CN104882981A - 一种永磁伺服电机的转子冲片结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种永磁伺服电机的转子冲片结构，包括转子冲片本体，转子冲片本体的圆周面设有永磁体槽，永磁体槽内嵌放永磁体；永磁体槽上方的转子冲片本体外径与定子内圆不同心；永磁体槽上方的转子冲片本体上设有平行排布的隔磁孔，永磁体槽下方的转子冲片本体上设有轴向冷却通道。永磁体槽在径向上分层布置，相邻层永磁体槽之间设有隔磁槽，隔磁槽与永磁体槽之间设有隔磁桥。本发明通过改善转子冲片结构，控制磁场走向，降低交、直轴磁路耦合导致的电机参数非线性影响，充分利用转子冲片空间放置尽多的永磁体，提升永磁伺服电机的抗退磁能力和过载能力，有效提高了永磁伺服电机运行性能。
Description
技术领域
本发明涉及高性能永磁伺服电机设计技术领域，特别涉及具有精密位置、转速等控制要求的永磁伺服电机的转子冲片结构。
背景技术
随着高性能永磁材料制造技术、电力电子控制技术、微电子器件开发技术的飞速发展以及矢量控制理论、直接转矩控制理论等研究的不断深入，永磁伺服控制系统得到了快速发展。作为伺服控制系统执行单元，永磁同步电机克服了电励磁直流伺服电机机械式换向器和电刷带来的一系列限制，具有调速性能优越、结构简单、运行可靠、体积小、重量轻、功率密度高、过载能力强等优点，在高性能、高精度的运动控制领域得到越来越广泛的应用。
虽然永磁伺服电机的定子结构和制造工艺与普通永磁同步电机以及异步电动机相似，但在转子电气设计和结构设计上考虑的着重点不一样，永磁伺服电机对电动势谐波、齿槽转矩、转动惯量等要求更高。一般中低速的永磁伺服电机转子多采用永磁体表面粘贴式结构，在高速运转中可能发生永磁体被甩出的危险，所以在中高速伺服电机中，永磁体一般是内嵌在转子铁芯内。永磁体槽的宽度形状一般都是一致的，由于转子冲片外圆与定子内圆同心，这将会使电机的气隙内产生大量影响性能的谐波，增加电机的损耗；而且受冲片尺寸约束，永磁体的用量受到限制，将对电机的功率密度带来不良影响。综上所述，可见转子磁路结构是永磁伺服电机的关键技术所在，转子磁路结构不同，电机的运行性能、制造工艺和适用场合也不相同。因此提高永磁伺服电机的性能，应重点考虑电机的转子冲片磁路设计。
申请号为200610024831.8的中国专利，提供了一种高效永磁同步电机的转子冲片结构，但此结构在转子铁芯上设置有起动笼，电机虽然具有了自起动能力，但增加了电机的转子重量，因此主要适用于自起动的永磁电机，而不适用于对转动惯量要求较高的永磁伺服电机。申请号为200720031138.3的中国专利，提供了一种永磁交流伺服电动机永磁转子结构，但该结构只在转子铁芯上设置有嵌放永磁体的方槽，没有考虑磁路结构对空载反电动势和电机交、直轴电抗参数的影响，导致气隙内磁场为梯形分布，因此并不能很好提高永磁伺服电机的动态响应特性。申请号为201010175463.3的中国专利，提供了一种冲片磁极永磁电机转子，但该方案只是单纯考虑了冲制定子片后留下的内圆片冲制转子片，而并没有考虑改进冲片结构提升伺服电机的性能。申请号为201110203831.5的中国专利，提供了一种表贴式永磁电机及其内转子和冲片，此方案只适用于表贴式转子结构，并不适用于内置式永磁伺服电机转子。申请号为201210081738.6的中国专利，提供了一种新型永磁电机的转子冲片结构，但该方案在转子铁芯上设置有起动笼，考虑重点是提高永磁体产生的气隙主磁场的强度，缩小电机的体积，并不适用于对起动、调速、刹车等响应时间要求较高的伺服电机。申请号为201210419454.3的中国专利，提供了一种内置式永磁电机转子冲片及内置式永磁电机转子，该方案的转子磁路结构能有效避免隔磁磁桥处的漏磁，因而使得同样用量的永磁体产生的气隙磁场强度要更大，降低了制造成本，但其磁路结构依然不能很好地解决空载相正弦反电动势问题，特别是交轴电枢反应磁场对直轴磁路影响没有考虑，会降低高速运行时电机的运行性能。