CN104113176A

CN104113176A - 一种车铣类直驱式永磁同步电主轴电机

Info

Publication number: CN104113176A
Application number: CN201410284413.7A
Authority: CN
Inventors: 杨凯; 王晓杰; 杨雪姣
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2014-06-23
Filing date: 2014-06-23
Publication date: 2014-10-22

Abstract

本发明公开了一种车铣类直驱式永磁同步电主轴电机。包括定子、转子、转轴、n个永磁体、前端盖、后端盖和机壳；每个永磁体包括偶数个按V型对称分布的子永磁体；转轴的一端通过前端轴承固定在前端盖上，另一端通过后端轴承固定在后端盖上，前端盖、后端盖和机壳构成电机外壳；转子安装在转轴上，定子固定在机壳上，包括绕组和定子铁芯，绕组缠绕在定子铁芯上；定子、转子和转轴同轴设置；转子内表面的横截面为圆形，外表面的横截面为类圆型结构，与内表面的横截面同轴，该类圆型结构由n段圆弧和n条直线交替连接而成；n个永磁体嵌入转子内。本发明能提高电机的弱磁扩速能力和动态性能，加工精度高，绕组引出方便，易于拆卸和维修。

Description

一种车铣类直驱式永磁同步电主轴电机

技术领域

本发明属于电主轴电机技术领域，更具体地，涉及一种车铣类直驱式永磁同步电主轴电机。

背景技术

车铣类电主轴电机主要应用于车铣类数控机床。车铣加工是铣刀旋转为主运动，工件运动为进给运动的加工方法。电主轴电机转速和控制精度越高，则工件加工精度越高。其中，直驱式永磁同步电主轴电机与传统主轴电机相比，省去了齿轮、皮带等传动机构，提升了系统传动效率和可靠性，更具有振动小、噪声低、加工精度高、稳定性好等优点。冷却结构电机具有高转矩密度、高功率密度的优点，电机体积小，适合用作电主轴电机。但是，车铣类直驱式永磁同步电主轴电机对电机恒功率运行范围和转矩脉动的要求较高，因此，需要采取特殊的设计来增加恒功率运行范围并削弱齿槽转矩。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种车铣类直驱式永磁同步电主轴电机，能削弱电机齿槽转矩，且在不增加逆变器容量的前提下，提高电机的弱磁扩速能力，加工精度高；改善了定子的散热性能，从而提高了电机电流密度，增大了电机转矩密度，降低了电机体积，提高了电机的动态性能；绕组引出方便，易于拆卸和维修。

为实现上述目的，本发明提供了一种车铣类直驱式永磁同步电主轴电机，其特征在于，包括定子、转子、转轴、n个永磁体、前端盖、后端盖和机壳；n为电机极数；所述转轴的一端通过前端轴承固定在所述前端盖上，另一端通过后端轴承固定在所述后端盖上，所述前端盖、后端盖和机壳构成电机外壳；所述转子安装在所述转轴上，所述定子固定在所述机壳上，包括绕组和定子铁芯，所述绕组缠绕在所述定子铁芯上；所述定子、转子和转轴同轴设置；所述转子内表面的横截面为圆形，外表面的横截面为类圆型结构，与内表面的横截面同轴，该类圆型结构由n段圆弧和n条直线交替连接而成；所述n个永磁体嵌入所述转子内，与所述n段圆弧一一对应。

优选地，每个所述永磁体包括偶数个按V型对称分布的子永磁体，子永磁体间的区域形成导磁桥，V型结构的两侧分别指向对应圆弧的两端。

优选地，所述定子还包括结构相同的内层冷却管道和外层冷却管道，它们分别设置在所述定子铁芯的体内和外表面；所述内层冷却管道和外层冷却管道均包括两个设置在所述定子铁芯两端的圆形管道以及连通两端圆形管道的多个轴向连接管道，所述内层冷却管道的多个轴向连接管道贯穿所述定子铁芯体结构，所述外层冷却管道的多个轴向连接管道部分嵌入所述定子铁芯外表面的线状凹槽中。

优选地，所述后端盖由两个对称结构拼接而成，其端面为圆形，圆周上设有圆筒结构构成端盖外侧壁，端面中心开孔，孔壁上设有圆筒结构构成端盖内侧壁，所述转轴穿过该孔，端面上邻近端盖外侧壁的位置设有开口，用于引出所述绕组的出线端。

