CN1078019C - 采用永磁体的无刷直流电机 - Google Patents

Abstract

一种无刷直流电机包括一个定子(100)，该定子具有一个安装有三相电枢绕组(U，U’，V，V’，W，W’)的定子铁芯(400)，和一个转子(2000)，具有一个永磁体的该转子转动地安装在定子(1000)中，其特征在于形成永磁体的极数是14，定子铁芯(400)的槽数是12，三相电枢绕组(U，U’，V，V’W，W’)通过密集绕组系统安装在这些槽(20-1至20-14)中。

Description

采用永磁体的无刷直流电机

本发明涉及一种无刷直流电机，用于工业机器人或机床中，包括一个定子和一个转子，该定子具有一安装三相电枢绕组的定子铁芯，该转子转动地设置在定子中，并具有一个作为磁极的永磁体。

首先，定义本说明书中所使用的术语。

“槽”是电机电枢铁芯的开槽部分。电枢绕组设置在槽中。

“每极每相槽数q”由电枢槽数N除以电机的相数m和电机的极数p而得。即，

P＝N/(m·p)＝a＋(b/c)

其中，a，b，c是整数，(b/c)是不可约的分数。

“槽绕组的整数”为“每极每相槽数q”是整数时的匝数。

“槽绕组的分数”为“每极每相槽数q”是分数时的匝数。

“密集绕组系统(concentrated winding system)”为在一个槽中缠绕多匝线圈的一种系统，即，将一个相区的线圈绕在定子铁芯齿部的系统。当建立起三相电关系时，在三相电机的情况下，电机的齿数是3的倍数。密集绕组系统适于通过使用绕线机器来进行自动绕线，将线圈绕在铁芯上。

“绕组系数”是输出Pout(输出比率)的值，假设输出值Pmax在绕组的配置和结构获得最大输出时为1.0。

所以，Pout是

Pout＝(比例常数)·ω·k_w·N·I·Φg

其中ω是转速(弧度/s)，k_w是绕组系数(0≤kw≤1)，N是绕组数，I是电流(A)，Φg是主磁通量(Wb)。

“齿槽转矩(cogging torque)”是发生在很低转速情况下的电机的转矩波动，它是由于转子或转子的位置与定子齿的对齐所造成磁通的改变而引起的。

“齿槽转矩波动度”是发生在转子的一转期间的转矩波动(齿槽转矩)的周期。

图1是一个传统的无刷直流电机实例的剖视图。图1所示的无刷直流电机包括一个定子100，和一个转动地设置在该定子中的转子200。在图1中，定子100包括一个形成有16个槽10-1至10-16的定子铁芯1，三相电枢绕组4至9(U，V，W，U′，V′，W′)设置在定子铁芯1的槽10-1至10-16中。转子200包括一个转子铁芯3，一个组成磁极的永磁体2(2-1至2-6)设置在转子铁芯3的外表面。图1所示的实例中，形成磁极的永磁体2的极数为6。即，在图1所示的实施例中，转子铁芯3包括具有6个极的永磁体2，定子100包括设置在具有18个槽的定子铁芯1中的三相电枢绕组4至9(U，V，W，U′，V′，W′)。

同时，三相电枢绕组U′表示电流方向与三相电枢绕组U相反，类似地，三相电枢绕组V′，W′表示电流方向与三相电枢绕组V，W相反，U相带绕组(phase band winding)由4表示，V相带绕组由5表示，W相带绕组由6表示，U′相带绕组由7表示，V′相带绕组由8表示，W′相带绕组由9表示。图1中电机的每极每相槽数q＝18/(3×6)＝1.0。

这种电机绕组系统是迭绕组，其每极每相槽数是整数1.0(18槽/3相/6极)。这个系统适用于其它极数的电机，因为最高能量密度在限制转子外径的情况下得以实现。

当每极每相槽数在超过1.0＞q＞0.5的范围时，采用如日本专利申请公开No.7-99923所公开或与其类似的绕组系统。图2表示采用如日本专利申请公开No.7-99923所公开的绕组系统的电机的剖视图。图2所示的实例是最典型的具有8个极的电机的例子。图2中电机的每极每相槽数q是q＝15/(3×8)＝5/8。

