CN104319971B - 一种带有阻尼线圈的交流永磁同步伺服电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带有不锈钢紧固套筒阻尼线圈的交流永磁同步伺服电机，该电机呈圆筒型且沿径向由外至内包括：定子、绕组和转子机构；转子机构包括永磁体和转子，永磁体由块状磁体沿转子周向分布装配而成，每块磁体正中对应的转子上开有第一槽口，其沿转子径向朝外的一端开口，另外一端连通第二槽口，转子呈圆筒型，其内壁上还设有沿径向朝内开口的第三槽口，所述第二槽口与所述第三槽口沿垂直于径向的方向对称，用于绕制闭合的阻尼线圈。按照本发明，定子电枢反应低次谐波磁场在通过阻尼线圈时，阻尼绕组感应的涡流将产生磁场阻碍穿过转子的定子电枢反应磁场，从而降低了转子上永磁体的涡流损耗以及转子叠片的铁耗。
Description
技术领域
本发明属于伺服电机技术领域，具体涉及一种带有不锈钢紧固套筒阻尼线圈的交流永磁同步伺服电机。
技术背景
数控机床作为加工制造业的母机代表着一个国家的装备制造业水平，是国民经济的主要基础。高性能数控机床成为世界大国间加工制造业博弈的重要筹码。在中国，高档数控机床项目作为国家科技重大专项，预计在未来很长一段时间都将保持长足的发展。
交流永磁同步伺服电机作为数控机床中最主要的执行单元之一，目前正朝着高效率、高转矩密度和高冗余性发展。分数槽集中线圈交流永磁同步伺服电机，以其线圈端部短转矩密度高、转矩脉动小和线圈冗余性高等优势成为目前最为主流的交流永磁同步伺服电机拓扑结构。
在分数槽集中线圈交流永磁同步伺服电机中，定子线圈产生具有很强穿透能力的低次磁动势谐波，其在转子上感应出较大的涡流造成较高的转子损耗和转子温升，加大了永磁体退磁的风险。同时，为了保证永磁同步伺服电机的机械可靠性，通常在转子上装配有不锈钢紧固套筒，这近一步增加了转子损耗和转子温升，从而使得永磁体退磁和电机发生故障的风险近一步加大。
目前降低带有不锈钢紧固套筒的分数槽集中线圈交流永磁同步电机的技术主要有套筒与永磁体分段和在套筒上镀铜两种技术，但是以上两种技术在实际操作中存在以下的缺陷：(1)对于套筒与永磁体分段技术，其可以减少永磁体和套筒上的涡流损耗，但是不能消弱定子线圈电枢反应低次谐波在转子上的作用，故转子叠片的铁耗不能降低，同时由于套筒与永磁体分段，会存在装配困难等一系列问题；(2)对于套筒上镀铜技术，由于铜的电导率比不锈钢高很多，定子线圈电枢反应低次谐波磁场在穿透转子时，镀铜层会感应出较大的涡流阻碍定子线圈电枢反应磁场穿透转子，可以降低不锈钢紧固套筒、永磁体和转子叠片上的损耗，而是镀铜层需要有一定的厚度才行，交流永磁同步伺服电机气隙一般都较小，不锈钢紧固套筒本身又占用了部分气隙，因此镀铜技术在交流永磁同步伺服电机中应用不多。
发明内容
针对现有技术的不足，提出了一种带有阻尼线圈交流永磁同步伺服电机，解决交流永磁同步伺服电机转子损耗，并降低永磁体的退磁风险。
一种具有阻尼线圈的交流永磁同步伺服电机，其特征在于，该电机呈圆筒型且沿径向由外至内包括：定子机构、转子机构；其中有定子机构包括定子、定子绕组，转子机构包括永磁体和转子，永磁体由块状磁体沿转子周向分布装配而成，每块磁体正中对应的转子上开有第一槽口，其朝向所述永磁体的一端开口，另外一端连通第二槽口，所述转子呈圆筒型，其内壁上还设有沿径向朝内开口的第三槽口，所述第二槽口与所述第三槽口沿垂直于径向的方向对称，用于绕制闭合的阻尼线圈。
