CN115603489A - 一种400w永磁交流伺服电机定转子结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种400W永磁交流伺服电机定转子结构，属于永磁交流伺服电机领域，包括定子(1)、气隙(2)、绕组(3)、永磁体(4)、槽楔(5)和转子(6)。定子由高磁感冷轧取向电工钢叠压制成，有益于增大电机输出扭矩，减小电机轴向尺寸，内部嵌有三相交流绕组，转子由冷轧无取向电工钢叠压制成，为轮辐式结构，转子中嵌入钕铁硼永磁体，永磁体沿轴向分成两段，有益于减小永磁体涡流损耗。电机整体采用10极12槽的配合形式，降低了齿槽转矩，消除了不平衡磁拉力，削弱了电机转矩脉动值，提高了电机控制精度。
Description
技术领域
本发明属于永磁交流伺服电机技术领域，具体涉及一种400W永磁交流伺服电机定转子结构。
背景技术
随着时代发展与科技进步，无论是汽车工业、机床产业或是机器人工业，均向着自动化、智能化方向发展。具有控制驱动作用的伺服电机是其中的核心执行机构，因此研发高性能、高品质、高可靠性的伺服电机对于促进汽车、机床及机器人产业的技术进步具有重要意义。
电机转矩脉动性能直接决定电机输出转矩的平稳性及电机的控制精度，是伺服电机非常重要的性能之一。传统的小功率伺服电机多是表贴式转子结构，通过改变磁极形状、优化极弧系数、定子不等齿宽配合、定子不等槽口宽配合及永磁体分段斜极等方式削弱伺服电机的转矩脉动值。表贴式转子磁极形状不规则会增大磁钢制造成本及制造难度，且对于高速伺服电机一般还需在其表面加装高强度非导磁合金套筒，防止电机高速运行时永磁体被甩出。
相比于表贴式伺服电机，内置式伺服电机的转子磁动势谐波含量更丰富，转矩脉动值更高，齿槽转矩抑制难度更大。但是由于其永磁体嵌入转子铁芯之中，因而有更高的功率密度、抗退磁能力及运行可靠性。同时，内置式伺服电机所采用的矩形永磁体制造成本远低于表贴式伺服电机圆弧形或面包形永磁体制造成本。采取合理的方法抑制内置式伺服电机的转矩脉动，拥有价格及性能双重优势的内置式伺服电机将具有更加广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于针对现有国产伺服电机转矩脉动性能较差、功率密度较低、过载能力低等问题，提出了一种伺服电机定转子结构，有效提高电机的转矩脉动性能、减小电机轴长，提高电机过载能力。
本发明中定转子设计方案如下：
包括定子、绕组、永磁体、槽楔和转子，定子槽内部嵌有绕组和绝缘槽楔，绕组为铜线，定转子间具有气隙，转子为轮辐式正弦转子结构，转子中内置永磁体；定子、转子轴向长度相同，电机整体采用10极12槽的配合形式，定子、转子由硅钢片叠压制成。
定子材料为高磁感冷轧取向电工钢30QG100，定子槽为梯形结构。
转子材料为冷轧无取向电工钢M250-35A，极弧长度α＝9.11mm，极弧与定子内圆弧之间的距离为g，gmin＝0.6mm，gmax＝2.12mm，转子槽开口b＝1.2mm，永磁体宽度t＝2mm，转子槽开口b小于永磁体宽度t，在永磁体装配时可起到定位作用。
永磁体材料为钕铁硼，型号N42SH，长方体结构，在轴向上分为两段，永磁体通过与转子吸引力及与金属胶的粘合力固定在转子中。
绕组为三相双层交流叠绕组，节距为1、并绕根数为3、并联支路数为1，单个线圈匝数为52，星形连接。绕组输入三相交流电，相邻两相相位差120°，设A、B、C相绕组电流瞬时值为iA、iB、iC，则其表达式为：
其中I表示输入电流有效值，单位为A；ω表示电机电角速度，单位为rad/s。
本发明可达到的有益效果如下：
采用10极12槽的配合结构，齿槽转矩的次数较大，并且是偶数槽，因此，可消除不平衡磁拉力，减小电机转矩脉动。定子采用高磁感冷轧取向电工钢，在同样条件下可增大电机输出扭矩，减小电机轴向长度，提高电机功率密度，增大电机适用范围。轮辐式正弦转子结构，可以有效地降低电机转矩脉动，转子槽开口b小于永磁体宽度t，有利于永磁体的装配定位及在电机高速旋转时，可对永磁体起固定保护作用，防止永磁体被甩出。永磁体采用性能优异的钕铁硼材料，长方体结构可降低其加工制造成本。