图2所示的无刷直流电机包括一个定子100′，和一个转动地设置在定子100′的转子200′。在图2中，定子100′包括一个形成有15个槽10′-1至10′-15的定子铁芯1′，三相电枢绕组4至9(U，V，W，U′，V′，W′)设置在定子铁芯1′的槽10′-1至10′-15中。转子200′包括一个转子铁芯3′，一个组成磁极的永磁体2′(2′- 1至2′-8)，设置在转子铁芯3′的外表面上。在图1的例子中，形成磁极的永磁体2′的极数为8。

另一方面，为了低成本地制造体积小、输出高的无刷直流电机，需要有一个大能量密度E_dc，E_dc是电机容量与输出之比，减少设置电枢绕组的槽数以简化电机结构，采用高工效的绕线方式。

图3表示一种无刷直流电机的能量密度E_dc的值，其中转子外径和绕组系统是相同的，定子铁芯的磁通密度、电枢绕组的电流密度和其它电磁特性基本相同，而设置在定子铁芯中的极数改变了。

如图3所示，为了提高能量密度E_dc，需要增加电机的极数。

现有技术有以下的问题。首先，在图3中，在能量密度E_dc和极数之间的关系中，为获得体积小和输出高的电机，需要多极数。

然而，当增加极数而额定转速N(rpm)保持恒定时，电频率与板数P成比例。因此，由电枢感应La(H)造成的电压降部分的电压(其值与输入电压成比例)Vin(V)可由驱动放大器输入电机，即，

2πN/60·P/2·La·I    (V)增加。所以需要采用这样的电机设计，将电流I(A)提高一个从一定数目或更多的磁极降低的主磁通Φg(Wb)的部分，以保持输出转矩π(Nm)。结果，驱动放大器的电流容量增加，系统的成本相对较高。

其次，可由驱动放大器输入电机的电压Vin为，

Vin≥【(Ra·I＋K1·Φg·N)²＋(2πN/60·P/2·La·I)²】^1/2    (1)

输出转矩τ是

τ＝K₂·Φg·I    (2)

其中Ra是电枢绕组阻抗(Ω)，K1是与感应电压(W/Wb/rpm)相关的系数，K2是与转矩(Nm/Wb/A)相关的系数。

在这种情况下，当槽数是一个每极每相槽数q＞1.0的分数槽绕组，或一个1.0＞q＞0.5的迭绕组时，可获得一个较好的感应电压波形，并且转矩波动和其它电机特性也较好，但由于受到了增加极数而使槽数增加或电枢绕组复杂性的影响，电机的生产率降低，电机成本增大。

或者，由于采用每极每相槽数q＝1.0，为获得一个较好的感应电压波形，必须采取另外的措施，例如定子或永磁体上的斜槽，或者使永磁体的边缘变薄，这些都进一步增加了成本。

进而，在每极每相槽数q＝0.5的情况下，虽然这是个有效的措施，与能量密度成比例关系的绕组系数是0.866，并且与图2中传统电机的绕组系数0.954相比，大约小10％，因此它比相同极数的电机略大，这是一个缺点。

通常，通过采用每极每相槽数q＜0.5，由于减少了槽数，可提高生产效率，但随着槽数的减少，定子侧的齿和转子侧的永磁体之间的引力变化增大，齿槽转矩变大。所以，如图4A和4B所示的齿槽转矩抑制措施，需要减小永磁体部件边缘的厚度，或者使定子或永磁体斜槽。这样成本就增加了。

图4A表示一个传统的具有齿槽转矩抑制措施的8极9槽电机的转矩特性，图4B表示同一电机的一个永磁体的剖面形状。通过减小永磁体部件边缘的厚度，齿槽转矩Tcog变成28g.cm。图4A和图4B所示的8极9槽电机采用一个8极9槽q＝3/8的偏心磁体，额定转矩Trate是1.5kg.cm。此外，Tcog/Trate×100＝1.9％。这里，θ是用作磁极的永磁体部件的每极的角度。

与图4A和图4B所示的齿槽转矩抑制措施的例子相比较，图5A表示没有齿槽转矩抵销措施的传统的8极9槽电机的转矩特性，图5B表示电机的一个永磁体部件的剖面形状。永磁体部件的边缘不象图4B中的那样薄。齿槽转矩Tcog是54g.cm。在图5A和图5B所示的8极9槽电机中，采用8极9槽q＝3/8的同心磁体，额定转矩Trate是1.5kg.cm。另外，Tcog/Trate×100＝3.6％。这里，θ是用作磁极的永磁体部件的每极的角度。

