CN103222165B - 三相永磁伺服电动机 - Google Patents

三相永磁伺服电动机 Download PDF

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Abstract

一种三相永磁伺服电动机，其转子（1）磁极数2P=8，定子（2）齿数Z=12。定子的12个齿包括六个大齿（8）、三个小齿（9）、以及三个微齿（10），六个集中绕组分别装在六个大齿（8）上，排列次序是：小齿—装有A相绕组的大齿—微齿—装有C相绕组的大齿—小齿—装有B相绕组的大齿—微齿—装有A相绕组的大齿—小齿—装有C相绕组的大齿—微齿—装有B相绕组的大齿；大齿、小齿和微齿的机械角度分别是45°±5°、20°±5°、10°±5°。该电机组可减少齿槽转矩。

Description

三相永磁伺服电动机
技术领域
本发明涉及永磁电动机，更具体地说，涉及一种三相永磁伺服电动机，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
本发明所涉及的永磁直流电动机，主要是指能够有效地产生具有低扭矩波动的伺服电动机。其中，扭矩波动主要包括：较低的齿槽效应扭矩分量(定位力矩)、较低的电流与电势谐波扭矩分量。目前，此类伺服电动机设计的主要目标是：力矩波动小、输出功率大(转速和力矩的乘积大)、过载能力大、体积小、价格低等等。
产生力矩波动的主要原因包括：(1)定子电流谐波与反电势谐波乘积呈现的力矩波动；(2)定子电流为零时转子转动，由于齿槽效应产生磁导变化呈现的定位力矩波动。
抑制力矩波动的主要方法包括：(1)传统的分数槽绕组设计；(2)优化齿槽与磁极配合的集中绕组设计，例如名为“高效永磁无刷电动机”，公开号CN1856921A的中国发明专利申请。其中，传统的分数槽绕组设计的电机制造工艺复杂、生产成本很高。优化齿槽与磁极配合的集中绕组设计具有性价比高的特点，但其只适应于磁极数大于20的低速伺服电机。
在公开号为CN101371425A的中国发明专利申请中，公开了一种磁极数2P＝16，齿槽数Z＝24，采用大、中、小齿结构的方波三相无刷永磁直流电动机。该电机具备优异的性能，具有很高的性价比，但仍有欠缺。由于它装有绕组的两个齿的大小不同，给制造带来许多不便，例如，齿的加工模具、工装、工艺均不能一致，绕组的加工模具、工装、工艺也不能一致；更严重的是：由于槽的空间尺寸不同，必然导致每相的两个绕组的匝数、线径不能一致，从而对电机性能造成不良影响，例如导致两个绕组的电流产生的力矩在空间不对称。此外该电机的大、中、小齿结构，对于定位力矩的抑制作用不够强。该电机的每相两个齿的电角度为：200°±20°和160°±20°，其相反电势波形具有120°以上的平顶区，可以实现方波永磁伺服电机。然而为了获得最高的绕组利用率和最宽的平顶区，理想电角度应为180°，该电机偏离理想电角度±20°，必然导致其绕组利用率下降为sin(140°/180°×90°)＝0.940，且该电机的相反电势平顶区也因此并非最佳。
发明内容
本发明要解决现有正弦波永磁伺服电动机和方波永磁伺服电动机所存在的问题，提出一种新原理、新结构、高性能、高性价比的三相永磁伺服电动机。
为解决上述技术问题，本发明提供一种三相永磁伺服电动机，所述电动机的转子铁芯上装有多对永磁体，定子的齿槽中装有三相绕组，其中，所述转子铁芯上的磁极数2P＝8；所述定子铁芯的槽数Z＝12，相应有十二个齿，所述槽的槽口宽度为0.1～2.0mm；所述十二个齿中包括六个大齿、三个小齿、以及三个更小的微齿；所述三相绕组为六个集中绕组，分别装于所述六个大齿上，所述绕组和齿的排列次序：小齿→装A相绕组的大齿→微齿→装C相绕组的大齿→小齿→装B相绕组的大齿→微齿→装A相绕组的大齿→小齿→装C相绕组的大齿→微齿→装B相绕组的大齿；所述定子铁芯上的每个大齿占圆周45°±5°机械角度，即180°±20°电角度；每个小齿占圆周20°±5°机械角度，即80°±20°电角度；每个微齿占圆周10°±5°机械角度，即40°±20°电角度；其中每个齿所占圆周机械角度包含一个所述槽口的宽度，且其中两个大齿、一个小齿、再加上一个微齿的机械角度之和等于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，所述永磁体可以是径向充磁的瓦形磁钢、或者是平行充磁的瓦形磁钢。所述瓦形磁钢的外圆两侧最好设有角度不大于15°、长度不大于磁钢的外圆弧长1/4的削角。所述定子与转子之间的物理气隙可为0.2～2mm。
本发明的一个优选方案中，所述定子铁芯由七部分组成，包括含有三个小齿和三个微齿的由多层硅钢片自铆迭压而成的一体式环形铁芯，由多层硅钢片自铆迭压而成的六个独立的大齿铁芯；所述环形铁芯的轭部和大齿铁芯上分别设有凹槽/凸台，并互相咬合形成完整的定子铁芯。
