CN104113154A - 一种用于车削类电主轴的内嵌式永磁同步电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于车削类电主轴的内嵌式永磁同步电机，包括转轴、前轴承、前端盖、后轴承、后端盖、光电编码器、转子以及定子，其中，转子为分段式斜极结构，包括轴向间隔分布的多个转子铁心，沿转子铁心周向设置的多极磁极，每级磁极由呈V型结构排列并内嵌于对应的永磁体槽内；每极磁极与转子铁心外圆周之间对应设置多个磁体通孔；定子包括位于定子外壁上的冷却管道槽、具备多个定子齿的定子铁心以及在相邻定子齿间形成的定子槽。本发明的内嵌式永磁同步电机既具有高转矩密度、高功率密度、响应快的优点，又具有气隙磁场谐波小、反电势正弦度高和转矩波动小的优点，还具有调速比宽的特点，适合应用于高档数控机床用车削类电主轴系统。

Description

一种用于车削类电主轴的内嵌式永磁同步电机

技术领域

本发明涉及电机技术领域，具体涉及一种用于车削类电主轴的永磁同步电机。

背景技术

车削类电主轴电机主要应用于车削类数控机床。车削加工是工件旋转做主运动，车刀作进给运动的切削加工方法。现代车削加工对加工精度要求高，这要求电主轴电机的控制精度高、电机振动小、转矩脉动低、调速范围宽。

现有的车削类电主轴电机主要分为两种，分别为异步主轴电机和永磁电主轴电机。

在现有技术中，异步主轴电机转子会产生损耗，电机效率低，转子发热严重，缩短轴承寿命，最终造成电机寿命缩短。异步主轴电机的功率因数较低，驱动装置容量大，成本非常高。异步主轴转矩密度、功率密度低，电机体积重量较大，不利于快速启动和准停，电机响应慢。异步主轴电机转矩脉动大，电机转速波动大，运行状况平稳度低。异步主轴电机控制复杂，不容易实现高精度控制。

现有技术中用于电主轴的永磁同步电机，一般设计成“一”型永磁体结构，此类电机的凸极比小，磁阻转矩小，转矩密度较低，电机体积大，转动惯量大，运行时响应速度慢，不适合应用于要求快速启停、转速快速改变的车削类电主轴；且此类电机的凸极比小，电机调速比小，很难实现高速运行。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于车削类电主轴的内嵌式永磁同步电机，既具有高转矩密度、高功率密度、响应快的优势，也具有气隙磁场谐波小、反电势正弦度高和转矩波动小的优点，还具有调速范围宽、散热快的特点，尤其适用于高档数控机床用车削类电主轴系统。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于车削类电主轴的内嵌式永磁同步电机，该电机包括：由转轴、前轴承、前端盖、后轴承、后端盖以及机壳共同构成的电机外壳、固定在机壳内壁的定子以及套设于转轴上并与定子相对间隔设置转子，其中，

所述转子为分段式斜极结构，包括沿转轴轴向间隔分布的3个转子铁心，且各个转子铁心与其相邻的前一转子铁心按顺时针方向旋转3°机械角布置，每个转子铁心中心位置设有允许转轴贯穿的轴孔，远离轴孔外侧并沿转子铁心周向均匀间隔设置多极磁极，每级磁极各自由一对长方体结构且嵌入在永磁体槽内的永磁体组成，且每一对永磁体形成张角为150度机械角且开口向外的V型结构；此外，在每极磁极与转子铁心外圆周之间还对应设置多个磁体通孔，各个磁体通孔均沿周向间隔排列；

所述定子包括定子铁芯，该定子铁芯的外壁上形成有多个冷却管道槽，这些冷却管道槽为矩形螺旋槽并用于嵌入冷却铜管；定子铁芯的内壁上具备多个沿其周向排列的定子齿，每个定子齿的弧形端面上设置两个圆弧辅助槽；相邻定子齿间形成的定子槽；三相绕组嵌放于定子槽内，用于感应电势、产生电磁转矩，以实现能量转换。