进一步地，所述转子机构外周还箍有不锈钢紧固套筒。
进一步地，所述永磁体沿所述转子的周向分布装配方式为表贴式或内置式。
按照本发明，由于采用了阻尼线圈，能够达到如下的有益效果：
(1)每个阻尼线圈里的感应涡流将阻碍定子低次谐波磁场的通过，从而消弱定子的低次谐波磁场，进而该谐波磁场在套筒、永磁体和转子叠片里产生的损耗将大大降低；
(2)由于采用了阻尼线圈，即使采用了不锈钢紧固套筒来实现机械结构的稳定，也可以进一步地减小谐波磁场在不锈钢紧固套筒里产生的损耗。
附图说明
图1(a)为本按照发明实现的带有不锈钢紧固套筒和阻尼线圈的低转子损耗交流永磁同步伺服电机的实施例一的截面示意图；
图1(b)为本按照发明实现的带有不锈钢紧固套筒和阻尼线圈的低转子损耗交流永磁同步伺服电机的实施例一的三维结构示意图；图2为按照本发明实现的带有不锈钢紧固套筒和阻尼线圈的低转子损耗交流永磁同步伺服电机的实施例二的截面示意图；
图3为本按照发明实现的带有不锈钢紧固套筒和阻尼线圈的低转子损耗交流永磁同步伺服电机的实施例一的不锈钢紧固套筒二维磁力线分布图。
其中，1-定子 2-单层绕组 3-不锈钢紧固套筒 4-永磁体 5-转子 6-第一矩形槽 7-第二矩形槽 8-第三矩形槽 9-阻尼线圈。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和效果更加清晰明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，以下实施例仅是用于解释本发明，并不构成对本发明的限定。图1所示为本发明的带有不锈钢紧固套筒和阻尼线圈的低转子损耗分数槽集中绕组交流永磁同步伺服电机的一个具体实施例示意图，其中图1(a)为横向截面图，图1(b)为三维结构示意图。该实施例的带有不锈钢紧固套筒和阻尼线圈的低转子损耗分数槽集中绕组交流永磁同步伺服电机是一个带有不锈钢紧固套筒和阻尼线圈的12槽10极单层定子绕组的分数槽集中绕组永磁同步伺服电机。在图1中，定子1为12个槽，槽内绕制有单层绕组2,当然定子也可采用无槽结构；转子冲片叠加而成的转子5外表面贴有10个永磁体4，在永磁体4外侧箍不锈钢紧固套筒3；在转子冲片叠加而成的转子5上，对应与每个永磁体4的正下方开第一个矩形槽6，第一矩形槽6的一端沿径向朝向永磁体的一端是开口的，并在第一矩形槽6的另外一端连通开有第二个矩形槽7，在距第二个矩形槽8的正下方一定距离处开第三个矩形槽8，第二矩形槽7与第三矩形槽8在沿径向垂直的方向上对称，在每个永磁体4正下方的第二个矩形槽7和第三个矩形槽8内绕制闭合的阻尼线圈9，正因为矩形槽6在磁力线圆周方向的路径上造成了截断，而空气比铁磁的磁阻要大，因此可以将定子电枢反应低次谐波磁场的路径引向穿过阻尼线圈9。当然，矩形槽6、7、8并不一定限定为矩形槽，只要能够开口实现磁力线圆周方向的截断，并且能够绕制阻尼线圈即可，并不一定限定为矩形，可以为其它形状，在此不再赘述。
另外，上述的实施例中的永磁体4与转子5的装配方式是表贴式的，但是实际上永磁体4与转子5的装配方式也可以是内置式的，如图2所示的实施例二中的永磁体内置式的设置方式，在此种情况下，转子5上开的矩形槽6依然在永磁体4正中对应的下方，矩形槽6朝向永磁体4的一端开口，另外一端连通矩形槽7，其它的设置与上述实施例中的表贴式的相同，实现磁力线圆周方向的截断。
