CN109347289A - 高性能永磁同步伺服电机转子内嵌磁路结构 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了高性能永磁同步伺服电机转子内嵌磁路结构，包括转子冲片、设于转子冲片外周的定子冲片、以及设于转子冲片内的磁钢组件，转子冲片与定子冲片之间留有环形的空位，转子冲片包括环形的转子铁芯、设于转子铁芯外周的若干等距间隔设置的孔位，磁钢组件包括设于孔位内的磁钢、设于相邻孔位间的磁隔桥、以及设于磁钢与空位之间的转子铁芯隆起部，磁钢的内侧两端分别设有直角部，所述磁钢的外侧两端分别设有倾斜部，倾斜部与直角部连接处为孔位的留空部，磁隔桥包括设于相邻磁钢的直角部之间第一阶梯部，设于相邻孔位的留空部之间的第二阶梯部。本发明实现永磁同步伺服电机磁路具有可靠性高、功率密度高、宽调速范围、高效率等优点。
Description
技术领域
本发明属于伺服电机技术领域，尤其涉及一种高性能永磁同步伺服电机转子内嵌磁路结构。
背景技术
通用伺服永磁同步电机的磁路多数采用分布式绕组结构，采用了多槽极配合的磁路设计，定子叠片上绕制铜线圈与转子叠片配合，稀土永磁磁钢内表贴于转子叠片上，在外面加上不锈钢套筒的结构，该结构的缺点：效率低、功率密度低、调速范围窄、磁钢温度高。永磁同步伺服电机的使用和应用要求越来越苛刻，在相同的功率因素下，使得永磁同步伺服电机的体积、重量等也须做到小而轻。为了使电机磁路设计性能满足智能装备应用领域，现有的转子表贴结构，满足不了智能装备宽调速范围、高功率密度和高效率的要求。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术问题，而提供一种高性能永磁同步伺服电机转子内嵌磁路结构，从而实现永磁同步伺服电机磁路具有可靠性高、功率密度高、宽调速范围、高效率等优点。为了达到上述目的，本发明技术方案如下：
高性能永磁同步伺服电机转子内嵌磁路结构，包括转子冲片、设于转子冲片外周的定子冲片、以及设于转子冲片内的磁钢组件，所述转子冲片与定子冲片之间留有环形的空位，所述转子冲片包括环形的转子铁芯、设于转子铁芯外周的若干等距间隔设置的孔位，所述磁钢组件包括设于孔位内的磁钢、设于相邻孔位间的磁隔桥、以及设于磁钢与空位之间的转子铁芯隆起部，所述磁钢的内侧两端分别设有直角部，所述磁钢的外侧两端分别设有倾斜部，倾斜部与直角部连接处为孔位的留空部，所述磁隔桥包括设于相邻磁钢的直角部之间第一阶梯部，设于相邻孔位的留空部之间的第二阶梯部，所述磁钢的中部厚度范围为4.3-4.5mm，所述磁钢的两端的张角范围为41-42.5°。
具体的，所述定子冲片内周设有若干等距间隔设置的容置线圈的槽体，各槽体的端部与空位相连通。
具体的，所述直角部与倾斜部之间的夹角范围为115°-117°。
具体的，所述留空部向外延伸出直角部的距离范围为0.7-0.8mm。
具体的，所述直角部的端部至倾斜部的端部的距离范围为0.9-1mm。
具体的，相邻所述第二阶梯部的距离范围为1.5-1.6mm。
具体的，所述转子铁芯隆起部的宽度范围为0.9-1mm。
与现有技术相比，本发明高性能永磁同步伺服电机转子内嵌磁路结构的有益效果主要体现在：
优化转子冲片结构消除电机力矩波动，现有的表贴转子电机消除力矩波动通常采用定子斜槽的方法，该方法存在以下几个问题：定子槽满率会下降5％- 8％；定子下线困难，下线时长会增加30％-50％；电机性能下降5％-15％。本实施例中避免使用定子斜槽。通过采用台阶式的磁隔桥、转子铁芯隆起部、磁钢倾斜部的配合结构，在不牺牲电机性能的前提下降低电机的力矩波动，通过有限元分析计算，电磁部分的力矩波动下降到0.1N.m以下，电机性能提升20％，弱磁控制速度范围增加40％，过载能力从原先的1.7倍提升到2.5倍，优势相当明显。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图；
图2是图1的局部放大结构示意图；
图3是本实施例磁钢的厚度测试图表1；
图4是本实施例磁钢的张角测试图表2；
图中数字表示：
1转子冲片、11空位、2定子冲片、21槽体、3转子铁芯、31孔位、32留空部、4磁钢、41转子铁芯隆起部、42直角部、43倾斜部、5第一阶梯部、51 第二阶梯部。
具体实施方式
下面结合附图将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例：
参照图1-4所示，本实施例是高性能永磁同步伺服电机转子内嵌磁路结构，包括转子冲片1、设于转子冲片1外周的定子冲片2、以及设于转子冲片 2内的磁钢组件；
转子冲片1与定子冲片2之间留有环形的空位11；定子冲片2内周设有若干等距间隔设置的容置线圈的槽体21，各槽体21的端部与空位11相连通。
转子冲片1包括环形的转子铁芯3、设于转子铁芯3外周的若干等距间隔设置的孔位31。
