CN109687615B - 一种注塑用的三相永磁同步电动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种注塑用的三相永磁同步电动机，该电机在转子中装入永磁体并设计异步起动用鼠笼导条、端环、风叶和平衡柱结构，无需增加变频器等控制驱动装置，完全可以直接替换同规格传统三相异步电动机，解决了注塑机在整个工作周期尤其是轻载、空载运行时效率低下的问题；同时，本发明采用单双层不等匝低谐波绕组大幅降低除齿谐波外的各种高次谐波含量，配合定子斜槽降低齿谐波以及适当增大定转子之间的气隙进一步消除因定转子不同心等产生的单边磁拉力噪声等措施，从而使电动机在整个运行周期都具有较低的噪声，特别是消除过载时刺耳的电磁噪声，使电动机噪声低于中国国家标准要求5～10dB(A)。

Description

一种注塑用的三相永磁同步电动机

技术领域

本发明属于注塑及电机技术领域，具体涉及一种注塑用的三相永磁同步电动机。

背景技术

塑料工业是现代工业中的一个重要行业，塑料成型加工被广泛应用于工业、农业、国防以及人们日常生活的各个领域。注塑成型具有生产周期快、生产效率高、能成型尺寸精确形状复杂的制品并易于实现自动化等特点，因而在整个塑料制品行业中占有非常重要的地位。

注塑成型是将材料热融化后喷射注入到模具内，经由冷却与塑化后得到成形品的方法，而注塑机就是完成这个过程的设备。注塑机集机、电、液于一体的典型系统，因具有一次能够成型复杂制品、后加工量少、加工的塑料种类多等特点，自问世以来，发展极为迅速，目前已成为塑料成型加工的主要设备。注塑成型是利用塑料的热物理性质，把物料从料斗加入料筒中，料筒外由加热圈加热，使物料熔融，在料筒内装有在外动力马达作用下驱动旋转的螺杆，物料在螺杆的作用下，沿着螺槽向前输送并压实，物料在外加热和螺杆剪切的双重作用下逐渐地塑化、熔融和均化，当螺杆旋转时，物料在螺槽摩擦力及剪切力的作用下，把已熔融的物料推到螺杆的头部，与此同时，螺杆在物料的反作用下后退，使螺杆头部形成储料空间，完成塑化过程；然后，螺杆在注射油缸的活塞推力的作用下，以高速、高压将储料室内的熔融料通过喷嘴注射到模具的型腔中，型腔中的熔料经过保压、冷却、固化定型后，模具在合模机构的作用下，开启模具，并通过顶出装置把定型好的制品从模具顶出落下。

传统注塑机大多采用液压机构满足塑料压铸过程中的大推力要求，但其结构复杂、维护困难且性能不易控制，因此电动注塑机正成为现代注塑机的重要发展方向。注塑机的运行过程是合模-射胶-保压-溶胶-冷却-开模，然后又合模……周期循环，与其配套的电动机则运行在额定-过载-轻载-过载-空载-额定的周期变化的工况中，而现有技术多采用异步电动机驱动，这对于长时间连续运行注塑机来说其综合运行效率很低，不符合国家节能减排的战略目标；此外，异步电机控制与响应都较慢，电机的加速与减速时间较长(2～3s)，对系统中的流量和压力没有实现闭环控制，无法满足快速加工和伺服控制的要求，加工精度也无法得以保证。

由于永磁同步电动机(PMSM)采用了高能永磁体，具有结构简单、运行可靠、体积小、重量轻、低惯性、快响应、高功率因数、过载能力强、低损耗、高效率等优点，已广泛应用于工业机器人、数控机床、柔性制造系统各种自动化设备等领域，成为高精度、微进给伺服系统的最佳执行元件之一；据报道，也有将永磁同步电动机用于注塑机驱动的，但存在以下诸多问题：1.依赖变频器控制不能自行启动，增大了设备的体积，同时增加了综合成本；2.电动机周期性地过载运行，使得电动机定子绕组温升过高，存在永磁体退磁、电动机性能下降直至无法使用的巨大隐患；3.负载噪声过大，尤其是过载时有刺耳的电磁噪声等。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种注塑用的三相永磁同步电动机，能够解决注塑机在整个工作周期尤其是轻载、空载运行时效率低下的问题。

