CN106787287B - 电机齿槽转矩优化方法、电机结构及电机 - Google Patents

电机齿槽转矩优化方法、电机结构及电机 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种电机齿槽转矩优化方法、电机结构及电机。其中，该电机齿槽转矩优化方法包括：获得在某一定子铁芯圆半径R下不同定子槽圆半径下的多个齿槽转矩；确定所述多个齿槽转矩中的最小值所对应的那个定子槽圆半径r；确定所述那个定子槽圆半径与所述定子铁芯圆半径之间的比例关系；根据所述比例关系确定电机的定子结构。本发明在设计电机时，可根据该比例关系确定定子结构，从而显著降低电机的齿槽转矩，使电机定位精度和响应速度得到大幅提升，可适用于各种伺服电机的设计当中。

Description

电机齿槽转矩优化方法、电机结构及电机
技术领域
本发明涉及电机技术领域，特别涉及一种电机齿槽转矩优化方法、电机结构及电机。
背景技术
齿槽转矩是衡量伺服电机性能的关键指标之一，齿槽转矩过大会引发电机旋转时轴伸端输出力矩的不均匀，影响位置控制精度。伺服电机由于其多应用与机器人、精密加工设备等，对其位置定位的精确度、控制响应速度都有极严格的要求。因此，伺服电机设计的重点之一便是尽量消减齿槽转矩。
现有技术中的降低齿槽转矩的方法多集中于改进转子结构，但是，对通过改进定子结构来降低齿槽转矩的研究并不多。进一步地，由于现有技术中的伺服电机转子结构，多采用磁环或表贴式磁瓦，磁环受到自身形状的限制，无法对偏心距进行有效调整，因此齿槽转矩的降低效果有限。
发明内容
本发明提供了一种电机齿槽转矩优化方法、电机结构及电机，以解决现有技术中通过转子结构的改进来降低齿槽转矩时，齿槽转矩降低效果差的问题。
为解决上述问题，作为本发明的一个方面，提供了一种电机齿槽转矩优化方法，包括：获得在某一定子铁芯圆半径R下不同定子槽圆半径下的多个齿槽转矩；确定所述多个齿槽转矩中的最小值所对应的那个定子槽圆半径r；确定所述那个定子槽圆半径与所述定子铁芯圆半径之间的比例关系；根据所述比例关系确定电机的定子结构。
优选地，所述方法还包括验证步骤：在使靴部投影高度A与齿部投影高度B在满足A+B＝r的情况下，改变所述靴部投影高度A与齿部投影高度B的大小，从而获得多个验证转矩，其中，所述靴部投影高度A是指定子铁芯靴部在定子槽圆中心线上的投影高度，所述齿部投影高度B是指定子齿部在定子槽圆中心线上的投影高度；如果所述多个验证转矩均在允许范围内，则将所述最小值所对应的那个定子槽圆半径用于确定所述比例关系。
优选地，所述靴部投影高度A与齿部投影高度B满足A+B＝24mm。
优选地，所述方法还包括：将转子永磁体的偏心距取最大值。
优选地，所述方法还包括：在转子永磁体的偏心距取最大值时，转子永磁体的极弧系数大于或等于0.9。
优选地，所述比例关系为r＝0.8R。
本发明还提供了一种电机结构，包括定子铁芯，定子铁芯的周向设置有多个定子槽，定子槽圆半径r与定子铁芯圆半径R之间的比例关系通过上述的方法确定。
优选地，所述比例关系为r＝0.8R。
优选地，定子铁芯圆半径为30mm，定子槽圆半径为24mm。
优选地，电机结构还包括与定子铁芯配合的转子永磁体，转子永磁体的偏心距为21mm、外径为64mm。
优选地，转子永磁体的厚度为5mm。
优选地，所述转子永磁体的极弧系数大于或等于0.9。
本发明还提供了一种电机，包括上述的电机结构。
本发明在设计电机时，可根据该比例关系确定定子结构，从而显著降低电机的齿槽转矩，使电机定位精度和响应速度得到大幅提升，可适用于各种伺服电机的设计当中。
附图说明
图1示意性地示出了本发明中的电子铁芯的结构示意图；
图2示意性地示出了本发明中的转子永磁体的结构示意图；
图3示意性地示出了定子槽圆的结构示意图；
图4示意性地示出了齿槽转矩平均值与偏心距之间的关系曲线。
图中附图标记：1、定子铁芯；2、定子槽；3、转子永磁体。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
请参考图1至图4，本发明中的电机齿槽转矩优化方法包括以下步骤：