作为进一步优选地，所述永磁体的充磁方向为平行充磁。

作为进一步优选地，所述磁体通孔的半径为3～4mm，相邻两磁体通孔圆心距离为9～12mm。

可根据实际需要调整磁体通孔的位置和大小，达到调整电机的凸极率，增加调速范围的目的。

作为进一步优选地，所述圆弧辅助槽的半径为4.8～5.2mm，且圆弧辅助槽径向中心线与定子齿弧形端面径向中心线呈2.8°～3.2°机械角度。

作为进一步优选地，所述用于车削类电主轴的内嵌式永磁同步电机为6极27槽结构。

作为进一步优选地，所述每极磁极与转子铁心外圆周之间对应设置3个磁体通孔。

作为进一步优选地，所述三相绕组5为分数槽绕组分布，节距为4。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明所取得的有益效果如下：

(1)转子采用分段式斜极结构，各转子铁心间隔排列，减小了电机的气隙磁场谐波，增加电机气隙磁场的正弦度，进一步削弱了电机的转矩波动，提高了车削类数控机床的加工精度；

(2)转子磁极采用内嵌式Ｖ形结构，提高了电机的转矩密度、功率密度和效率，增大了电机的调速比；

(3)通过采用转子铁心的磁体通孔结构，一方面可调整电机的凸极率，增加电机的调速范围，满足车削类永磁电主轴电机调速范围宽和高速运行工况的要求，另一方面为转子提供通风口，加快转子铁心和永磁体散热，减小转子过热和轴承过热的风险，提高永磁体抗不可逆退磁的能力，提高了电主轴系统的寿命；

(4)通过在定子外壁上设置水冷却管道槽，一方面增大与定子铁心接触的冷却面积，另一方面将冷却铜管嵌于水冷却管道槽内，水流在冷却铜管中流通，带走定子热量；且结构简单，加工简单且成本低，提高电机转矩密度和功率密度的同时，加快了电机的散热，提高了电机的寿命；

(5)定子齿端面采用双圆弧辅助槽结构，提高电机转矩密度的同时，削弱了电机的齿槽转矩，减小了电机的气隙磁场谐波，提高了气隙磁场和反电势的正弦度，减小了电机的转矩波动和转速波动，提高了车削类数控机床的加工精度。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的转子结构示意图；

图3是本发明的转子铁心横截面结构示意图；

图4是本发明的定子结构示意图；

图5是本发明的定子铁心结构示意图；

图6为本发明的水冷却管道槽结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1－刀具接口、2－转轴、3－前轴承、4－前端盖、5－三相绕组、6－定子、7－冷却管道槽、8－机壳、9－转子、10－后端盖、11－后轴承、12－光电编码器、13－永磁体、14－永磁体槽、15－圆弧辅助槽、16－磁体通孔、17－后端盖空心孔、18－转子铁心、19－定子齿、20－定子轭部、21－绝缘层、22－定子槽、23-轴孔

具体实施方式

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。

如图1所示，用于车削类电主轴的内嵌式永磁同步电机包括：刀具接口1、转轴2、前轴承3、前端盖4、后轴承11、后端盖10、光电编码器12、转子9、定子6，其中，刀具接口1位于转轴2的最前端，用于连接车削类数控机床的刀具；前端盖4通过前轴承3安装在转轴2的前端，后端盖10通过后轴承11安装在转轴2的后端上，且前端盖4和后端盖10分别与机壳8的前、后端固连，共同构成电机的外壳；光电编码器12固定在后端盖10与后轴承11之间，定子6固定在机壳8内壁上，转子9套设于转轴2上并与定子6相对间隔设置。

如图2所示，用于车削类电主轴的内嵌式永磁同步电机的转子9为分段式斜极结构，包括沿转轴轴向间隔分布的3个转子铁心，且各个转子铁心与其相邻的前一转子铁心按顺时针方向旋转3°机械角布置，每个转子铁心中心位置设有允许转轴贯穿的轴孔2，远离轴孔2外侧并沿转子铁心周向均匀间隔设置多极磁极13，其中，永磁体13的充磁方向为平行充磁，每级磁极各自由一对长方体结构且嵌入在永磁体槽14内的永磁体13组成，且每一对永磁体13形成张角为150度机械角度且开口向外的V型结构；此外，在每极磁极与转子铁心18外圆周之间对应设置多个磁体通孔16，各个磁体通孔均沿转子铁心18周向间隔排列，磁体通孔的半径为3～4mm，相邻两磁体通孔圆心距离为9～12mm，可根据实际需要调整磁体通孔的位置和大小，达到调整电机的凸极率，增加调速范围的目的。

