁电动机，其特征是：所述转子上设置有抵顶于磁钢外表面上的磁帽，该磁帽通过非磁性楔子与所述转子铁芯隔离。
6.根据权利要求5所述的三相交流永磁电动机，其特征是：所述磁帽由软磁材料构成。
7.根据权利要求6所述的三相交流永磁电动机，其特征是：所述转子铁芯由矽钢片叠装而成，或者由整钢加工而成。
8.根据权利要求1～7任意一项所述的三相交流永磁电动机，其特征是：所述转子在转子轴向上至少分为两个区域段，各个区域段在空间对称分布，区域段之间具有使得各个区域段的啮合转矩的基波分量彼此抵消的相位差。
9.根据权利要求8所述的三相交流永磁电动机，其特征是：所述相位差为啮合转矩基波的为180°电角度。
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