一种注塑用的三相永磁同步电动机，包括定子和转子，定子包括机座以及固定在机座内壁的有绕组定子铁心，所述有绕组定子铁心包括定子铁心以及嵌于其定子槽中的线圈绕组，转子包括转轴以及安装在转轴上的铸铝转子，铸铝转子上装有磁钢；所述机座两端分别安装有端盖(中心高180mm及以上电机还配有轴承内外盖)，轴伸端的端盖(通常称为前端盖)外同轴连接有支承环，非轴伸端的端盖(通常称为后端盖)外同轴连接有风扇和风罩；转轴通过轴承与端盖活动连接，所述轴承装配于端盖的轴承室中，非轴伸端端盖的轴承室内装有轴用波形弹性挡圈，机座上安装有吊环和接线盒，吊环位于机座顶部轴向居中位置，接线盒则位于机座侧部轴向居中位置。

进一步地，所述定子铁心由厚度0.5mm或0.35mm的优质冷轧电工硅钢片叠压而成，叠装过程中通过工装扭斜且斜槽度＝D1×π/Q1，D1为机座铁心档内径，Q1为定子铁心上的定子槽数。

进一步地，所述风扇的叶片倾斜方向与转轴旋转方向相匹配，气流方向总是从电机主体通过风罩上的通风孔吹向外部；所述风罩带有伞状的导风翼，风罩与机座后端外圆加工面小间隙配合(配合间隙0.1～0.2mm)，且装配风罩前此配合面均匀涂上密封胶。

进一步地，所述机座的轴伸端开有n个通风槽，n为自然数且n≥2，通风槽展开在平面上为矩形，该矩形的宽a＝30～100mm，长b＝60～200mm，长宽比b/a≥2；机座内壁对称分布有m个支撑板(其中一个位于机座径向内壁顶部)，m个支撑板与机座内壁形成m个轴向通风道，m为自然数且m≥4，支撑板的厚度c＝15～30mm，长度d比机座长度小30～60mm，宽度e满足以下关系式：

m×c×(D1×π/m-e)≥n×a×b

m×e≥D1×π/2

其中：D1为机座铁心档内径。

进一步地，轴伸端的端盖上设有法兰，其与支承环同轴连接，支承环上开有2个对称的缺口，以便与配套机械联结。

进一步地，非轴伸端的端盖上开有通风孔或通风环(即对称分布的多个圆形或扇形)，其通风总截面积不小于外风罩通风孔面积之和。

进一步地，所述线圈绕组采用单双层同心式不等匝绕组，该不等匝绕组较等匝绕组具有较低的谐波含量，其谐波含量是等匝绕组谐波含量的5％以下。

进一步地，所述铸铝转子为直槽，由厚度0.5mm或0.35mm的优质冷轧电工硅钢片冲制成的转子冲片叠压并与高温熔化的铝液压铸成一个整体。

进一步地，所述转子冲片上冲制有与电机极数相等的用以安放磁钢的磁钢槽，磁钢槽的形状呈一字型、V型、U型或W型；转子冲片上还冲制有多个沿周向均匀分布且直径为5.2、6.3或8.5mm的小孔，分别对应与M5、M6或M8螺杆相配合。

进一步地，所述转子上装有磁钢压板，其紧贴铸铝转子磁钢的两端面并通过长螺杆锁紧固定，长螺杆采用非导磁材料。

进一步地，对于铸铝转子，铸铝前将假磁钢装入磁钢槽中，铸铝后将假磁钢取出，假磁钢的尺寸较磁钢槽相应尺寸小0.05～0.1mm；转子外径的加工是在装入磁钢之前进行的，磁钢则通过磁钢导向工装按磁极N、S…顺序装入；转子装入定子过程是通过转子入定子导向工作台一次推入完成。

进一步地，所述定子与转子之间的气隙是同规格异步电动机定转子间气隙的1.2～1.5倍。

通过电磁设计调整和优化，本发明电动机的堵转转矩大于2.5倍额定转矩，失步转矩大于3.5倍额定转矩，定子绕组温升小于45K，电机噪声低于中国国家标准要求5～10dB(A)。本发明电动机可以直接自行起动也可以变频起动，可以工频运行也可以用于变频调速。

本发明三相永磁同步电动机在转子中装入永磁体并设计异步起动用鼠笼导条、端环、风叶和平衡柱结构，无需增加变频器等控制驱动装置，完全可以直接替换同规格传统三相异步电动机，解决了注塑机在整个工作周期尤其是轻载、空载运行时效率低下的问题；同时，本发明采用单双层不等匝低谐波绕组大幅降低除齿谐波外的各种高次谐波含量，配合定子斜槽降低齿谐波以及适当增大定转子之间的气隙进一步消除因定转子不同心等产生的单边磁拉力噪声等措施，从而使电动机在整个运行周期都具有较低的噪声，特别是消除过载时刺耳的电磁噪声，使电动机噪声低于中国国家标准要求5～10dB(A)。