如图3所示，本实施例中有6极磁极，每极磁极由一对永磁体13组成，每一对永磁体13形成张角为150度机械角度且开口向外的V型结构，此外，每极磁极与转子铁心外圆周之间对应设置3个磁体通孔。

如图4所示，定子6包括定子铁芯，该定子铁芯的外壁上形成有多个冷却管道槽7，这些冷却管道槽为矩形螺旋槽并用于嵌入冷却铜管；定子铁芯的内壁上具备多个沿其周向排列的定子齿19，每个定子齿19的弧形端面上设置两个圆弧辅助槽15；相邻定子齿19间形成定子槽22，用于嵌入三相绕组5，其中，定子槽22优选为27个，形成27槽结构。

如图5所示，定子齿19位于定子内壁并沿其周向排列，每个定子齿19的弧形端面上设置两个圆弧辅助槽15；圆弧辅助槽的半径为4.8～5.2mm，且圆弧辅助槽径向中心线与定子齿弧形端面径向中心线呈2.8°～3.2°机械角度；三相绕组5嵌放于定子槽内，用于感应电势、产生电磁转矩，以实现能量转换；嵌放于冷却管道7的冷却铜管和三相绕组5出线端从后端盖10中的后端盖空心孔17接出，三相绕组5出线端与电机控制器连接。

如图6所示，冷却管道槽7为矩形螺旋槽，冷却铜管嵌于冷却管道槽内，水流在冷却铜管中流通，带走定子热量。

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。

Claims (7)

1.一种用于车削类电主轴的内嵌式永磁同步电机，该电机包括：由转轴(2)、前轴承(3)、前端盖(4)、后轴承(11)、后端盖(10)以及机壳(8)共同构成的电机外壳、固定在机壳(8)内壁的定子(6)以及套设于转轴(2)上并与定子(6)相对间隔设置转子(9)，其特征在于，

所述转子(9)为分段式斜极结构，包括沿转轴轴向间隔分布的多个转子铁心，且各个转子铁心(18)与其相邻的前一转子铁心(18)按顺时针方向旋转3°机械角布置，每个转子铁心中心位置设有允许转轴贯穿的轴孔(23)，远离轴孔(23)外侧并沿转子铁心周向均匀间隔设置多极磁极，每级磁极各自由一对长方体结构且嵌入在永磁体槽(14)内的永磁体(13)组成，且每一对永磁体形成张角为150度机械角且开口向外的V型结构；此外，在每极磁极与转子铁心(18)外圆周之间还对应设置多个磁体通孔(16)，各个磁体通孔均沿周向间隔排列；

所述定子(6)包括定子铁芯，该定子铁芯的外壁上形成有多个冷却管道槽(7)，这些冷却管道槽为矩形螺旋槽并用于嵌入冷却铜管；定子铁芯的内壁上具备多个沿其周向排列的定子齿(19)，每个定子齿(19)的弧形端面上设置两个圆弧辅助槽(15)；相邻定子齿(19)间形成定子槽(22)，用于嵌入三相绕组(5)。

2.如权利要求1所述的用于车削类电主轴的内嵌式永磁同步电机，其特征在于，所述永磁体的充磁方向为平行充磁。

3.如权利要求1或2所述的用于车削类电主轴的内嵌式永磁同步电机，其特征在于，所述磁体通孔的半径为3～4mm，相邻两磁体通孔圆心距离为9～12mm。

4.如权利要求1或2所述的用于车削类电主轴的内嵌式永磁同步电机，其特征在于，所述圆弧辅助槽的半径为4.8～5.2mm，且圆弧辅助槽径向中心线与定子齿弧形端面径向中心线呈2.8°～3.2°机械角度。

5.如权利要求1-4任意一项所述的用于车削类电主轴的内嵌式永磁同步电机，其特征在于，所述用于车削类电主轴的内嵌式永磁同步电机为6极27槽结构。

6.如权利要求1-5任意一项所述的用于车削类电主轴的内嵌式永磁同步电机，其特征在于，所述每极磁极与转子铁心外圆周之间对应设置3个磁体通孔。

7.如权利要求1-6任意一项所述的用于车削类电主轴的内嵌式永磁同步电机，其特征在于，所述三相绕组5为分数槽分布绕组，节距为4。