因此，本发明的一个目的是提供一种无刷直流电机，可具备良好的电机特性而不增加成本。

为解决上述问题，本发明的无刷直流电机的构成如下。即，该无刷直流电机包括一个定子，该定子具有形成有安装三相电枢绕组的槽的定子铁芯，和一个转动地设置在定子中的转子，该转子具有磁极和转子铁芯。

其中转子的极数是14，由一永磁体构成，

定子铁芯的槽数是12。

在定子铁芯的12个槽中，三相电枢绕组以密集绕组系统安装。

进而，构成转子磁极的永磁体由14个相同厚度的永磁体部件所组成，以N极和S极交替地以环状安装在转子铁芯中。

与现有技术相比，本发明无刷直流电机具有下述优点。根据本发明，通过采用带有14个磁极的多极结构，增大了能量密度，减小了电机体积，实现了高输出的无刷直流电机；通过使槽数为12，没有齿槽转矩措施所造成的缺点，电机的特性优越，并且通过采用体积小和绕线工作效能卓越及可大规模生产的密集绕组系统，可实现成本的降低。

本发明的其它目的和优点可在下面的描述中进行阐述，并且从描述中部分地得以体现，或者可从本发明的实施中体会。本发明的目的和优点可通过特别是下文所指出的手段和组合而得以认识和获得。

所附带的附图构成了一部分详细说明，并图示了本发明现有的优选实施例，与上文的概述和下文优选实施例的描述一起，用于解释本发明的原理。

图1是一个传统的6极18槽电机的正剖视图。

图2是一个传统的8极15槽电机的正剖视图。

图3是一个图表，表示极数和能量密度之间的关系。

图4A和图4B是示意图，表示一个具有齿槽转矩抑制措施的8极9槽电机的例子。

图5A和图5B是示意图，表示一个没有齿槽转矩抑制措施的8极9槽电机的例子。

图6为本发明第一实施例的电机的正剖视图。

图7A和图7B是图表，表示在相同转矩下极数和电机的电流之间的关系。

图8A和图8B是示意图，表示本发明第一实施例的电机中的齿槽转矩特性和永磁体部件的剖面形状。

如图6所示，本发明一个实施例的无刷直流电机包括一个定子1000，该定子具有带有12个槽的定子铁芯400，和一个转子2000，该转子具有一个转子铁芯300和作为磁极并有14个极的永磁体20-1至20-14。定子铁芯400包括12个齿30-1至30-12和12个槽40-1至40-12。在定子铁芯400的槽40-1至40-12中，三相电枢绕组U，V，W，U′，V′，W′间隔电角度120度相位来安装。

同时，三相电枢绕组U′表示绕组的方向与三相电枢绕组U相反，即电流方向是反的，类似地，三相电枢绕组V′，W′表示绕组方向与三相电枢绕组V，W相反，即，电流方向是反的，并且U相带绕组由4表示，V相带绕组由5表示，W相带绕组由6表示，U′相带绕组由7表示，V′相带绕组由8表示，W′相带绕组由9表示。

在该实施例的无刷直流电机中，当电枢槽数N＝12，电机的相数m＝3，电机的极数p＝14时，“每极每相槽数q”是

q＝N/(m·p)＝12/(3×14)＝2/7

在图7A中，将电机的极数作为参数，通过设计额定输出为37kw，1000rpm的电机，表达了额定电流和电机的极数之间的关系。当然，不考虑额定输出，图7A的结果可应用于其它输出。

图7B表示电机的极数和电流标准值之间的关系，在当图7A中电机的极数是8时电流(81.4A)的参考值(1.0)下。

图8A表示额定输出为5.0kW，3000rpm的电机通过一个外部驱动装置低速运行时输出转矩的测量结果。图8B表示在此情况下的永磁体部件的剖面形状。

(电机的极数为14的原因)

不论电机的极数如何，电机的效率基本不变。多极数的好处是通过减少所用的永磁体的数目来降低成本。另外，多极数的缺点是绕组复杂并且降低驱动器控制性能。

为抑制电机传动中的馈电电流，磁极的数目最好为14或更少。即，根据图7B中表示在相同转矩下电机的极数和电流之间关系的结果，考虑到用于增加电机的能量密度E_dc的多极和驱动放大器的电流容量的增加之间的关系，因为电流升高较小而采用极数为14的电机。