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，具有以下有益效果：

1、电机永磁体采用V型分段结构，包括偶数个对称分布的子永磁体，子永磁体间被导磁桥隔断，一方面，当电机工作于弱磁扩速区域时，定子绕组的直轴去磁电流产生的电枢反应使磁桥的饱和程度降低，永磁磁通通过磁桥产生的漏磁增大，定子直轴去磁电流抵消永磁体产生的气隙磁通，使气隙中的永磁磁通减小；另一方面，由于存在导磁桥，直轴磁路的磁阻变小，分段结构可以获得更大的直轴电感。因此，V型分段结构的永磁体能够在不增加逆变器容量的前提下，提高电机的弱磁扩速能力，降低成本。

2、采用不均匀转子结构，通过气隙磁阻的不均匀分布，优化气隙磁密波形，有效削弱反电势谐波，从而削弱了电机齿槽转矩。V型分段结构的永磁体与不均匀转子的圆弧一一对应，永磁体的两侧分别指向对应圆弧的两端，能充分利用气隙磁阻的不均匀分布，一方面进一步削弱电机齿槽转矩，另一方面进一步减小直轴磁路的磁阻，获得更大的直轴电感。因此，将V型分段结构与不均匀转子结构结合，能最大程度地提高电机弱磁扩速能力和加工精度。

3、在定子铁芯体内和外表面分别设置内层冷却管道和外层冷却管道，能加快电机热量的散发，冷却效果更好，从而提高电机电流密度，增大电机转矩密度，降低电机体积，提高电机的动态性能。

4、内层冷却管道和外层冷却管道均包括设置在定子两端的圆形管道以及连通两端圆形管道的多个轴向连接管道，能有效减小冷却剂的流通阻力，使冷却剂的流通更加顺畅，冷却效果更佳。

5、后端盖的端面为圆形，圆周上设有圆筒状突起构成端盖外侧壁，端面中心开孔，孔壁设有圆筒状突起构成端盖内侧壁，端面上邻近端盖外侧壁的位置设有开口。后端盖由两个对称结构拼接而成，只需拆卸部分后端盖即可对电机进行维修，此外，端面上邻近端盖外侧壁处的开口用作三相绕组的出线端口，绕组的出线端通过三相绕组出线端口引出到电机外部，方便电机的接线操作。

附图说明

图1是本发明实施例的车铣类直驱式永磁同步电主轴电机结构示意图；

图2是电机转子冲片示意图；

图3是电机转子立体示意图；

图4是电机定子冷却结构示意图；

图5是电机定子铁芯示意图；

图6是电机机壳的局部示意图；

图7是电机后端盖示意图。

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－后端盖，2－光电编码器，3－后端轴承，4－绕组，5－冷却剂出口，6－定子铁芯，7－转子，8－套管，9－冷却结构，10－冷却剂入口，11－前端轴承，13－转轴，14－前端盖，15－永磁体，17－外层冷却管道，18－内层冷却管道，19－安装管路，20－机壳，21－开口，22－对称结构。

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，本发明实施例的车铣类直驱式永磁同步电主轴电机包括光电编码器2、绕组4、定子铁芯6、转子7、转轴13、n个永磁体15、前端盖14、后端盖1和机壳20。

转轴13的一端通过前端轴承11固定在前端盖14上，另一端通过后端轴承3固定在后端盖1上，前端盖14、后端盖1和机壳20构成电机外壳。光电编码器2固定在后端盖1上，与转轴13同轴安装，用于检测转子7的位置信号。转子7安装在转轴13上，转子7和转轴13之间设有套管8，以方便拆卸转轴13而不致损坏电机。定子固定在机壳20上，包括绕组4和定子铁芯6，绕组4缠绕在定子铁芯6上。转子7、定子和转轴13同轴设置。

