CN111614179B - 一种低转矩脉动ipm伺服电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低转矩脉动IPM伺服电机，包括电机转子铁芯，所述电机转子铁芯沿断面圆周均匀设置若干永磁槽，永磁槽内设永磁体。所述电机转子铁芯每对相邻的永磁槽之间靠近铁芯表面处均设置至少一个极靴调磁孔。与未开调磁孔IPM伺服电机相比，可进一步降低电机的齿槽转矩和转矩脉动，提高电机转矩输出性能。与通过斜槽或者斜极的IPM电机相比，具有更高的功率密度和转矩密度，并具有较高的生产效率和较低的制作成本。与转子铁芯表面开调磁孔的IPM电机，具有较低的风磨损耗、更低的制作成本和更高的生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种永磁伺服电机，具体说是一种低转矩脉动IPM伺服电机。
背景技术
永磁伺服电机，结构灵活简单，根据永磁体和转子铁芯相互位置主要分为表贴式永磁(Surface-mounted Permanent Magnet，SPM)伺服电机和内置式永磁(InteriorPermanent Magnet，IPM)伺服电机两类。与SPM伺服电机相比，而IPM伺服电机具有更高的功率密度和过载能力，已引起各伺服电机制造商的关注。然而，由于IPM伺服电机气隙相对较小，其齿槽转矩和转矩波动相对较大，从而降低电机的转矩输出质量。一般通过采用闭口槽、斜槽和斜极设计方案，通过牺牲电机的转矩密度，来改善电机的转矩性能。
根据能量法，齿槽转矩为气隙磁场储能对于转子位置α的变化率，可表示为
(1)
式中，λ(θ)表示气隙磁导，B(θ，α)表示气隙磁密。通过傅里叶展开，可得
(2)
将式(2)代入式(1)，齿槽转矩表达式可具体可表示为
(3)
式中，L a 表示铁芯轴向长度；R 1和R 2分别表示气隙外半径和内半径；Q表示定子槽数；p表示电机极对数；μ 0为相对磁导率；N L 表示定子槽数和转子极数的最小公倍数。
通过式（3）可知，调整气隙相对磁导或者气隙磁密，可以优化电机的齿槽转矩。基于此，国内外众多学者和工程技术人员作了大量的研究工作。
重庆大学学者韩力等提出永磁体表面开矩形槽的SPM电机齿槽转矩抑制方法，通过优化永磁槽的大小尺寸、所在位置和不同数量，有限元计算结果表明，可有效削弱电机的齿槽转矩。此外，该方法通过在磁极表面开不同数量的矩形槽，还可以进一步增大转子磁极表面积，改善散热性能，降低转子侧永磁体的高温退磁风险。。
东南大学樊瑛和上海电机学院徐蓉等先后对V型磁钢的IPM伺服电机齿槽转矩抑制方法进行了研究，并提出了转子铁芯极靴表面开槽的改善方法，转子开槽可以在保证电机其他性能的前提下减小齿槽转矩，降低电机的转矩脉动，提高电机的控制精度，有效改善电机的振动和噪声。此外，通过该方法还可以调整电机的凸极率，改善电机的功率密度和过载能力。该方法易于实现，可以通过冲床对硅钢片快速冲压，一次整体成型。
当前，国内外伺服企业在IPM伺服电机转矩脉动抑制技术方面尚处在探索阶段，尚未推出采用特殊抑制转矩脉动策略的IPM伺服电机产品。
发明内容
本发明目的在于，克服现有技术存在的缺陷，提出了一种低转矩脉动IPM伺服电机，采用转子铁芯设置极靴调磁孔抑制电机的转矩脉动，适宜批量化大规模生产。
本发明提出的低转矩脉动IPM伺服电机，包括电机转子铁芯，所述电机转子铁芯沿断面圆周均匀设置若干永磁槽，永磁槽内设永磁体；其特征是：所述电机转子铁芯每对相邻的永磁槽之间靠近铁芯表面处（位于磁极极靴部位）均设置至少一个极靴调磁孔。
若所述相邻的永磁槽之间的极靴调磁孔的数量为奇数，则其中一个位于极靴中心线上，其余关于极靴中心对称；若所述相邻的永磁槽之间的极靴调磁孔的数量为偶数，则所述极靴调磁孔关于极靴中心线对称分布。