首先，在定子铁芯圆半径R确定的情况下，不断地改变定子槽圆半径的值，从而通过仿真(例如，有限元仿真等)等手段(当然，也可采用实测的方式)获得在该定子铁芯圆半径R下，不同的定子槽圆半径下的多个齿槽转矩。
接着，从所述多个齿槽转矩中找出最小的那个齿槽转矩，从而确定出所述多个齿槽转矩中的最小值所对应的那个定子槽圆半径r。也就是说，在此定子槽圆半径r下，能够获得最小的齿槽转矩。
这样，便可根据定子铁芯圆半径R、以及与所述最小值所对应的那个定子槽圆半径r，确定出所述那个定子槽圆半径与所述定子铁芯圆半径之间的比例关系，从而根据所述比例关系确定电机的定子结构。
其中，定子槽圆半径r是指在中心线与定子内圆交点至中心线与定子槽顶部轮廓线交点间的距离；定子铁芯圆半径R指中心线与定子内圆交点至中心线与定子外圆交点间的距离。
由于采用了上述技术方案，本发明在设计电机时，可根据该比例关系确定定子结构，从而显著降低电机的齿槽转矩，使电机定位精度和响应速度得到大幅提升，可适用于各种伺服电机的设计当中。
为了提高优化的准确性，本发明还可包括一个验证步骤，以验证上述比例关系是否恰当。具体地说，当得到该最小值对应的定子槽圆半径后，通过以下公式对定子槽圆半径r进行表达：
r＝A+B
其中，A为靴部投影高度，指定子铁芯靴部在定子槽圆中心线上的投影高度；B为齿部投影高度，指定子齿部在定子槽圆中心线上的投影高度。
验证时，在满足A+B＝r的情况下，不断地改变所述靴部投影高度A与齿部投影高度B的大小，从而获得多个验证转矩。然后，判断这些验证转矩是否均在允许范围内，如果是，则将所述最小值所对应的那个定子槽圆半径用于确定所述比例关系。
为了进一步降低电机齿槽转矩，本发明还对转子进行了优化设计。例如，在转子设计时，将转子永磁体的偏心距取最大值，这样可以进一步降低电机齿槽转矩。采用这种方式，特别适合于表贴式转子伺服电机优化设计。这样，在同时满足上述比例关系、及转子永磁体的偏心距取极大值的情况下，可将齿槽转矩降至最低。
极弧系数是另外一个可能影响电机齿槽转矩的参数，其可理解为转子表面外圆永磁体所占的比例。为此，发明人发现在其他因素变化时，齿槽转矩仍会随着转子永磁体的偏心距的增大而减小，并几乎不受到极弧系数变化的影响。但是，为了达到最优的降低电机齿槽转矩的目的，本发明在转子永磁体的偏心距取最大值时，转子永磁体的极弧系数大于或等于0.9。在转子永磁体的偏心距取最大值时，转子永磁体3的偏心距可以为21mm、外径可以为64mm。
本发明还提供了一种电机结构，包括定子铁芯1，定子铁芯1的周向设置有多个定子槽2，定子槽圆半径r与定子铁芯圆半径R之间的比例关系通过上述的方法确定，因此，与上述方法重复之处在此不再赘述。优选地，该比例关系为r＝0.8R。优选地，定子铁芯圆半径为30mm，定子槽圆半径为24mm。
由于采用了上述技术方案，本发明在设计电机时，可根据该比例关系确定定子结构，从而显著降低电机的齿槽转矩，使电机定位精度和响应速度得到大幅提升，可适用于各种伺服电机的设计当中。
优选地，转子永磁体3的厚度为5mm。优选地，所述转子永磁体的极弧系数大于或等于0.9。
本发明还提供了一种电机，包括上述的电机结构。
在一个实施例中，当定子铁芯圆半径R＝30时，若比例关系确定为r＝0.8R，那么靴部投影高度A与齿部投影高度B满足A+B＝24mm。下面，就根据此实施例，对本发明中的方法进行详细地示例性说明。
首先，使用有限元分析软件，将电机槽高度设置为参数组合A/B，通过改变参数的数值来改变槽圆半径与铁芯圆半径的比值。对多组参数进行扫描，分别记录各参数下齿槽转矩数值。
表1扫描参数A\B得到的齿槽转矩仿真结果
槽尺寸A\槽尺寸B 10 15 20 25
1 1604 416 567 5
2 405
3 1006
4 2.88
5 4.8
6 5
根据表1可知，当A＝4且B＝20时，即A+B＝24mm＝r时，电机齿槽转矩2.88为最小值，此时比例关系确定为r＝0.8R。
为了验证结论的重复性，继续改变A和B数值，并使A+B＝24mm保持不变，进行仿真的结果如下：
表2保持A+B＝24mm时得到的齿槽转矩仿真结果
槽尺寸A\槽尺寸B 23 22 21 20 19
1 3.11