(槽数为12的原因)

与能量密度E_dc成比例关系的绕组系数可在每个槽中获得。在每极每相槽数q＜0.5的范围，如表1所示，12个槽中的绕组系数最高，因此可获得体积小、生产效率高的电机。

表1

绕组系数	槽数	极数	绕组系统
				0.933	12	14	密集绕组
0.717	9	14	密集绕组
				0.75	6	14	密集绕组

在这个表中，因为是三相电机，在密集绕组系统的情况下，槽数是3的倍数。

(本发明的操作)

通过将安装在转子铁芯300中的永磁体20-1至20-14的极数设置为14，将槽数设置为12，从而三相电枢绕组U，V，W，U′，V′，W′通过上述的密集绕组系统安装在定子铁芯400中，就可获得下面的效果。

(1)与现有技术相比，通过带有14个磁极的多极结构，增大了能量密度E_dc，电机体积减小了10-15％。

(2)与现有技术相比，在相同的去磁阻抗下，用于组成磁极的永磁体的数量可节约30-40％，并可降低成本。

(3)通过多极结构，驱动放大器的电流容量与现有技术相同，用于驱动放大器中的半导体功率元件与现有技术相同。

(4)槽数是12，每极每相槽数q是2/7(q＜0.5或更小)，但没有例如图8A和图8B所示使永磁体的边缘变薄或使定子或永磁体带斜槽(skew)等齿槽转矩措施(cogging torque measure)，本发明电机的齿槽转矩等同于图4A，图4B，图5A和图5B所示的传统电机的性能。

(5)本发明电机的绕组系数0.933等于传统电机的系数，所以，在高能量密度和槽减少的情况下，绕线工作可由自动机械进行，即，可采用密集绕组系统。

(6)由于每极每相槽数q＝2/7，本发明的电机与q＝2的多槽电机具有相同的绕组分布效果，因此感应电压波形与传统电机相同，形成一个正弦波形。所以，可实现所需的伺服电机输出转矩的稳定性。

(7)由12个槽和14个极的最小公倍数所决定的齿槽转矩波动度(rippledegree)是84，因此电机的旋转波动可很容易地设定在机械系统响应频率的有效范围之外。

(8)由于槽数是一个偶数，与奇数槽的情况相比，由转子的偏心、组装的精度、轴承的松动、加工精度的波动、永磁体的磁化状态或布置精度所引起的电机中磁路的不平衡力不会在结构上产生。

这就是本发明的构造，它产生的效果如下。首先，可生产小体积，高输出和低成本的无刷直流电机。

在本发明中，作为图7A和图7B的结果，考虑到增大电机能量密度的多极结构和驱动放大器电流容量增加之间的关系，通过采用电流增加很小的极数14，在不改变驱动放大器容量的情况下，获得了最高能量密度的电机。

还有，采用槽数为12(每极每相槽数q＝2/7，q＜0.5)，没有齿槽转矩措施所造成的缺点(特别是使永磁体的边缘变薄，或使定子或永磁体带斜槽)，电机的特性优越，并且通过采用体积小和绕线工作效能卓越及可大规模生产的密集绕组系统，可实现成本的降低。

本领域技术人员还可认识到其它的优点和修改。所以，本发明在更广泛的方面并不局限于本文的详细描述和代表性的实施例。因此，不脱离本发明的实质或范围，还可以作出各种修改。

Claims (3)

1.一种无刷直流电机，包括一个定子(1000)，该定子具有一个形成有槽(40-1至40-12)以安装三相电枢绕组(U，U′，V，V′，W，W′)的定子铁芯(400)，以及一个转动地设置在定子(1000)中的转子(2000)，该转子具有磁极(20-1至20-14)和转子铁芯(300)，

其特征在于，由永磁体形成的极数(20-1至20-14)为14，

所述定子铁芯的槽数(40-1至40-12)为12。

2.根据权利要求1所述的无刷直流电机，其特征在于，所述三相电枢绕组(U，U′，V，V′，W，W′)通过密集绕组系统安装在所述定子铁芯(400)的12个槽中。

3.根据权利要求1所述的无刷直流电机，其特征在于，构成所述转子(2000)的磁极(20-1至20-14)的永磁体由14个相同厚度的永磁体部件所组成，14个永磁体部件以N极和S极呈环状地交替安装在转子铁芯(300)中。

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