所述极靴调磁孔的断面形状，可以为圆形孔，可以为三角形孔、矩形孔等多边形孔，可以为圆形和多边形构成的复合孔，可以为不规则形状孔，还可以为规则形状孔和不规则形状孔构成的复合孔。
所述极靴调磁孔距离转子铁芯表面的最短距离l min应大于0.5倍气隙长度δ，且小于3倍气隙长度δ，即满足0.5δ<l min<3δ。
所述相邻的永磁槽之间的极靴调磁孔为圆孔且数量为3时，极靴中心线两侧的极靴调磁孔半径相等，；所述相邻的永磁槽之间的极靴调磁孔为圆孔且数量为4时，极靴中心线两侧对称位置的极靴调磁孔半径相等。
所述极靴调磁孔，若为圆形孔和多边形构成的复合孔，其圆弧应靠近气隙侧。
所述极靴调磁孔为不规则形状孔时，其外型整体轮廓应平行于磁力线方向，并且较宽部分应靠近气隙侧，较窄部分应背离气隙侧。
所述电机转子铁芯可以是辐条型IPM电机转子铁芯，还可以是“一”字型、V型、U型和W型的IPM电机转子铁芯。
所述IPM伺服电机，既可以是内转子IPM电机，也可以是外转子型IPM电机、直线型IPM电机、轴向磁场型IPM电机。
本发明通过齿槽转矩数学模型的分析，提出转子铁芯靠近气隙侧开槽调整气隙磁导，调整气隙磁密分布，从而可以改善齿槽转矩和降低电机的转矩脉动。
本发明低转矩脉动IPM伺服电机，与未开调磁孔IPM伺服电机相比，可进一步降低电机的齿槽转矩和转矩脉动，提高电机转矩输出性能；与通过斜槽或者斜极的IPM电机相比，具有更高的功率密度和转矩密度，并具有较高的生产效率和较低的制作成本；与转子铁芯表面开调磁孔的IPM电机，具有较低的风磨损耗、更低的制作成本和更高的生产效率。
附图说明
图1 (a) 为低转矩脉动IPM伺服电机截面图，其中：1为转子侧转子铁芯，2为转子侧永磁体，3为定子侧定子铁芯，4为定子侧电枢绕组。
图1(b)为转子侧转子铁芯示意图（3个圆孔形极靴调磁孔），其中：1.1、1.2和1.3为极靴调磁孔。
图2为转子侧转子铁芯示意图（1个圆孔形极靴调磁孔）。
图3为转子侧转子铁芯示意图（2个圆孔形极靴调磁孔）。
图4为转子侧转子铁芯示意图（4个圆孔形极靴调磁孔）。
图5为转子侧转子铁芯示意图（2个矩形极靴调磁孔）。。
图6为转子侧转子铁芯示意图（2个极靴调磁孔，为圆形和多边形构成的复合孔）。
图7为转子侧转子铁芯示意图（2个极靴调磁孔，为圆形和多边形构成的复合孔）。
图8为转子侧转子铁芯示意图（3个极靴调磁孔，两个不规则孔，一个圆孔）。
图9为转子侧转子铁芯开槽后一例有限元计算电机磁场图。
图10为转子侧转子铁芯开孔前后的齿槽转矩优化对比图。
图11为转子侧转子铁芯开孔前后的电磁转矩优化对比图。
具体实施方式
结合附图，对本发明的技术方案做进一步详细的说明。
实施例1：
如图1（a）所示，为低转矩脉动IPM伺服电机截面图，1为转子侧转子铁芯，2为转子侧永磁体，3为定子侧定子铁芯，4为定子侧电枢绕组。为进一步说明实施方案，如图1（b）所示，为对应的转子铁芯。每相邻的两个永磁槽之间的铁芯靠近表面处均有3个圆孔形极靴调磁孔，其中圆孔形极靴调磁孔1.1和圆孔形极靴调磁孔1.3关于磁极中心线对称，圆孔形极靴调磁孔1.2位于磁极中心线上，圆孔形极靴调磁孔1.2圆心到电机中心的距离可以不等于圆孔形极靴调磁孔1.1或圆孔形极靴调磁孔1.2圆心到电机中心的距离。圆孔形极靴调磁孔1.1、圆孔形极靴调磁孔1.2和圆孔形极靴调磁孔1.3半径分别为R1、R2和R3，三个圆孔半径大小满足R1=R3<R2，并且3个圆孔距离转子铁芯表面最短距离l min均应大于0.5倍气隙长度（定义单边气隙长度为δ），且小于3倍气隙长度，即0.5δ<l min<3δ。
实施例2：
如图2所示，转子铁芯每相邻的两个永磁槽之间的铁芯靠近表面处均有1个圆孔形极靴调磁孔，极靴调磁孔圆心位于磁极中心上，并且该圆孔形极靴调磁孔距离转子铁芯表面最短距离l min大于0.5倍气隙长度，且小于3倍气隙长度，即0.5δ<l min<3δ。