本发明的另一个优选方案中，所述定子铁芯也由七部分组成，包括含有六个大齿的由多层硅钢片自铆迭压而成的一体式环形铁芯，由多层硅钢片自铆迭压而成的三个独立的小齿铁芯、以及由多层硅钢片自铆迭压而成的三个独立的微齿铁芯；所述环形铁芯的轭部和小齿、微齿铁芯上分别设有凹槽/凸台，并互相咬合形成完整的定子铁芯。
本发明的另一个优选方案中，所述定子铁芯由十二部分组成，即包括由多层硅钢片自铆迭压而成的六个独立大齿、三个独立小齿、以及三个独立微齿；每个齿的轭部两侧设有凹槽/凸台，相邻齿的轭部互相咬合形成完整的定子铁芯。
由上述技术方案可知，本发明的三相永磁伺服电动机的磁极数为2P＝8，装有绕组的大齿占180电角度°，使其相反电势波形具有近135°电角度的平顶区，而且大齿宽不容易受电枢反应影响，使电机具有更强的过载能力；两种非均匀小齿专用于抑制定位力矩，使定位力矩减小至万分之一水平。该电动机每相只有两个集中绕组，且两个集中绕组结构和匝数完全相同，制造简单、工艺一致，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30％，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。该三相永磁伺服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。该三相永磁伺服电动机具有绕组端部小、用铜少、损耗小、气隙小磁负荷高、定位力矩小和过载能力强等一系列优点。
附图说明
图1是本发明一个优选实施例中电动机的定、转子结构示意图；
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是镶嵌大齿构成定子冲片的结构示意图；
图5是镶嵌小齿和微齿构成定子冲片的结构示意图；
图6是十二个齿分别独立并互相咬合的结构示意图；
图7是正弦波磁场电机的转子结构示意图。
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永磁伺服电动机的大致结构，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。转子位置传感器6，可以是光电编码器、旋转变压器、磁编码器中任何一种。
从图1中可以看出，在转子铁芯上装有四对极的永磁体4，这些永磁体N、S相间排列，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10～120mm，其中D是转子外径。这种结构可以获得趋于135°方波的相反电势波形，与方波定子电流配合可实现力矩波动很小的方波永磁伺服电机运行。由于两相反电势方波中的3、6次谐波相位相同，相减为零，因此这种结构的线反电势波形仍趋于正弦波，采用正弦波电流驱动时三相正弦波定子电流与三相相反电势方波中的3、6次谐波的乘积不呈现力矩波动，而且电机的输出功率获得约30％的提升。
从图1中可以看出，定子齿槽的数目Z＝12，即对应有十二个齿和十二个槽；定子槽的槽口3的宽度为0.1～2.0mm；十二个齿中包括六个装绕组的大齿8、不装绕组的三个小齿9、以及不装绕组的三个微齿10，并在圆周内按小齿→大齿→微齿→大齿→小齿→大齿→微齿→大齿→小齿→大齿→微齿→大齿这样的次序排布，也即形成十二个槽。其中，仅在六个大齿8上安装三相绕组，每个大齿上的绕组有两个绕组边、并分别占有其两侧的一个槽。
如图3所示，定子铁芯上的每个大齿占圆周45°机械角度，即180°电角度；每个小齿占圆周20°机械角度，即80°电角度；每个微齿占圆周10°机械角度，即40°电角度；为了获得三相对称绕组，两个大齿、一个小齿、再加上一个微齿的机械角度之和2×45°+20°+10°＝120°。其中每个齿所占圆周机械角度包含一个槽口3的宽度，例如图3所示的小齿所占圆周机械角度20°就是一个小齿的宽度再加左右各半个槽口的宽度所占的圆周机械角度。
该电机具有最理想的大齿齿宽，电角度为P×45°＝4×45°＝180°，因此该电机的绕组利用率最大化为sin(180°/180°×90°)＝1.0，该实施例的相反电势平顶区相应达到最佳。这种不均匀的齿槽结构，既确保了三相对称，又抑制了定位力矩。
本实施例中，六个三相绕组为集中绕组，分别将定子绕组用绕线机或手工直接绕在经表面绝缘处理的大齿上，绕组和齿的排列次序是：→小齿→装A相绕组的大齿→微齿→装C相绕组的大齿→小齿→装B相绕组的大齿→微齿→装A相绕组的大齿→小齿→装C相绕组的大齿→微齿→装B相绕组的大齿→；具体如图1所示。