本发明还提供了一套增大通风冷却的设计方案，通风回路流畅自如，低涡流，无侧漏，因优异的冷却效果大幅降低了电动机绕组温升以及电动机整体温度，克服了现有技术中电动机定子绕组温升过高的不足，消除了高温导致永磁体退磁、电动机性能下降直至无法使用的巨大隐患，而较高的堵转转矩和超高的失步转矩保障注塑机可靠平稳运行；由于有良好的通风冷却，在相同的电负荷和磁负荷下，本发明电动机定子绕组温升较现有技术电动机下降35～40K。

附图说明

图1为本发明三相永磁同步电动机的总装结构示意图。

图2为支承环的结构示意图。

图3为机座轴向剖面图。

图4为机座轴测图。

图5为机座外壳展开平面图。

图6为机座径向剖面图。

图7为定子铁心斜槽示意图。

图8为铸铝转子结构示意图。

图9为6极电机的转子冲片结构示意图。

图10为4极电机的转子冲片结构示意图。

图11为等匝单层交叉绕组之接线示意图。

图12为等匝双层叠绕绕组之接线示意图。

图13为本发明不等匝单双层同心绕组之接线示意图。

图14为后端盖结构示意图。

图15为磁钢压板结构示意图。

图16为装磁钢导向工装结构示意图。

图17为风罩结构示意图。

图18为本发明三相永磁同步电动机的冷却风路示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明三相永磁同步电动机由定子、转子、前端盖4、后端盖12、风扇16、风罩14、轴承3、支承环1、轴用波弹15、吊环8和紧定螺钉9等组成，其中定子由机座5和有绕组定子铁心11组成，有绕组定子铁心11包括定子铁心和嵌于其槽中的线圈绕组。转子由转轴2和装有磁钢10的铸铝转子6组成。在磁钢10的两端面布置有磁钢压板13，通过螺杆7锁紧压牢；在机座5两端分别连接有前端盖4和后端盖12，与前端盖4同轴连接有支承环1；在后端盖12外同轴连接有风扇16、风罩14；前后轴承3分别套装在转轴2上，装配于前端盖4和后端盖12的轴承室中，后端盖12的轴承室中装有轴用波弹15，电机顶部于机座5轴向大致居中的位置安装有吊环8和紧定螺钉9。

图2为支承环结构，其中1a为支承环1与配套机械联结的配合端面；1b为支承环1与配套机械联结的配合安装孔，推荐为螺孔；1c为支承环1上的2个对称的缺口，以方便与配套机械联轴器联结；1d为支承环1与前端盖4上小法兰配合之安装孔，推荐为通孔。

图3和图4为机座结构，其中5a为机座5两端支承板，分别与前端盖4和后端盖12通过止口配合提供整台电机的支承；5b为机座5外壳，5c为机座5上的通风槽，位于机座5的轴伸端；5d为机座5上的支承板；5e为机座5顶端的吊环孔和紧定螺钉孔；5f为机座5后端面与风罩14的配合面。机座5上的通风槽5c，对称分布在轴中心面两侧；5g为机座5上的接线盒口，位于机座5轴向大致居中的位置，从轴伸端视之位于电机的右侧或左侧。

机座5上的通风槽5c，数量为n(n≥2)个，机座外壳展开在平面上的尺寸为矩形，如图5所示，其中宽(a)为30～100mm，长(b)为60～200mm，b:a≥2。

如图6所示，机座5上的支撑板5d，数量为m(m≥4)个，于机座5内壁对称分布，其中一只位于机座径向顶部，支撑板5d的厚度(c)为15～30mm，支撑板的长度比机座长度小30～60mm。

支撑板5d的宽度(e)与通风槽5c满足关系式：

m×c×(D1×π/m-e)≥n×a×b

m×e≥D1×π/2

式中D1为机座铁心档内径，如图3所示；m个支撑板与机座内壁形成m个轴向通风道，如图6所示。之所以要满足关系式m×c×(D1×π/m-e)≥n×a×b，是为了使这m个轴向通风道总截面积不小于机座入风口总截面积，以保证冷却气流的畅通；之所以要满足关系式m×e≥D1×π/2，是为了保障有绕组定子铁心11与机座支承板5d有效的配合面积，在电动机反复过载运行冲击作用下依然可靠而牢固。

在机座5与有绕组定子铁心11配合处至少设置1个紧定螺钉9，以强化二者之间可靠的结合。风罩14与机座5后端外圆加工面小间隙配合(配合间隙0.1～0.2mm)，装风罩前此配合面5f均匀涂上密封胶。