磁钢组件包括设于孔位31内的磁钢4、设于相邻孔位间的磁隔桥、以及设于磁钢4与空位11之间的转子铁芯隆起部41；
磁钢4的内侧两端分别设有直角部42，磁钢4的外侧两端分别设有倾斜部 43，倾斜部43与直角部42连接处为孔位31的留空部32。直角部42与倾斜部 43之间的夹角范围为115°-117°。留空部32向外延伸出直角部42的距离范围为0.7-0.8mm。直角部42的端部至倾斜部43的端部的距离范围为0.9- 1mm。
磁隔桥包括设于相邻磁钢4的直角部42之间第一阶梯部5，设于相邻孔位 31的留空部32之间的第二阶梯部51，第一阶梯部5与第二阶梯部51连接。相邻第二阶梯部51的距离范围为1.5-1.6mm。
各磁隔桥之间位于孔位31的外侧为转子铁芯隆起部41。转子铁芯隆起部41的宽度范围为0.9-1mm，转子铁芯隆起部(磁桥宽度)对于永磁电机的电磁性能影响很大，由于磁桥宽度的大小能极大地影响磁体的漏磁，从而影响永磁体的利用率和电机的性能。提高电机性能的角度来考虑应该尽量减少磁桥的宽度，但是由于电机工作在较高的速度下，磁桥宽度设计得过小，则会导致转子的机械强度不够。综合考虑转子的机械强度和电机性能，转子铁芯隆起部的宽度范围为0.9-1mm。
磁钢4的中部厚度范围为4.3-4.5mm，磁钢(永磁体)的形状大小及厚度对高性能永磁同步伺服电机电磁性能也有影响，通过有限元仿真计算，在使用永磁体总体积不变的情况下，改变永磁体的厚度，并相应调整永磁体的宽度，对机器人电机的关键性能进行对比。永磁体厚度如图表1所示，经过有限元仿真，在相同转速下永磁体厚度从3.7mm增加到5mm，其磁阻转矩由于d、q轴电感差增大，永磁体厚度越大，则会导致直轴电感降低，这不利于弱磁扩速，也会导致电机在高速点输出的电磁转矩下降。由于永磁体厚度越小其抗退磁能力越差，当永磁体厚度为4.1mm时，已经有部分接近退磁点，而当永磁体厚度为 4.5mm时，永磁体的磁密大于永磁体退磁曲线拐点值，且有部分余量，所以综合考虑电机性能和电机的安全可靠性各种因素后，磁钢的中部厚度范围为4.3- 4.5mm，优选的为4.5mm。
磁钢的两端的张角范围为41-42.5°，通过永磁体张角角度的优化，对比不同永磁体张角度数变化的有限元仿真数据，判断高性能永磁同步伺服电机高功率密度性能需要，优选的为41-41.5°，如图表2所示。
优化转子冲片结构消除电机力矩波动，现有的表贴转子电机消除力矩波动通常采用定子斜槽的方法，该方法存在以下几个问题：定子槽满率会下降5％- 8％；定子下线困难，下线时长会增加30％-50％；电机性能下降5％-15％。本实施例中避免使用定子斜槽，通过采用台阶式的磁隔桥、转子铁芯隆起部、磁钢倾斜部的配合结构，在不牺牲电机性能的前提下降低电机的力矩波动，通过有限元分析计算，电磁部分的力矩波动下降到0.1N.m以下，电机性能提升20％，弱磁控制速度范围增加40％，过载能力从原先的1.7倍提升到2.5倍，优势相当明显。
本实施例中整体结构可靠，功率密度高，具有宽调速范围，高效率的优点，易于实现高精密的控制，输出高功率。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.高性能永磁同步伺服电机转子内嵌磁路结构，其特征在于：包括转子冲片、设于转子冲片外周的定子冲片、以及设于转子冲片内的磁钢组件，所述转子冲片与定子冲片之间留有环形的空位，所述转子冲片包括环形的转子铁芯、设于转子铁芯外周的若干等距间隔设置的孔位，所述磁钢组件包括设于孔位内的磁钢、设于相邻孔位间的磁隔桥、以及设于磁钢与空位之间的转子铁芯隆起部，所述磁钢的内侧两端分别设有直角部，所述磁钢的外侧两端分别设有倾斜部，倾斜部与直角部连接处为孔位的留空部，所述磁隔桥包括设于相邻磁钢的直角部之间第一阶梯部，设于相邻孔位的留空部之间的第二阶梯部，所述磁钢的中部厚度范围为4.3-4.5mm，所述磁钢的两端的张角范围为41-42.5°。
2.根据权利要求1所述的高性能永磁同步伺服电机转子内嵌磁路结构，其特征在于：所述定子冲片内周设有若干等距间隔设置的容置线圈的槽体，各槽体的端部与空位相连通。
3.根据权利要求1所述的高性能永磁同步伺服电机转子内嵌磁路结构，其特征在于：所述直角部与倾斜部之间的夹角范围为115°-117°。
4.根据权利要求1所述的高性能永磁同步伺服电机转子内嵌磁路结构，其特征在于：所述留空部向外延伸出直角部的距离范围为0.7-0.8mm。
5.根据权利要求1所述的高性能永磁同步伺服电机转子内嵌磁路结构，其特征在于：所述直角部的端部至倾斜部的端部的距离范围为0.9-1mm。
6.根据权利要求1所述的高性能永磁同步伺服电机转子内嵌磁路结构，其特征在于：相邻所述第二阶梯部的距离范围为1.5-1.6mm。
7.根据权利要求1所述的高性能永磁同步伺服电机转子内嵌磁路结构，其特征在于：所述转子铁芯隆起部的宽度范围为0.9-1mm。
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