如此绕制后，每相两个集中绕组之间是串联的，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，三相电动机仅有六个集中绕组，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。
如图4所示，本发明一个实施例中，定子铁芯由七部分互相咬合和拼接所组成，包括含有三个小齿9和三个微齿10的由多层硅钢片自铆迭压而成的一体式环形铁芯11，由多层硅钢片自铆迭压而成的六个独立的大齿铁芯8；环形铁芯11的轭部和大齿铁芯8上分别设有凹槽/凸台，并互相咬合形成完整的定子铁芯。
针对这种结构，可先在A相的两个大齿铁芯上绕好两个串联的A相绕组，在B相的两个大齿铁芯上绕好两个串联的B相绕组，在C相的两个大齿铁芯上绕好两个串联的C相绕组，然后将六个装有A、B、C三相绕组的大齿铁芯嵌入到环形铁芯11上，即构成装有A、B、C三相绕组的定子铁芯组件。该实施例中，可以很方便地对独立的大齿铁芯进行绝缘处理，然后用自动或半自动绕线机对大齿铁芯实施绕线。它的绕组制造工艺性很好；同时，采用整体结构环形铁芯11可充分保证定子铁芯组件的几何精度。
本实施例中的电机具有理想的齿宽设计，分别为大齿46°、小齿18°、微齿10°，2×46°+18°+10°＝120°，可构成A、B、C三相对称绕组，且定位力矩抑制的很好。该电动机可采用三相方波电流或三相正弦波电流驱动，都能产生平稳的力矩，并具有绕组端部小、用铜少、损耗小、气隙小、定位力矩小和过载能力强等一系列优点。
如图5所示，本发明的另一实施例中，与图4所示实施例相反，其一体式环形铁芯12上包含六个大齿，而三个小齿9和三个微齿10是独立的，同样是互相咬合形成完整的定子铁芯。
具体装配时，先对六个大齿实施绝缘处理；由于此时未装小齿和微齿，环形铁芯12的开口很大，完全可以使用自动绕线机在大齿8上绕制各相绕组。例如先在A相的两个大齿上分别绕好串联的两个A相绕组，再在B相的两个大齿上分别绕好串联的两个B相绕组，再在C相的两个大齿铁芯上分别绕好串联的两个C相绕组，然后将实施绝缘处理后的三个小齿铁芯和三个微齿铁芯嵌入环形铁芯12的轭部，构成装有A、B、C三相绕组的定子铁芯组件。
该电动机可采用三相方波电流或三相正弦波电流驱动，都能产生平稳的力矩，并具有绕组端部小、用铜少、损耗小、气隙小、定位力矩小和过载能力强等一系列优点。
如图6所示，本发明另一实施例中，有十二个独立的齿，即包括由多层硅钢片自铆迭压而成的六个独立大齿、三个独立小齿、以及三个独立微齿；每个齿的轭部两侧设有凹槽/凸台，相邻齿的轭部互相咬合形成完整的定子铁芯。其中，每个大齿占圆周45°机械角度，即180°电角度；每个小齿占圆周20°机械角度，即80°电角度；每个微齿占圆周10°机械角度，即40°电角度。
本实施例中，可将定子绕组用自动、半自动绕线机、或手工方式先绕制在经表面绝缘处理的独立大齿上，然后利用定位工装，将六个有绕组的大齿、三个无绕组的小齿、以及三个无绕组的微齿按次序互相咬合拼装成定子组件。如此绕制后，每相两个集中绕组之间是串联的，减少了接线，简化了工艺。
该电动机可采用三相方波电流或三相正弦波电流驱动，都能产生平稳的力矩，并具有绕组端部小、用铜少、损耗小、气隙小、定位力矩小和过载能力强等一系列优点。
如图7所示，本发明的又一实施例中，为了获得趋于正弦波的气隙磁场或正弦波的相反电势波形，采用了瓦形磁钢，磁钢的外圆两侧设有不大于15°、长度不大于磁钢的外圆弧长1/4的削角。该三相永磁伺服电动机定子与转子之间的物理气隙为1.0mm。如此设计后可以获得趋于正弦波的气隙磁场或正弦波的相反电势波形。于是三相定子电流中即使存在非正弦，也不至于产生过大的力矩波动。该电动机采用三相正弦波电流驱动，能产生平稳的力矩，并具有绕组端部小、用铜少、损耗小、气隙小、定位力矩小和过载能力强等一系列优点。
本发明并不限于上述具体实施例，其中，定子铁芯上的每个大齿所占圆周机械角度可为45°±5°，即180°±20°电角度；每个小齿占圆周机械角度可为20°±5°，即80°±20°电角度；每个微齿占圆周机械角度可为10°±5°，即40°±20°电角度；同样，这里所讲的每个齿所占圆周机械角度包含槽口3的宽度，同时需保证每两个大齿、一个小齿、再加上一个微齿的机械角度之和等于120°；例如大齿44°、小齿19°、微齿13°，2×44°+19°+13°＝120°，又例如大齿46°、小齿20°、微齿8°，2×46°+18°+8°＝120°，等等。
本发明的电机具有最接近理想的大齿齿宽，其电角度为180°±20°，因此其绕组利用率大于0.985(sin(200°/180°×90°)＝0.985)，该电机的相反电势平顶区相应达到最佳化。

