CN110212661A - 一种电机定子及使用其改进电机力矩调节功能的方法 - Google Patents

Abstract

一种电机定子及使用其改进电机力矩调节功能的方法，包括定子铁芯和定子线圈，定子铁芯包括定子齿部和定子轭部，定子齿部的一端形成有靴部，定子铁芯在环周方向上开设有多个定子齿槽，定子齿槽沿定子铁芯的轴向贯通，定子线圈通过定子齿槽缠绕于定子铁芯上，在定子铁芯上还开设有至少一个辅助槽，所述辅助槽中设有生磁部件。通过在辅助槽中设有生磁部件，可方便的对齿槽转矩进行调节，以满足不同的控制要求。

Description

一种电机定子及使用其改进电机力矩调节功能的方法

技术领域

本发明涉及一种电机定子，尤其涉及一种用于永磁同步电机的电机定子。

背景技术

现代工业中有大量需要运动控制领域的装备，例如机械手、机器人、绕线机等自动化生产设备，对于控制精度等要求日益严格。控制精度主要由控制单位(即控制器)和执行单位(即电机)构成。永磁同步电机由于其控制精度高、体积小、重量轻等特点，在上述领域具有广泛的应用。其近年来得到了飞速发展，国内外的研究工作也异常活跃，由于无论作为电动还是发电运行，永磁同步电机与感应电机、电励磁同步电机和开关磁阻电机相比均具有结构简单、无刷可靠、效率和功率因数高、起动转矩大、经济运行范围宽等突出的优良性能，因此在许多领域得到了大规模的推广应用。

齿槽转矩是永磁同步电机固有的问题，其是由于绕组不通电时，永磁体和铁心之间相互作用产生的转矩，是由永磁体与电枢齿之间相互作用的切向分量引起的，其力矩波形一般为正弦波形，会造成电机力矩输出波动。从而影响控制精度，在高端控制领域，需要考虑齿槽转矩的影响。现有的对齿槽转矩的处理，包括对转子永磁体安装方式的改变、对定子齿槽大小等形状的改变，上述方式虽然能起到一定程度的减少齿槽转矩的作用，但其存在成本高，不方便以后进行再校正的问题。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种电机定子及使用其改进电机力矩调节功能的方法，以解决改进电机力矩调节功能。

本发明还提供一种电机定子，包括定子铁芯和定子线圈，定子铁芯包括定子齿部和定子轭部，定子铁芯环周向开设有多个定子齿槽，所述每个定子齿槽沿所述定子铁芯的轴向贯通，所述定子线圈通过所述定子齿槽缠绕于定子铁芯上形成三相绕组结构，其在所述定子铁芯上还开设有至少一个辅助槽，所述辅助槽中设有生磁部件。

上述方案可优选的，所述辅助槽开设在定子铁芯的齿部上。

上述方案可优选的，所述定子齿部的一端形成有靴部，所述辅助槽开设在齿部的靴部上。

上述方案可优选的，所述辅助槽沿定子铁芯的轴向贯通。

上述方案可优选的，所述辅助槽为圆孔。

上述方案可优选的，所述辅助槽在圆周上均匀分布。

上述方案可优选的，所述辅助槽数量为2个或4个。

上述方案可优选的，所述生磁部件为永磁体棒、软磁材料制作的导磁棒或通电导体。

上述方案可优选的，当生磁部件为永磁体棒时，永磁体棒为粘结型钕铁硼BTP-6；当生磁部件为软磁材料制作的导磁棒时，软磁材料可为导磁钢棒；当生磁部件为通电导体时，导体所通电流为定幅直流电、变幅直流电流、定幅定频交流电或变幅变频交流电。

上述方案可优选的，所述生磁部件在辅助槽内的槽满率为30％-70％。

上述方案可优选的，所述电机定子还设有调节部件，通过调节部件可使生磁部件相对辅助槽转动或移动。

上述方案可优选的，所述辅助槽6为圆形时，生磁部件7设置为椭圆形。

本发明还提供一采用上述任一项所述的电机定子的电机。可优化的，所述电机为发电机或电动机。

本发明还保护一种永磁同步电机，其包括权利要求1-11中任一项所述的电机定子。

本发明还保护一种改进电机力矩调节功能的方法，其使其电机定子具有上述电机定子结构。

本发明还提供一种改进上述电机力矩调节功能的方法，其电机运转时，通过对电机输出力矩的检测，调整生磁部件与辅助槽的位置关系或生磁导体的电流数值，调整辅助槽周边磁场，进而改变电机齿槽转矩，使电机输出转矩得到平稳的力矩输出。

