CN103956843B - 一种高速电主轴用内置式永磁同步电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速电主轴用内置式永磁同步电机，包括定子铁芯、转子铁芯、转轴、磁钢和定子三相对称绕组；其特征在于：所述磁钢为沿圆周方向均匀镶有径向磁化的V型磁钢；所述V型磁钢包括多个永磁体、多个隔磁桥和多个导磁桥；V型磁钢的两边上设有多个永磁体，相邻永磁体之间设有导磁桥，两边的V型边顶端和V型磁钢底端设有隔磁桥。有益效果：该电机不仅具有低速时的高转矩运行性能，并且在基速以上的恒功率段具有宽广的弱磁升速范围。在恒功率高速运行时永磁体漏磁大，弱磁升速能力强。空载时电机漏磁小，输出转矩大。设置分段不等厚磁钢使得电机气隙磁密接近正弦分布，从而转矩脉动小，控制精度高，且电机永磁体不易失磁。

Description

一种高速电主轴用内置式永磁同步电机

技术领域

本发明涉及一种高速电主轴用内置式永磁同步电机，尤其是具有高转速、宽调速范围、高控制精度的永磁同步电机。

背景技术

目前，国内中高端数控机床主要采用永磁同步电主轴。然而，其核心部件——永磁同步电动机是采用永磁体进行励磁的，它的磁场较为恒定,励磁强度很难进行调节。在永磁同步电机基速以上的恒功率运行区域，随着电机转速的升高，电机反电势随之上升，因而供电电压上限以及电流控制器的饱和就限制了它的运行范围，使之很难在基速以上较高转速范围内运行。因而，电机的设计应有利于其弱磁升速。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种高速电主轴用内置式永磁同步电机，解决国内中高端数控机床电主轴弱磁升速难的问题，该电机不仅具有低速时的高转矩运行性能，并且在基速以上的恒功率段具有宽广的弱磁升速范围和高的控制精度。

技术方案

一种高速电主轴用内置式永磁同步电机，包括定子铁芯1、转子铁芯2、转轴3、磁钢和定子三相对称绕组7；其特征在于：所述磁钢为沿圆周方向均匀镶有径向磁化的V型磁钢；所述V型磁钢包括多个永磁体、多个隔磁桥和多个导磁桥；V型磁钢的两边上设有多个永磁体，相邻永磁体之间设有导磁桥，两边的V型边顶端和V型磁钢底端设有隔磁桥；所述V型磁钢张角的确定为：以180°除以磁极的极对数得到每一个V型磁钢所占空间角度，然后采用AutoCAD软件，根据每一个V型磁钢所占空间角度和V型磁钢底部的隔磁桥与转子内径之间的距离，绘制整个V型磁钢的图形，得到V型磁钢的张角。

所述多个永磁体等长且等宽，但不等厚；V型磁钢底部的永磁体厚度最大，远离V型磁钢底部的永磁体厚度最小，多个永磁体的厚度等值减少。

所述多个永磁体为六个，以V型分段磁钢的中心两边均匀分布。

所述永磁体厚度的确定：根据永磁同步电机设计的V型磁钢的厚度作为中间部分永磁体的厚度，确定靠近V型磁钢底部的永磁体厚度为中间部分永磁体厚度加上永磁体厚度差值。

有益效果

本发明提出的一种高速电主轴用内置式永磁同步电机，在永磁同步电机恒转矩低速运行时，尽管各分段磁钢之间存在导磁桥，但恒转矩低速运行时，永磁同步电机定子电枢绕组电流较小，产生的电枢磁场小，电枢反应不大，对永磁体产生的磁场削弱小，使转子铁芯，尤其是各导磁桥部分依然处于强饱和状态，磁阻很大，电机永磁体漏磁很小，电机输出转矩可以得到保证。在永磁同步电机恒功率高速运行时，在电机定子电枢绕组内电枢电流较大，产生的电枢磁场大，电枢反应就很大，对永磁体产生的磁场削弱大，使得转子铁芯处于非饱和状态，由于磁钢是分段的，此时，各分段磁钢之间的导磁桥提供了漏磁磁路，使得永磁体漏磁增大，因此，定子电枢绕组电枢反电势比磁钢不分段情况下电枢反电势会降低很多，而反电势随转速的增加而升高正是很多永磁同步电机当转速达到一定程度时无法继续提高的原因，因而分段磁钢的设置有利于永磁同步电机弱磁升速，且导磁桥提供漏磁磁路，使得永磁同步电机永磁体不易失磁，而V型磁钢底部隔磁桥及V型磁钢顶部隔磁桥的设置使得永磁体在恒功率高速运行时漏磁不至于过大，保证电机转矩不至太小。而考虑到V型分段磁钢各分段磁钢径向厚度相等产生的气隙磁场沿气隙圆周的分布正弦性不是很理想，所以设置分段不等厚磁钢各部分磁钢厚度根据仿真反复试验得出使得电机气隙磁密沿气隙圆周方向的分布近似正弦，这样可以使永磁同步电机转矩脉动减小，使得永磁同步电机控制系统控制精度提高。

该电机不仅具有低速时的高转矩运行性能，并且在基速以上的恒功率段具有宽广的弱磁升速范围。在恒功率高速运行时永磁体漏磁大，弱磁升速能力强。空载时电机漏磁小，输出转矩大。设置分段不等厚磁钢使得电机气隙磁密接近正弦分布，从而转矩脉动小，控制精度高，且电机永磁体不易失磁。