Claims (9)

1.一种三相永磁伺服电动机，所述电动机的转子铁芯(1)上装有多对永磁体(4)，定子(2)的齿槽中装有三相绕组，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，相应有十二个齿，所述槽的槽口(3)宽度为0.1～2.0mm；所述十二个齿中包括六个大齿(8)、三个小齿(9)、以及三个更小的微齿(10)；所述三相绕组为六个集中绕组，分别装于所述六个大齿上，所述绕组和齿的排列次序：小齿→装A相绕组的大齿→微齿→装C相绕组的大齿→小齿→装B相绕组的大齿→微齿→装A相绕组的大齿→小齿→装C相绕组的大齿→微齿→装B相绕组的大齿；所述定子铁芯上的每个大齿占圆周45°±5°机械角度，即180°±20°电角度；每个小齿占圆周20°±5°机械角度，即80°±20°电角度；每个微齿占圆周10°±5°机械角度，即40°±20°电角度；其中每个齿所占圆周机械角度包含一个所述槽口(3)的宽度，且其中两个大齿、一个小齿、再加上一个微齿的机械角度之和等于120°。
2.根据权利要求1所述的三相永磁伺服电动机，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。
3.根据权利要求2所述三相永磁伺服电动机，其特征在于，所述瓦形磁钢的外圆两侧设有角度不大于15°、长度不大于磁钢的外圆弧长1/4的削角。
4.根据权利要求3所述的三相永磁伺服电动机，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1-4中任一项所述的三相永磁伺服电动机，其特征在于，所述定子铁芯由七部分组成，包括含有三个小齿和三个微齿的由多层硅钢片自铆迭压而成的一体式环形铁芯(11)，由多层硅钢片自铆迭压而成的六个独立的大齿铁芯(8)；所述环形铁芯的轭部和大齿铁芯上分别设有凹槽/凸台，并互相咬合形成完整的定子铁芯。
6.根据权利要求5所述的三相永磁伺服电动机，其特征在于，其中先在两个大齿铁芯上绕两个串联的A相绕组，在另两个大齿铁芯上绕两个串联的B相绕组，在另两个大齿铁芯上绕两个串联的C相绕组，然后将所述六个装有绕组的大齿铁芯分别嵌入所述环形铁芯(11)中，构成装有A、B、C三相绕组的定子铁芯组件。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的三相永磁伺服电动机，其特征在于，所述定子铁芯由七部分组成，包括含有六个大齿的由多层硅钢片自铆迭压而成的一体式环形铁芯(12)，由多层硅钢片自铆迭压而成的三个独立的小齿铁芯、以及由多层硅钢片自铆迭压而成的三个独立的微齿铁芯；所述环形铁芯的轭部和小齿、微齿铁芯上分别设有凹槽/凸台，并互相咬合形成完整的定子铁芯。
8.根据权利要求7所述的三相永磁伺服电动机，其特征在于，其中先在所述环形铁芯上对六个大齿实施绝缘处理，然后分别绕制A、B、C三相绕组，再将三个小齿铁芯和三个微齿铁芯嵌入所述环形铁芯(12)的轭部，构成装有A、B、C三相绕组的定子铁芯组件。
9.根据权利要求1-4中任一项所述的三相永磁伺服电动机，其特征在于，所述定子铁芯由十二部分组成，即包括由多层硅钢片自铆迭压而成的六个独立大齿、三个独立小齿、以及三个独立微齿；每个齿的轭部两侧设有凹槽/凸台，相邻齿的轭部互相咬合形成完整的定子铁芯。
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