实施例3：
如图3所示，转子铁芯每相邻的两个永磁槽之间的铁芯靠近表面处均有2个圆孔形极靴调磁孔，即圆孔形极靴调磁孔1.1和圆孔形极靴调磁孔1.2，对应半径分别为R1和R2，其中圆孔形极靴调磁孔1.1和圆孔形极靴调磁孔1.2关于磁极中心线对称，其半径大小满足R1=R2，并且圆孔形极靴调磁孔距离转子铁芯表面最短距离l min均大于0.5倍气隙长度，且小于3倍气隙长度，即0.5δ<l min<3δ。
实施例4：
如图4所示，转子铁芯每相邻的两个永磁槽之间的铁芯靠近表面处均有4个圆孔形极靴调磁孔（1.1，1.2，1.3,1.4），对应半径分别为R1，R2，R3，R4，, R1=R4，, R2=R3，并且圆孔形极靴调磁孔距离转子铁芯表面最短距离l min均大于0.5倍气隙长度，且小于3倍气隙长度，即0.5δ<l min<3δ。
实施例5：
如图5所示，转子铁芯每相邻的两个永磁槽之间的铁芯靠近表面处均有2个矩形极靴调磁孔（1.1，1.2），2个矩形极靴调磁孔关于磁极中心线对称，其大小尺寸均相等，并且矩形孔距离转子铁芯表面最短距离l min均大于0.5倍气隙长度，且小于3倍气隙长度，即0.5δ<l min<3δ。
实施例6：
如图6所示，转子铁芯每相邻的两个永磁槽之间的铁芯靠近表面处均有2个极靴调磁孔，为圆孔和三角形构成的复合孔且关于磁极中心线对称，相关特征尺寸相等，并且其圆弧靠近气隙侧，三角形对应的顶点应背离气隙侧。此外，极靴调磁孔距离转子铁芯表面最短距离l min均大于0.5倍气隙长度，且小于3倍气隙长度，即0.5δ<l min<3δ。
实施例7：
如图7所示，转子铁芯每相邻的两个永磁槽之间的铁芯靠近表面处均有2个不规则极靴调磁孔且关于磁极中心线对称，相关特征尺寸相等，其外型整体轮廓应平行于磁力线方向，并且较宽部分应靠近气隙侧，较窄部分应背离气隙侧。此外，极靴调磁孔距离转子铁芯表面最短距离l min均大于0.5倍气隙长度，且小于3倍气隙长度，即0.5δ<l min<3δ。
实施例8：
如图8所示，转子铁芯每相邻的两个永磁槽之间的铁芯靠近表面处均有3个极靴调磁孔（1.1，1.2,1.3），其中极靴调磁孔（1.1，1.3）为不规则孔，并且关于磁极中心线对称，其外型整体轮廓应平行于磁力线方向，并且较宽部分应靠近气隙侧，较窄部分应背离气隙侧。极靴调磁孔1.2在磁极中心线上，此外，极靴调磁孔距离转子铁芯表面最短距离l min均大于0.5倍气隙长度且小于3倍气隙长度，即0.5δ<l min<3δ。
本发明低转矩脉动IPM伺服电机，既可以应用于伺服IPM电机工业领域，也可以广泛应用于生活电器电机领域，新能源IPM电机以及全电飞机电机等交通领域。
Claims (2)
1.一种低转矩脉动IPM伺服电机，包括电机转子铁芯，所述电机转子铁芯沿断面圆周均匀设置若干永磁槽，永磁槽内设永磁体；其特征是：所述电机转子铁芯每对相邻的永磁槽之间靠近铁芯表面处均设置三个极靴调磁孔；其中一个极靴调磁孔位于极靴中心线上且为圆形孔，其余关于极靴中心线对称，且为圆形和 多边形构成的复合孔，复合孔圆弧靠近气隙侧，复合孔背离气隙侧部分较圆弧部分逐渐收窄；
所述极靴调磁孔距离转子铁芯表面的最短距离l min大于0.5倍气隙长度δ，且小于3倍气隙长度δ，即满足0.5δ<l min<3δ。
2.根据权利要求1所述低转矩脉动IPM伺服电机，其特征是：所述IPM伺服电机为内转子IPM电机、外转子型IPM电机、直线型IPM电机或轴向磁场型IPM电机。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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