本发明通过在电机定子铁芯上设置辅助槽，通过在辅助槽内设置生磁部件，进而通过磁场密度的变化，影响齿槽转矩，从而改变齿槽转矩的力矩波形，以满足实际的需要。通过调整辅助槽周边磁场，影响电机齿部磁密，改善气隙磁密，降低磁密谐波含量，进而改善谐波噪声。同时，减小电机转矩输出波动比例，提升鲁棒性；改善因齿槽转矩较大，而因较大转矩波动占比产生的振动增大、噪声变大、损耗增加、温升变高、效率降低等问题。

附图说明

图1本发明的电机定子实施例示意图；

图2本发明的图1实施例中的A处局部放大示意图；

图3本发明采用图1实施例的永磁同步电机的截面示意图；

图4本发明采用图1实施例的永磁同步电机的侧面示意图；

图5采用其他当前技术的一电机定子结构示意图。

其中：1-定子齿部，2-定子轭部，3-定子线圈，4-靴部，5-定子齿槽，6-辅助槽，7-生磁部件，8-调节部件，9-壳体

具体实施方式

本发明相比当前的电机定子的主要改进在于：在定子上开设辅助槽，并使辅助槽沿定子铁芯方向贯穿，在辅助槽内有生磁部件可产生可变磁场。由于定子槽内有三相绕组结构，产生旋转磁场，辅助槽内磁场可进行调节控制，使电机磁密受到影响，进而减小电机转矩输出波动比例，提升鲁棒性，改善较大转矩波动占比产生的振动增大、噪声变大、损耗增加、温升变高、效率降低等问题。

以下通过具体实施例详细说明本发明的实施方案：

实施例1：

本发明提供一种电机定子。如图1所示，本发明实施例的电机定子，包括定子铁芯1，2和定子线圈3，定子铁芯包括定子齿部1和定子轭部2，定子铁芯1，2为圆柱形或大致圆柱形结构，周向上开设有多个定子齿槽5，定子齿槽5沿定子铁芯1，2轴向贯通，定子线圈3通过定子齿槽5缠绕于定子铁芯1，2上，在定子铁芯1，2上还开设有至少一个辅助槽6，所述辅助槽6中设有生磁部件7。优选的，生磁部件7可相对辅助槽转动或移动调节。

进一步的，如图1所示，齿部1的一端形成有靴部4，辅助槽6优化的开设在定子铁芯齿部2的靴部4上。辅助槽6沿定子铁芯1，2的轴向贯通。

优选的，辅助槽6为多个，在定子靴部4圆周方向均匀分布；优选的辅助槽数量n＝2或4，可兼容磁场密度变化及整体强度，即不会因开槽的数量过多而影响定子的结构强度。

辅助槽6的形状可为任意形状，沿定子轴线方向贯穿；优选的辅助槽形状为圆形，可使磁力线分布均匀，降低磁密谐波含量，减少噪声。进一步优化的，辅助槽6为圆形时，生磁部件7设置为椭圆形。

优选的，生磁部件7在辅助槽6内的槽满率为30％-70％，方便对其进行调节。

生磁部件7可为永磁体棒、软磁材料制作的导磁棒或通电导体。当生磁部件为永磁体棒时，永磁体棒优选为粘结型钕铁硼BTP-6；当生磁部件软磁材料制作的导磁棒时，软磁材优选为导磁钢棒；当生磁部件为通电导体时，导体优选所通电流为定幅直流电、变幅直流电流、定幅定频交流电或变幅变频交流电。

电机定子还设有调节部件8，通过调节部件8可使生磁部件7相对辅助槽6转动或移动。调节部件8，可通过转动生磁部件7进行磁场密度调节。

由上述实施例可见，本发明保留了现有结构的优点，同时还增加了以下有益效果：

1、电机定子上设计辅助槽并在辅助内设置生磁部件，其运转时产生的力矩波动可通过辅助槽内的生磁部件进行补偿调整，使得电机符合实际工况需求；

2、由于电机辅助槽的存在，可通过调整辅助槽周边磁场，影响电机齿部磁密，改善气隙磁密，降低磁密谐波含量，进而改善谐波噪声。

实施例2：

本发明还提供一种永磁同步电机。其具有实施例1所述定子结构。下面通过实施例2说明本发明的电机定子在电机上的应用。

永磁同步电机定子通常由变频器供电，根据转子位置信号控制定子各相电枢绕组的导通顺序和导通速率。定子通过三相对称电流，产生圆形旋转磁场，此旋转磁场与转子磁极间的磁拉力牵引转子与旋转磁场同步旋转。齿槽转矩是永磁电机绕组不通电时间永磁体和铁心之间相互作用产生的转矩，是由永磁体与电枢齿之间相互作用的切向分量引起的，其力矩波形一般为正弦波形，会造成电机力矩输出波动。永磁电机由于永磁电机齿槽转矩的存在，影响了伺服电机在低速低扭矩、低转矩波动领域的应用。