附图说明

图1：是本方案的一种6极电机结构轴向剖面示意图

图2：是图1中电机转子1/6结构示意图

1.定子铁芯，2.转子铁芯，3.转轴，4.转子永磁体，5.隔磁桥，6.导磁桥，7.定子三相对称绕组。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本实施例采用的技术方案是：在内置式永磁同步电机转子铁芯内，沿圆周方向均匀镶有径向磁化的V型分段磁钢，这样，在恒功率段运行时可以增加电机弱磁升速的能力，在一定程度上减小转矩脉动，并且不易导致电机永磁体失磁。并且，一个磁极下各部分分段磁钢径向厚度不相等，一个磁极下靠近磁极中间分段磁钢的厚度大于两侧分段磁钢的厚度，这样可以使气隙磁密尽可能接近正弦分布，同样可以减小转矩脉动，这对电主轴高精度的运行要求十分有利。一个磁极下同一侧相邻分段磁钢间设置导磁桥，一个磁极对称两部分分段磁钢之间设置隔磁槽，磁极间设置隔磁槽，这样，可以合理规划电机空载及负载运行时的磁通，使得空载时电机漏磁不至过大，保证恒功率段电机输出转矩，在高速段增大永磁体漏磁又不至使永磁体失磁。

在图1中，定子铁芯1、转子铁芯2均由硅钢片叠压而成，转子铁芯2安装于定子铁芯1内侧，定子铁芯1槽中安放三相对称绕组7，转轴3在转子铁芯2内。

在图2中，永磁体4、隔磁桥5、导磁桥6位于转子铁芯2中，切呈环形360°均匀分布，V型磁钢张角由磁极极对数、隔磁桥5与转子内径之间的距离确定。具体张角大小可以在AutoCAD软件中，先根据磁极极对数确定每一个V型磁钢所占空间角度，如本实施例3对极，每一个V型磁钢所占空间角度为60°。再根据处在V型磁钢底部的隔磁桥5与转子内径之间的距离确定隔磁桥5底部具体位置，如本实施例4mm的距离。随后便可以画出整个V型磁钢的图形，并可以确定V型磁钢张角大小，如本实施例的150.1°。其中，一个磁极下的V型磁钢分为对称的左右两部分，永磁体4三部分等长、等宽，但不等厚，其中，靠近V型磁钢底部的永磁体厚度最大，远离V型磁钢底部的永磁体厚度最小，夹在两个永磁体中间的永磁体厚度介于两者之间，一般情况下，相邻两个永磁体厚度差值基本相等，各部分分段磁钢的具体厚度根据气隙磁密正弦分布原则通过仿真试验来确定。首先，根据仿真实验确定所需V型磁钢大致厚度，并设定为中间部分永磁体的厚度，如本实施例的4mm。然后设定两个永磁体厚度差值取不同的值不大于2mm进行仿真，根据气隙磁密分布波形正弦原则确定最优差值，如本实施例的1mm。最后，确定靠近V型磁钢底部的永磁体厚度为中间部分永磁体厚度加上永磁体厚度差值，如本实施例的5mm；远离V型磁钢底部的永磁体厚度为中间部分永磁体厚度减去永磁体厚度差值，如本实施例的3mm。一个V型磁钢下含有三个隔磁桥5，V型磁钢底部有一个隔磁桥，保证永磁体在负载时漏磁不至于过大，在远离V型磁钢顶部两侧靠近电机气隙各有一个隔磁桥，保证永磁体主磁通穿过气隙进入定子铁芯，且使得电机在任何工作状态下漏磁通都不至于过大，保证电机转矩。一个V型磁钢下的六个分段磁钢之间有导磁桥6，设置导磁桥6的目的在于空载或低速运行时导磁桥6处磁密处于饱和状态，电机永磁体漏磁不大，保证电机低速时的输出转矩，在高速时，由于定子铁芯1内的绕组7电流较大，产生磁场相应较大，对主磁场削弱较强，导磁桥6提供了漏磁磁路，保证电机永磁体不易失磁，且电机转矩脉动小，控制精度高。

Claims (2)

1.一种高速电主轴用内置式永磁同步电机，包括定子铁芯(1)、转子铁芯(2)、转轴(3)、磁钢和定子三相对称绕组(7)；其特征在于：所述磁钢为沿圆周方向均匀镶有径向磁化的V型磁钢；所述V型磁钢包括多个永磁体、多个隔磁桥和多个导磁桥；V型磁钢的两边上设有多个永磁体，相邻永磁体之间设有导磁桥，两边的V型边顶端和V型磁钢底端设有隔磁桥；所述V型磁钢张角的确定为：以180°除以磁极的极对数得到每一个V型磁钢所占空间角度，然后采用AutoCAD软件，根据每一个V型磁钢所占空间角度和V型磁钢底部的隔磁桥与转子内径之间的距离，绘制整个V型磁钢的图形，得到V型磁钢的张角；

所述多个永磁体等长且等宽，但不等厚；V型磁钢底部的永磁体厚度最大，远离V型磁钢底部的永磁体厚度最小，多个永磁体的厚度等值减少；所述永磁体厚度的确定：根据永磁同步电机设计的V型磁钢的厚度作为中间部分永磁体的厚度，确定靠近V型磁钢底部的永磁体厚度为中间部分永磁体厚度加上永磁体厚度差值。

2.根据权利要求1所述高速电主轴用内置式永磁同步电机，其特征在于：所述多个永磁体为六个，以V型分段磁钢的中心两边均匀分布。