申请号为201220079850.1的中国专利，提供了一种永磁辅助同步磁阻电机，该方案的转子磁路结构设置多层永磁体槽和多层磁体，能充分利用磁阻转矩，但是对于气隙磁密没有优化，其转子冲片结构为圆整型，导致其反电动势波形不会是标准正弦，不利于正弦波驱动控制器的有效控制。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能提高永磁伺服电机的工作效能、运行可靠性及安全性的转子冲片结构。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种永磁伺服电机的转子冲片结构，包括转子冲片本体，其特征在于：所述转子冲片本体的圆周面设有永磁体槽，永磁体槽内嵌放永磁体；永磁体槽上方的转子冲片本体外径与定子内圆不同心；永磁体槽上方的转子冲片本体上设有平行排布的隔磁孔，永磁体槽下方的转子冲片本体上设有轴向冷却通道。
优选地，所述转子冲片本体具有不规则外圆形，铁芯叠压后形成凸极极靴结构；所述永磁体槽设于凸极极靴结构上。
优选地，所述永磁体槽为单层结构。
优选地，所述永磁体槽为至少两层结构。
优选地，相邻层所述永磁体槽之间设有隔磁槽，隔磁槽与所述永磁体槽之间设有隔磁桥。
优选地，所述永磁体槽为内置“一”字型、“V”型、“U”型或“W”型。
优选地，所述永磁体槽上方的转子冲片本体外径与定子内圆之间形成凸极偏心结构。
优选地，所述永磁体槽的个数为2n，n为整数，且2≤n≤5。
优选地，所述轴向冷却通道设于转子轭部。
本发明提供的转子冲片在不规则外圆上形成凸极极靴结构，能削弱谐波，有效抑制转矩脉动，提高动态响应特性和电机运行平稳性；凸起极靴部分开有隔磁孔，可以增大交轴磁路磁阻，削弱交轴电枢反应对气隙磁场的影响，改善磁路交叉耦合作用，并能起到通风作用；永磁体在径向上分层布置，能有效解决永磁体放置空间不足问题，且具备了较强的抗退磁能力；转子轭部开有不规则轴向冷却通道，不仅减轻了转子铁心重量，而且起到了冷却通道的作用。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、电机的转子外圆与定子内圆形成不均匀气隙，这种结构能有效降低气隙磁密中谐波含量，使电机反电动势波形得到优化，明显减少电机中的附加杂散损耗，提高电机的工作效能。隔磁孔结构能减少交轴磁场对直轴磁路饱和的影响，降低交、直轴磁场交叉耦合，提高电机高速运行时可靠性。
2、减小了电机的齿槽转矩，使转矩脉动率减低，电机运行更加平稳；由于在转子冲片上去除多余材料，使转子转动惯量较小，启动更加迅速，提升了动态响应性能。
3、使电机转子有了轴向风道，能有效降低电机温升，保证永磁体工作在可靠温度内，使电机运行安全系数更高。
4、可以在磁化方向上设置多层永磁体，提高永磁体的抗退磁能力，并提升电机的过载能力。
附图说明
图1为本发明提供的永磁伺服电机的转子冲片结构示意图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以一优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
图1为本发明提供的一种用于永磁伺服电机的转子冲片结构示意图，永磁伺服电机的转子冲片结构包括转子冲片本体，转子冲片本体上设有数量不等的永磁体槽5、永磁体2、隔磁孔1、隔磁槽3和轴向冷却通道4等。
转子冲片本体的圆周面设置有永磁体槽5，永磁体2固定放置于永磁体槽5内，并用压板在轴向固定。永磁体槽5可以是内置“一”字型，也可以是内置“V”型、“U”型或“W”型(图1所示为“一”字型)，具体方式可根据永磁体2尺寸和冲片尺寸进行确定。