本发明所提出的电机定子能够很好的解决永磁同步电机的上述问题。

如图3，图4所示，其示出了采用上述电机定子的永磁同步电机，其包括壳体9，同时其示意出了，调节部件8为旋转调节部件，可为手动旋钮，可实现不通电下的机械调节；或使用控制部件调节旋转角度，可实现运转情况下随负载变化的动态调节。

生磁部件7为可为永磁体棒、软磁材料制作的导磁棒或通电导体；以下对生磁部件的各种情况进行说明：

方案1：当生磁部件为永磁体棒时，永磁体与辅助槽6间隙配合，依靠外部调节部件8旋转调节，使得永磁体可进行旋转，永磁体棒为椭圆形状或永磁体棒轴线与辅助槽6轴线偏心。永磁体棒在旋转过程中，其生成的磁场影响定子齿部1、靴部4、轭部2磁密分布，进而影响齿槽转矩。

优选地，永磁体为粘结型钕铁硼BTP-6，其具备较好的调节性，且不影响电机主磁路。

优选地，永磁体在辅助槽中的槽满率，如其截面积占槽截面积的比例为30％-70％，永磁体自身漏磁较少。

优选地，调节部件8为旋转调节部件，可为手动旋钮，可实现不通电下的机械调节；或使用控制部件调节旋转角度，可实现运转情况下随负载变化的动态调节。

方案2：当生磁部件为软磁材料时，实施方式与方案1类似；不同的是，软磁材料仅能改变磁场分布，初始状态其自身不具备散发磁场能力，长时间运转后根据软磁材料的特性可被磁化，进而具备生磁能力。利用软磁材料的旋转，使其改变定子齿部1、靴部4、轭部2磁密分布，进而影响齿槽转矩；

优选地，软磁材料可为导磁钢棒，其机械强度较好。

方案3：当生磁部件为通电导体时，依靠通电导体电流产生的周边磁场，影响定子齿部1、靴部4、轭部2磁密分布，进而影响齿槽转矩；根据导体内所通入电流的不同，磁场的变化方式也不同，即齿槽转矩不同。导体端部连接在电路板上，可由外部驱动根据实际需求进行控制调节。

方案3.1，导体所通电流为定幅直流电，导体周围的磁场稳定；

方案3.2，导体所通电流为变幅直流电，导体周围的磁场周期性变化；

方案3.3，导体所通电流为定幅定频交流电，导体周围的磁场正弦性周期变化；

方案3.4，导体所通电流为变幅变频交流电，导体周期的磁场随控制指令变化。

优选地，导体可为铜线或铝线，具备优秀的导电特性。

当导体为铜线时，可使用不同线径，不同匝数的方式，在辅助槽内实现不同的控制方案，采用嵌线工艺装配导体。

当导体为铝线是，采用铸铝工艺，操作更为简便。

实施例4：

本发明还保护一种改进电机力矩调节功能的方法实施例，其使其电机定子具有上述电机定子结构。

如图5所示的当前电机，其也具有定子铁芯和定子线圈，定子铁芯也包括定子齿部101和定子轭部102，定子齿部101周向上开设有多个定子齿槽105，定子齿槽105沿定子铁芯轴向贯通，定子线圈103通过定子齿槽105缠绕于定子铁芯101。本专利提案保留了当前电机的这些结构优点，改进了其定子结构，在其齿部的靴部部位，设置了辅助槽生磁部件，使其磁场可调整。生磁部件优选为导磁钢棒，辅助槽形状设计为圆形，导磁钢棒设计为椭圆形。辅助槽沿圆周方向均匀分布，导磁钢棒位于辅助槽内。由此电机运转时产生的力矩波动可通过辅助槽内的生磁部件进行补偿调整，使得电机符合实际工况需求；并且由于电机辅助槽的存在，可通过调整辅助槽周边磁场，影响电机齿部磁密，改善气隙磁密，降低磁密谐波含量，进而改善谐波噪声。