图3所示为本发明的带有不锈钢紧固套筒和阻尼线圈的低转子损耗分数槽集中绕组交流永磁同步伺服电机的一个具体实施例的定子绕组产生的二维磁场的磁力线分布示意图。在图3中，可以看出定子绕组产生的低次谐波磁场，主要是一次的二极谐波磁场，在其穿透转子时，其主要通过放置在转子叠片里的闭合阻尼线圈，闭合的阻尼绕组将感应出涡流；根据楞次定律，每个阻尼线圈里的感应涡流产生磁场并阻碍定子该一次谐波磁场的通过，从而消弱定子的一次谐波磁场，进而该谐波磁场在套筒、永磁体和转子叠片里产生的损耗将大大降低，另外，不锈钢紧固套筒可以实现进一步地机械稳定，不使用也不会影响电机整体功能的实现，现有技术中若采用不锈钢紧固套筒来实现机械稳定的时候也会带来损耗，而采用阻尼线圈后，即使采用不锈钢紧固套筒，也能减小谐波在不锈钢紧固套筒的损耗。由于铜电导率相对于不锈钢电导率高很多，阻尼线圈里的涡流损耗相对较小，因此整体的转子损耗也会大幅降低。
按照本发明提出的带有阻尼线圈的交流永磁同步伺服电机，通过在转子叠片上开槽和装配阻尼线圈的结构，实现降低转子损耗作用，从而在一定程度上降低了永磁体退磁风险。
其工作原理为：定子绕组产生的低次谐波磁场具有较低的极对数、较长的波长和较高的转速，具有较强的穿透能力。定子低次谐波磁场在穿透转子时，通过套筒和永磁体后，由于永磁体下方的第一个槽是空槽磁阻大，其大部分是连续多个通过第二个槽和第三个槽之间的转子叠片后再通过永磁体和套筒回到气隙。由于定子低次谐波磁场以较高的频率交变，绕制在每个永磁体下方的第二个槽和第三个槽内的闭合阻尼绕组将感应出涡流；根据楞次定律，每个阻尼线圈里的感应涡流将阻碍定子低次谐波磁场的通过，从而消弱定子的低次谐波磁场，进而该谐波磁场在套筒、永磁体和转子叠片里产生的损耗将大大降低。由于铜电导率相对于不锈钢电导率高很多，阻尼线圈里的涡流损耗相对较小，因此整体的转子损耗会大幅降低。
交流永磁同步伺服电机可作为本技术最典型的应用场合，但本发明不限于应用在伺服电机领域。
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 (3)
1.一种具有阻尼线圈的交流永磁同步伺服电机，其特征在于，该电机呈圆筒型且沿径向由外至内包括：定子机构、转子机构；定子机构包括定子(1)、定子绕组(2)，转子机构包括永磁体(4)和转子(5)，永磁体(4)由块状磁体沿所述转子(5)周向分布装配而成，每块磁体正中对应的所述转子(5)上开有第一槽口(6)，其朝向所述永磁体(4)的一端开口，另外一端连通第二槽口(7)，所述第一槽口(6)用于实现电枢反应磁场低次谐波的磁力线圆周方向的截断；所述转子(5)呈圆筒型，其内壁上还设有沿径向朝内开口的第三槽口(8)，所述第二槽口(7)与所述第三槽口(8)沿垂直于径向的方向对称，用于绕制闭合的阻尼线圈(9)。
2.如权利要求1所述的具有阻尼线圈的交流永磁同步伺服电机，其特征在于，所述转子机构外周箍有不锈钢紧固套筒(3)。
3.如权利要求1或2所述的具有阻尼线圈的交流永磁同步伺服电机，其特征在于，所述永磁体(4)沿所述转子(5)的周向分布装配方式为表贴式或内置式。
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