如图2和图3所示，转子7内表面的横截面为圆形，外表面的横截面为类圆型结构，与内表面的横截面同轴，该类圆型结构由n段圆弧和n条直线交替连接而成，n为电机极数(例如n＝4)，圆弧圆心与内表面的横截面的圆心的距离即偏心距离为o-o’。n个永磁体15嵌入转子7内，与n段圆弧一一对应，每个永磁体15包括偶数个按V型对称分布的子永磁体，子永磁体间的区域形成导磁桥，V型结构的两侧分别指向对应圆弧的两端。这种V型分段结构与不均匀转子结构的结合能最大程度地提高电机弱磁扩速能力和加工精度。

如图1所示，定子还包括冷却结构9。如图4和图5所示，冷却结构9包括内层冷却管道18和外层冷却管道17，分别设置在定子铁芯6的体内和外表面。内层冷却管道18和外层冷却管道17的结构相同，均包括两个设置在定子铁芯两端的圆形管道以及连通两端圆形管道的多个轴向连接管道，内层冷却管道18的多个轴向连接管道贯穿定子铁芯体结构，外层冷却管道17的多个轴向连接管道部分嵌入定子铁芯外表面的线状凹槽中。

如图6所示，机壳20与定子接触的部位对应设置多个由线状凹槽形成的安装管路19，其与定子铁芯外表面的线状凹槽一起包覆外层冷却管道17的多个轴向连接管道。机壳20上开有冷却剂入口10和冷却剂出口5，冷却剂入口10与定子铁芯6一端的内层冷却管道18和外层冷却管道17的圆形管道连通，冷却剂出口5与定子铁心6另一端的内层冷却管道18和外层冷却管道17的圆形管道连通。冷却剂由冷却剂入口10同时进入内层冷却管道18和外层冷却管道17，在冷却剂出口5汇流并流出。

如图7所示，后端盖由两个对称结构22拼接而成，其端面为圆形，圆周上设有圆筒结构构成端盖外侧壁，端面中心开孔，孔壁上设有圆筒结构构成端盖内侧壁，转轴13穿过该孔，端面上邻近端盖外侧壁的位置设有开口21，用于引出绕组4的出线端。这种拼接结构容易拆卸，给电机的维修工作带来极大的便利。绕组4的出线端通过电压保护模块与逆变器模块相连，以避免电机在最高转速下电源断开或逆变器故障时，电机反电势过电压损坏逆变器。

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

1.一种车铣类直驱式永磁同步电主轴电机，其特征在于，包括定子、转子、转轴、n个永磁体、前端盖、后端盖和机壳；n为电机极数；

所述转轴的一端通过前端轴承固定在所述前端盖上，另一端通过后端轴承固定在所述后端盖上，所述前端盖、后端盖和机壳构成电机外壳；所述转子安装在所述转轴上，所述定子固定在所述机壳上，包括绕组和定子铁芯，所述绕组缠绕在所述定子铁芯上；所述定子、转子和转轴同轴设置；

所述转子内表面的横截面为圆形，外表面的横截面为类圆型结构，与内表面的横截面同轴，该类圆型结构由n段圆弧和n条直线交替连接而成；所述n个永磁体嵌入所述转子内，与所述n段圆弧一一对应。

2.如权利要求1所述的车铣类直驱式永磁同步电主轴电机，其特征在于，每个所述永磁体包括偶数个按V型对称分布的子永磁体，子永磁体间的区域形成导磁桥，V型结构的两侧分别指向对应圆弧的两端。

3.如权利要求1或2所述的车铣类直驱式永磁同步电主轴电机，其特征在于，所述定子还包括结构相同的内层冷却管道和外层冷却管道，它们分别设置在所述定子铁芯的体内和外表面；所述内层冷却管道和外层冷却管道均包括两个设置在所述定子铁芯两端的圆形管道以及连通两端圆形管道的多个轴向连接管道，所述内层冷却管道的多个轴向连接管道贯穿所述定子铁芯体结构，所述外层冷却管道的多个轴向连接管道部分嵌入所述定子铁芯外表面的线状凹槽中。

4.如权利要求1至3中任一项所述的车铣类直驱式永磁同步电主轴电机，其特征在于，所述后端盖由两个对称结构拼接而成，其端面为圆形，圆周上设有圆筒结构构成端盖外侧壁，端面中心开孔，孔壁上设有圆筒结构构成端盖内侧壁，所述转轴穿过该孔，端面上邻近端盖外侧壁的位置设有开口，用于引出所述绕组的出线端。