2 3.1
3 2.98
4 2.9
5 2.8
此时r值不变，但定子槽的形状在改变，电机齿槽转矩在2.8-3.11之间变化，基本保持在一个较小的允许范围内(可对比表1中其他组合下电机齿槽转矩值)。由于定子槽的形状在变化，而r值保持不变时，齿槽转矩也基本保持不变，因此可得出结论齿槽转矩与r值有关而与槽中靴、齿高度(槽形状)无关。这样，即可验证在保证A+B＝24mm时，改变A与B的不同组合值，得到的电机齿槽转矩仍在2.8-3.11之间，即可确定r＝A+B＝24mm＝0.8R时，伺服电机齿槽转矩最小。
然后，在r＝0.8R条件下，设转子永磁体的偏心距为参数C，对其进行扫描仿真，结果如表3所示。其中，永磁体外表面圆弧的中心点至转子中心点的距离即为永磁体偏心距。
表3不同偏心距C下的仿真齿槽转矩平均值结果
Figure BDA0001161161460000071
图4示意性地示出了齿槽转矩平均值与偏心距之间的关系曲线，其中，图4的纵轴为齿槽转矩平均值，横轴为偏心距C。可见，在定子尺寸设计符合r＝0.8R的条件下，齿槽转矩随着转子永磁体的偏心距的变大而逐渐减小，且当转子永磁体的偏心距取得极限最大值时，齿槽转矩降至最低值。
扫描转子永磁体的偏心距与极弧系数的结果显示最佳转子永磁体的偏心距为C＝21，其为转子外径D＝64时，永磁体厚度为5时所能取得的最大值。可见，在定子铁芯按照r＝0.8R设计时，转子永磁体的偏心距取极大值时，可得到最小齿槽转矩效果。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种电机齿槽转矩优化方法，其特征在于，包括：
获得在某一定子铁芯圆半径R下不同定子槽圆半径下的多个齿槽转矩；
确定所述多个齿槽转矩中的最小值所对应的那个定子槽圆半径r；
确定所述那个定子槽圆半径与所述定子铁芯圆半径之间的比例关系；
根据所述比例关系确定电机的定子结构；
所述定子槽圆半径r是指中心线与定子内圆交点至中心线与定子槽顶部轮廓线交点间的距离；所述定子铁芯圆半径R是指中心线与定子内圆交点至中心线与定子外圆交点间的距离；
所述方法还包括验证步骤：
在使靴部投影高度A与齿部投影高度B在满足A+B=r的情况下，改变所述靴部投影高度A与齿部投影高度B的大小，从而获得多个验证转矩，其中，所述靴部投影高度A是指定子铁芯靴部在定子槽圆中心线上的投影高度，所述齿部投影高度B是指定子齿部在定子槽圆中心线上的投影高度；
如果所述多个验证转矩均在允许范围内，则将所述最小值所对应的那个定子槽圆半径用于确定所述比例关系。
2.根据权利要求1所述的电机齿槽转矩优化方法，其特征在于，所述靴部投影高度A与齿部投影高度B满足A+B=24mm。
3.根据权利要求1所述的电机齿槽转矩优化方法，其特征在于，所述方法还包括：将转子永磁体的偏心距取最大值。
4.根据权利要求3所述的电机齿槽转矩优化方法，其特征在于，所述方法还包括：在转子永磁体的偏心距取最大值时，转子永磁体的极弧系数大于或等于0.9。
5.根据权利要求1所述的电机齿槽转矩优化方法，其特征在于，所述比例关系为r=0.8R。
6.一种电机结构，其特征在于，包括定子铁芯（1），所述定子铁芯（1）的周向设置有多个定子槽（2），所述定子槽圆半径r与所述定子铁芯圆半径R之间的比例关系通过权利要求1至2中任一项所述的方法确定。
7.根据权利要求6所述的电机结构，其特征在于，所述比例关系为r=0.8R。
8.根据权利要求6所述的电机结构，其特征在于，所述定子铁芯圆半径为30mm，所述定子槽圆半径为24mm。
9.根据权利要求8所述的电机结构，其特征在于，所述电机结构还包括与所述定子铁芯（1）配合的转子永磁体（3），所述转子永磁体（3）的偏心距为21mm、外径为64mm。
10.根据权利要求9所述的电机结构，其特征在于，所述转子永磁体（3）的厚度为5mm。
11.根据权利要求9所述的电机结构，其特征在于，所述转子永磁体的极弧系数大于或等于0.9。
12.一种电机，其特征在于，包括权利要求6至11中任一项所述的电机结构。
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