图7为定子铁心斜槽结构，定子铁心由厚度0.5mm(或0.35mm)的优质冷轧电工硅钢片叠压而成，叠装过程中通过工装扭斜，斜槽度约为一个定子槽，即D1×π/Q1，式中Q1为定子槽数。

图8为铸铝转子结构，其中6a为铸铝转子风叶，6b为铸铝转子端环，6c为转子冲片，6d铸铝转子平衡柱。铸铝转子6为直槽，由厚度0.5mm(或0.35mm)的优质冷轧电工硅钢片冲制成的转子冲片6c叠压并与高温熔化了的铝液压铸成一个整体。

这种设计异步起动用鼠笼导条、端环、风叶和平衡柱结构的电动机，无需增加变频器等控制驱动装置，可以自行起动，完全可以直接替换同规格传统三相异步电动机，解决注塑机在整个工作周期尤其是轻载、空载运行时效率低下的问题。电动机可以直接自行起动也可以变频起动，可以工频运行也可以用于变频调速，十分方便。

铸铝前将假磁钢装入磁钢槽中，铸铝后将假磁钢取出，假磁钢的尺寸较磁钢槽相应尺寸小0.05～0.1mm；转子外径的加工是在装入磁钢之前进行；转子冲片6c上冲制有与电机极数相等的用以安放磁钢的磁钢槽，磁钢槽的形状呈“一”型、“V”型、“U”型、或“W”型。图9是一种6极实施例的转子冲片图，磁钢槽的形状呈“U”型；图10是一种4极实施例的转子冲片图，磁钢槽的形状呈“V”型。

图9和图10中，6c1为异步起动用鼠笼导条槽，槽形为平底槽，6c2为磁钢槽6c4与导条槽6c1之间的用以减少漏磁的隔磁桥，隔磁桥6c2的宽度为1～2mm，6c3为磁钢压板连接孔，是沿圆周均布的n-Фd个小孔，其中n≥3，d＝5.2、6.3或8.5等，分别与M5、M6、M8螺杆相配合；6c5为轴向通风孔，6c6为铸铝转子与转轴2配合的轴孔。

本发明采用低谐波绕组，即一种单双层同心式不等匝绕组形式，以下通过一个定子54槽6极电机加以说明。图11为现有技术的单层交叉式等匝绕组接线示意图，跨距为8/8/7，为清晰起见，仅画出了U相(下同)；图12为现有技术的双层叠绕等匝绕组接线示意图，跨距为8；图13为本发明的单双层同心式不等匝绕组接线示意图，跨距为9/7/5，其中跨距9的槽为单层。

为便于阐释本发明，举一个具体的设计例：单层交叉式绕组，跨距8/8/7、匝数24/24/24；双层叠绕式绕组，跨距8/8/8、匝数24/24/24；本发明单双层同心式绕组，跨距9/7/5，匝数23(单层)/17/9。

表1是对单层交叉绕组、双层叠绕绕组、本发明绕组，当Q1＝54(定子54槽)，m＝3(三相)，2P＝6(6极)时的一个比较例，其中Kdp1为基波绕组系数，Kdp5为5次谐波绕组系数，Kdp7为7次谐波绕组系数…

表1

可见，本发明线圈绕组具有非常低的高次谐波含量，与现有技术的等匝单层交叉式绕组和双层叠绕绕组相比，其高次谐波含量不到普通绕组谐波含量的2％。应用这种低谐波绕组，可以有效地降低电机的电磁振动和噪声，基本消除了高次谐波，降低了杂散损耗改善了性能，特别适合应用于对电机振动、噪声有严格要求的场合。此外，由于本发明绕组的等效跨距由7.667/8减小到7.133，降低了绕组端部用铜量，具有一定的节材效果。

图14为后端盖结构，其中12a为后端盖12与机座5的安装配合孔，12b为后端盖上开的通风孔或通风环，呈对称分布的多个圆形或扇形，其通风总截面积不小于外风罩通风孔面积之和。

图15为磁钢压板结构，其中13a为磁钢压板连接孔，与铸铝转子6上的6c3大小相等位置一致；13b为磁钢压板外圆直径，比铸铝转子6的端环6b的内径小1～2mm；13c为磁钢压板内圆直径，不小于实施例图9中的通风道6c5的外边缘直径，大于实施例图10中的通风道6c6轴孔直径10mm左右。