永磁体槽5上方的转子冲片本体外径与定子内圆不同心，是凸极偏心结构。其外径尺寸和其偏心尺寸可根据极弧系数、齿槽转矩情况进行确定。
永磁体槽5上方的转子冲片本体上设置有一定数量平行排布的隔磁孔1，隔磁孔1可以是椭圆形，由中心向两边尺寸减小。永磁体槽5下方的转子冲片本体上设置有一定数量、一定形状的轴向冷却通道4。
永磁体槽5在径向上可以是单层，也可以是双层、三层等多层结构(图1所示为双层结构)，在永磁体槽5层与层之间，设置有隔磁槽3，并可起到轴向通风作用。隔磁槽3可以是矩形、椭圆形等。
隔磁槽3与永磁体槽5之间、隔磁孔1与永磁体槽5之间需保留较窄的隔磁桥。永磁体槽5与冲片外圆、永磁体槽5与隔磁孔1等形成的隔磁桥可以是窄矩形结构，也可以是窄倒弧形结构，其主要目的是增强磁路磁阻，并降低永磁体2漏磁，以提升永磁体2利用率。
从图1可以看出，交轴磁路路径被隔磁孔1和隔磁槽3隔断，由于隔磁槽3、隔磁孔1与永磁体槽5形成的隔磁桥非常狭窄，导致此处磁密非常饱和，基本避免了直、交轴磁路交叉耦合现象，这种磁路设计能充分降低电枢反应磁场导致的电抗参数的非线性变化。在凸起极靴部分，其形状经尺寸优化和不同心设计，能改善气隙磁场的波形分布，降低电动势波形畸变率。在转子轭部磁密度较低处，开有不规则的轴向冷却通道4，可起到良好冷却风道效果，降低电机的温升，提高电机的过载能力和运行可靠性。
综上所述，本发明通过改善转子冲片结构，控制磁场走向，降低交、直轴磁路耦合导致的电机参数非线性影响，充分利用转子冲片空间放置尽多的永磁体，提升永磁伺服电机的抗退磁能力和过载能力，有效提高了永磁伺服电机运行性能。
上述只是本发明的例示，并非对本发明做任何形式和结构上的限制。虽然本发明已以较佳的结构件图标示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可以利用上述揭示的技术内容和说明做出多种可能的变动。因此凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上例示所做的任何简单修改、等同变化等，均应落在本发明技术方案保护范围内。
Claims (9)
1.一种永磁伺服电机的转子冲片结构，包括转子冲片本体，其特征在于：所述转子冲片本体的圆周面设有永磁体槽(5)，永磁体槽(5)内嵌放永磁体(2)；永磁体槽(5)上方的转子冲片本体外径与定子内圆不同心；永磁体槽(5)上方的转子冲片本体上设有平行排布的隔磁孔(1)，永磁体槽(5)下方的转子冲片本体上设有轴向冷却通道(4)。
2.如权利要求1所述的一种永磁伺服电机的转子冲片结构，其特征在于：所述转子冲片本体具有不规则外圆形，铁芯叠压后形成凸极极靴结构；所述永磁体槽(5)设于凸极极靴结构上。
3.如权利要求1或2所述的一种永磁伺服电机的转子冲片结构，其特征在于：所述永磁体槽(5)为单层结构。
4.如权利要求1或2所述的一种永磁伺服电机的转子冲片结构，其特征在于：所述永磁体槽(5)为至少两层结构。
5.如权利要求4所述的一种永磁伺服电机的转子冲片结构，其特征在于：相邻层所述永磁体槽(5)之间设有隔磁槽(3)，隔磁槽(3)与所述永磁体槽(5)之间设有隔磁桥。
6.如权利要求1或2所述的一种永磁伺服电机的转子冲片结构，其特征在于：所述永磁体槽(5)为内置“一”字型、“V”型、“U”型或“W”型。
7.如权利要求1或2所述的一种永磁伺服电机的转子冲片结构，其特征在于：所述永磁体槽(5)上方的转子冲片本体外径与定子内圆之间形成凸极偏心结构。
8.如权利要求1或2所述的一种永磁伺服电机的转子冲片结构，其特征在于：所述永磁体槽(5)的个数为2n，n为整数，且2≤n≤5。
9.如权利要求1所述的一种永磁伺服电机的转子冲片结构，其特征在于：所述轴向冷却通道(4)设于转子轭部。
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