本发明的工作过程如下：
绕组中通入三相交流电，相邻两相相位差为120°，根据电磁感应原理，电流在定子中产生旋转磁场，即旋转的N、S极，转子中内置永磁体，沿转子铁芯圆周切向磁化，根据磁极间同极相斥、异极相吸的原理，定子产生的旋转磁场会带动转子中的永磁体转动，由于永磁体和电机转子装配为一体，从而使电机转子转动，输出转速及转矩。
附图说明
图1为电机定转子结构平面示意图
图2为电机定转子结构三维图
图3为电机转子主视图
图4为轮辐式正弦转子局部尺寸示意图
图5为永磁体三视图
图6为转子磁钢装配体爆炸图
图7为电机定转子结构输出转矩图
图8为电机定转子结构齿槽转矩图
图9为电机定转子结构永磁体涡流损耗图
其中：1.定子 2.气隙 3.绕组 4.永磁体 5.槽楔 6.转子
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行描述。
如图1、图2所示的一种400W永磁交流伺服电机定转子结构，由定子(1)、气隙(2)、绕组(3)、永磁体(4)、槽楔(5)和转子(6)组成。定子材料为高磁感冷轧取向电工钢30QG100，转子材料为冷轧无取向电工钢M250-35A，在同样的条件下，这样的材料组合可使电机输出更大扭矩，从而减小电机轴向尺寸，提高电机功率密度，定子、转子由硅钢片叠压制成。本发明中，电机功率为400W，转子直径为31.8mm，转子采用轮辐式结构，同样的体积下可装载更多永磁体。10极12槽的配合形式，可增大电机齿槽转矩次数，减小齿槽转矩，降低转矩脉动，偶数槽消除了不平衡磁拉力，转子转动惯量为3.49×10-5kg·m2，有效提高了电机反应灵敏度。
如图3、图4、图5所示，转子极弧长度α＝9.11mm，极弧与定子内圆弧之间的距离为g，gmin＝0.6mm，gmax＝2.12mm，转子槽开口b＝1.2mm，永磁体长度c＝8mm，宽度t＝2mm，高度d＝27.5mm，转子槽开口b小于永磁体宽度t，在永磁体装配时可起到定位作用。
如图6所示，为电机转子磁钢装配体爆炸图，在不显著提升永磁体加工难度、装配难度及成本的前提下，永磁体在轴向上分成两段，以降低涡流损耗。永磁体分别从两侧嵌入转子中，通过与硅钢片的吸引力及金属胶粘合力固定在转子中，与转子成为一体。
如图7所示，为电机输出转矩图，额定工况下电机转矩最大值1.3029Nm，最小值1.3001Nm，平均值1.3016Nm，转矩脉动值为0.215％，处于较低的水平；过载工况下电机平均转矩4.576Nm，电机过载能力较强，可达到3.5倍过载。
如图8、图9所示，分别为电机输出齿槽转矩图及电机永磁体涡流损耗图，齿槽转矩值在74.6126μNm与-50.6335μNm之间变动，处于较低的水平；额定工况下涡流损耗平均值为72.5556mW，过载工况下涡流损耗平均值为1.0727W，处于较低的水平。
Claims (4)
1.一种400W永磁交流伺服电机定转子结构，其特征在于，包括定子(1)、气隙(2)、绕组(3)、永磁体(4)、槽楔(5)和转子(6)；定子槽采用梯形结构，槽内安装有绝缘槽楔，绕组缠绕在定子齿上，转子为轮辐式正弦转子结构，转子中内置永磁体，定子、转子轴向长度相同，电机整体采用10极12槽的配合形式；定子材料为高磁感冷轧取向电工钢，转子材料为冷轧无取向电工钢，定子、转子由硅钢片叠压制成。
2.按权利要求1所述的一种400W永磁交流伺服电机定转子结构，其特征在于，转子槽开口b＝1.2mm。
3.按权利要求1所述的一种400W永磁交流伺服电机定转子结构，其特征在于，永磁体采用长方体结构，在轴向上分成两段，通过与转子铁芯的吸引力及金属胶粘合力固定在转子中，永磁体沿转子铁芯圆周切向磁化。
4.按权利要求1所述的一种400W永磁交流伺服电机定转子结构，其特征在于，绕组为三相双层交流叠绕组，线圈匝数为52，并绕根数为3，同相绕组四个线圈串联连接，每个线圈绕过一个定子齿。
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