磁钢10通过如图16所示的磁钢导向工装按磁极N、S…依序装入；磁钢10装入后将磁钢压板13紧贴铸铝转子6的两端面，通过长螺杆7锁紧固定，螺杆7采用非导磁材料；转子装入定子，是通过转子入定子导向工作台一次推入完成；设计定、转子之间的气隙是同规格异步电动机的1.2～1.5倍，通过电磁设计调整和优化，使电动机堵转转矩大于2.5倍额定转矩，电动机失步转矩大于3.5倍额定转矩，以保障注塑机可靠平稳运行。

电机旋转方向是固定的，从轴伸端视之为逆时针或顺时针。与转子同轴连接有冷却用轴流风扇16，其叶片倾斜方向与电动机旋转方向相匹配，气流的方向由机座通风槽5c经机座支承板5d与有绕组定子铁心11围成的轴向通风道及转子轴向通风道6c5(对图9实施例而言)并经后端盖通风孔12b流向风扇16再通过风罩14上的通风孔14b吹向外部，风罩14上的伞状的导风翼14c笼罩在风扇16外缘，构成低涡流风路，风罩14通过安装孔14a与后端盖12配合安装，如图17所示。

如图18所示，本发明电机还提供了一套增大通风冷却的设计方案，通风回路流畅自如，低涡流，无侧漏，因优异的冷却效果大幅降低了电动机绕组温升以及电动机整体温度，克服了现有技术中电动机定子绕组温升过高的不足，消除了高温导致永磁体退磁、电动机性能下降直至无法使用的巨大隐患。由于有良好的通风冷却，在相同的电负荷和磁负荷下，电动机定子绕组温升较现有技术电动机下降35～40K。

上述对实施例的描述是为了便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本技术领域的技术人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本技术领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种注塑用的三相永磁同步电动机，包括定子和转子，其特征在于：定子包括机座以及固定在机座内壁的有绕组定子铁心，所述有绕组定子铁心包括定子铁心以及嵌于其定子槽中的线圈绕组，转子包括转轴以及安装在转轴上的铸铝转子，铸铝转子上装有磁钢；所述机座两端分别安装有端盖，轴伸端的端盖外同轴连接有支承环，非轴伸端的端盖外同轴连接有风扇和风罩；转轴通过轴承与端盖活动连接，所述轴承装配于端盖的轴承室中，非轴伸端端盖的轴承室内装有轴用波形弹性挡圈，机座上安装有吊环和接线盒，吊环位于机座顶部轴向居中位置，接线盒则位于机座侧部轴向居中位置；

所述定子铁心由厚度0.5mm或0.35mm的优质冷轧电工硅钢片叠压而成，叠装过程中通过工装扭斜且斜槽度＝D1×π/Q1，D1为机座铁心档内径，Q1为定子铁心上的定子槽数；

所述风扇的叶片倾斜方向与转轴旋转方向相匹配，气流方向总是从电机主体通过风罩上的通风孔吹向外部；所述风罩带有伞状的导风翼，风罩与机座后端外圆加工面小间隙配合，且装配风罩前此配合面均匀涂上密封胶；

所述机座的轴伸端开有n个通风槽，n为自然数且n≥2，通风槽展开在平面上为矩形，该矩形的宽a＝30～100mm，长b＝60～200mm，长宽比b/a≥2；机座内壁对称分布有m个支撑板，m个支撑板与机座内壁形成m个轴向通风道，m为自然数且m≥4，支撑板的厚度c＝15～30mm，长度d比机座长度小30～60mm，宽度e满足以下关系式：

m×c×(D1×π/m-e)≥n×a×b

m×e≥D1×π/2

其中：D1为机座铁心档内径；

轴伸端的端盖上设有法兰，其与支承环同轴连接，支承环上开有2个对称的缺口，以便与配套机械联结；

所述线圈绕组采用单双层同心式不等匝绕组，该不等匝绕组较等匝绕组具有较低的谐波含量，其谐波含量是等匝绕组谐波含量的5％以下；

所述铸铝转子为直槽，由厚度0.5mm或0.35mm的优质冷轧电工硅钢片冲制成的转子冲片叠压并与高温熔化的铝液压铸成一个整体；

所述转子冲片上冲制有与电机极数相等的用以安放磁钢的磁钢槽，磁钢槽的形状呈一字型、V型、U型或W型；转子冲片上还冲制有多个沿周向均匀分布且直径为5.2、6.3或8.5mm的小孔，分别对应与M5、M6或M8螺杆相配合；

所述转子上装有磁钢压板，其紧贴铸铝转子磁钢的两端面并通过长螺杆锁紧固定，长螺杆采用非导磁材料；所述定子与转子之间的气隙是同规格异步电动机定转子间气隙的1.2～1.5倍；

非轴伸端的端盖上开有通风孔或通风环，其通风总截面积不小于外风罩通风孔面积之和。

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