其他改进后的具体电机定子结构见上述实施例1-3。

当电机进行运转输出时，电机输出力矩受到齿槽转矩占比大小影响，输出力矩波动波形会发生变化；通过设置外部感应器识别输出力矩波动波形信息，获得电机输出力矩波动情况，根据设定工况调整辅助槽内导磁钢棒旋转角度，使生磁部件导磁钢棒与辅助槽的位置关系发生改变，辅助槽周边磁场得到调整，进而改变电机齿槽转矩，使电机输出转矩得到平稳的力矩输出。优选的，力矩输出可运行多种工作模式：力矩稳定、峰值增加、谷值减少等。

需要说明的是当生磁部件选择为生磁导体时也可以选择调整生磁导体的电流数值来调整辅助槽周边磁场。调整生磁部件导磁钢棒与辅助槽的位置关系也可以采用其它非旋转方式调整。

实施例5：

提供一种采用前述电机实施例的机器人。

现代工业中有大量需要运动控制领域的装备，例如机械手、机器人、绕线机等自动化生产设备，对于控制精度等要求日益严格。控制精度主要由控制单位(即控制器)和执行单位(即电机)构成，其中永磁电机由于永磁电机齿槽转矩的存在，影响了伺服电机在低速低扭矩、低转矩波动领域。本发明的提出，极大的提升了机械手、机器人、绕线机等自动化生产设备的控制精度。

本发明通过其定子齿部开设辅助槽，辅助槽内有生磁部件；辅助槽内有改变周边磁场的功能，从而改变电机齿槽转矩。在永磁同步电机运转时，通过对电机输出力矩的检测，调整生磁部件与辅助槽的位置关系或生磁导体的电流数值，改变齿、靴、轭部磁密分布，进而改变电机齿槽转矩，使电机输出转矩得到平稳的力矩输出，使电机符合实际工况需求。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (16)

1.一种电机定子，包括定子铁芯(1，2)和定子线圈(3)，定子铁芯包括定子齿部(1)和定子轭部(2)，定子铁芯(1，2)环周向开设有多个定子齿槽(5)，所述每个定子齿槽(5)沿所述定子铁芯(1，2)的轴向贯通，所述定子线圈(3)通过所述定子齿槽(5)缠绕于定子铁芯(1，2)上形成三相绕组结构，其特征在于：在所述定子铁芯(1，2)上还开设有至少一个辅助槽(6)，所述辅助槽(6)中设有生磁部件(7)。

2.根据权利要求1所述的电机定子，其特征在于：所述辅助槽(6)开设在所述定子铁芯(1，2)的齿部(1)上。

3.根据权利要求2所述的电机定子，其特征在于：所述定子齿部(1)的一端形成有靴部(4)，所述辅助槽(6)开设在所述靴部(4)上。

4.根据权利要求1-3任一所述的电机定子，其特征在于：所述辅助槽(6)沿所述定子铁芯(1，2)轴向贯通。

5.根据权利要求4所述的电机定子，其特征在于：所述辅助槽(6)为圆形。

6.根据权利要求5所述的电机定子，其特征在于：所述辅助槽(6)在圆周上均匀分布。

7.根据权利要求6所述的电机定子，其特征在于：所述辅助槽(6)数量为2个或4个。

8.根据权利要求1所述的电机定子，其特征在于：所述生磁部件(7)为通电导体或永磁体棒或软磁材料制作的导磁棒。

9.根据权利要求8所述的电机定子，其特征在于：当生磁部件(7)为永磁体棒时，永磁体棒为粘结型钕铁硼BTP-6；当生磁部件(7)为软磁材料制作的导磁棒时，软磁材料可为导磁钢棒；当生磁部件(7)为通电导体时，导体所通电流为定幅直流电、变幅直流电流、定幅定频交流电或变幅变频交流电。

10.根据权利要求1所述的电机定子，其特征在于：所述生磁部件(7)在辅助槽(6)内的槽满率为30％-70％。

11.根据权利要求1-10任一项所述的电机定子，其特征在于：所述电机定子还设有调节部件(8)，通过调节部件(8)可使生磁部件(7)相对所述辅助槽(6)转动或移动。

12.一种电机，其特征在于，包括权利要求1-11中任一项所述的电机定子。

13.一种永磁同步电机，其特征在于，还包括权利要求1-11中任一项所述的电机定子。

14.一种机器人，其特征在于，设有权利要求12所述的电机或权利要求13所述的永磁同步电机。

15.一种改进电机力矩调节功能的方法，其特征在于：使其电机定子具有权利要求1-11任一项所述电机定子。

16.根据权利要求15所述改进电机力矩调节功能的方法，其特征在于：电机运转时，通过对电机输出力矩的检测，调整生磁部件与辅助槽的位置关系或生磁部件的电流数值，调整辅助槽周边磁场，进而改变电机齿槽转矩，使电机输出转矩得到平稳的力矩输出。