CN1856921A - 高效永磁无刷电动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高度优化的电动机设计，与传统设计的类似尺寸的电动机相比，能够增加扭矩。另外，本发明能够使电动机在低速下提供平稳、无波动的运行。通过提供所述优点的公开的槽沟/磁极比提供了这些改进。

Description

高效永磁无刷电动机

技术领域

本发明总体上涉及一种永磁电动机，更具体地说，涉及能够有效地产生具有低扭矩波动的大扭矩的伺服电动机，其中小扭矩波动包括低齿槽效应(low cogging)扭矩分量和低MMF谐波扭矩分量。

背景技术

效率总是所有电动机设计的主要目标。理想地，电动机应当小巧、强劲而且扭矩波动小、低廉并且能效高。但是，并不能满足这种理念。对于现实世界的设计，必须进行平衡，目标必须区分优先次序。

在设计高性能的伺服电动机时，价格、能效和尺寸的优先次序通常低于功率和性能品质。一般而言，伺服电动机必须基于时间上的连续性和基于短期的峰值而在速度范围内产生平滑而强劲的扭矩，而且没有齿槽效应、扭矩波动或者速度波动。此外，许多伺服应用特别需要在低速下扭矩大而且性能平稳。

从由伺服电动机和伺服驱动器电子设备组成的伺服系统中的伺服电动机产生的扭矩波动存在许多原因。一般来说，主要原因在于齿槽效应扭矩、MMF谐波扭矩以及电流谐波扭矩。槽沟扭矩的原因在于当转子磁体在没有电流施加在电动机上而转动时从转子磁体上显示出来的磁导的变化。MMF谐波扭矩是由于围绕所述定子的绕组匝数非正弦分布的结果，因为它们典型地放置在不同的槽沟中。电流谐波扭矩是由于产生非平衡和/或非正弦三相电流的驱动的结果。

传统的伺服电动机通过使用高速电动机和齿轮箱结合以提供混合校正扭矩速度用于特定的驱动应用而解决了上述存在的问题。这些电动机被设计为有效地高速运行，其齿槽效应、速度波动、以及扭矩波动都不是严重的问题。齿轮箱用于将电动机的高速运动转换成被驱动设备所需的低速度/大扭矩的操作。

但是，这种解决方案主要由于需要齿轮箱而导致了其本身的低效率。齿轮箱昂贵、效率低、有噪音、而且产生了很可能需要付出额外维修代价的扭矩波动。由于齿轮的齿间隙(backlash)以及所需的耦合器和齿轮箱本身中的低扭转共振，使用齿轮箱还阻碍了电动机和被驱动设备的紧凑集成。这样导致了较低的系统带宽，由于容纳齿轮箱需要额外的空间，降低了在总体物体较大的系统中的系统性能。

通过使用直流驱动器/筒式(cartridge)电动机可避免齿轮箱的低效率，参见美国专利No.US6,577,036。直流驱动电动机可被螺栓连接到受驱设备上。因此实现了高度的机械复杂性、机械刚性和效率。相应地，直流驱动系统消除了齿轮箱、对其系统的限制性、以及其相关的昂贵性。但是，省略了齿轮箱也导致了其有益功能的损失，即在其最有效的速度下运行电动机并随后使用齿轮在所需的速度下提供所需扭矩的能力。结果，直流驱动电动机必须设计成在受驱设备的所需速度下最优地运行。因此，上述低转速/大扭矩的应用相对于采用齿轮的解决方法需要相对较大的电动机。还有，利用在低速下运行的电动机，齿槽效应、速度波动和扭矩波动变成更加显著的问题。当然，对于相对较大、更加昂贵的电动机的需求至少部分地否定了通过去除齿轮箱而得到的成本利润。

 发明内容

上述问题得到了解决，并在本领域中，通过在永磁无刷电动机的设计中提供使用最优槽沟/磁极比的高效电动机设计而实现改进。

本发明的技术优点通过提供小于1但大于0.5的槽沟/磁极比而得以实现。这样的槽沟/磁极比能够提供高效的扭矩。

本发明进一步的方面提供将提供更优齿槽效应性能的槽沟/磁极组合。

本发明进一步的方面提供将提供平衡的绕组的槽沟/磁极组合。

本发明进一步的方面提供将提供低的总谐波失真的槽沟/磁极组合。

本发明更进一步的方面提供将实现易于利用自动缠绕设备进行制造的电动机。

附图说明

附图1描述了根据本发明的优选实施例的电动机的横向截面图。

图2A-2D是示出了根据本发明的实例性槽沟/磁极设计的各种参数的图表的部分。示出更多实例性的实施例的图表附属为附表1。

图3是将用于不同槽沟/磁极的组合的齿槽与变化的制作公差进行比较的图表。

具体实施方式

本发明提供了一种高度优化的电动机设计方案，相对于传统结构的类似的小尺寸电动机，其能够增加扭矩。另外，本发明允许提供平稳、无波动、低速运行扭矩的电动机。通过现有技术中不存在的独特效率的电动机设计布局而提供了这些改进。

本发明的独特发明方面通过参照附图最佳地得到说明。本发明的实例性实施例示出在附图1中。这种电动机具有传统永磁体无刷电动机的许多特征。缠绕组件1具有设有槽沟5的可透磁叠层，以及缠绕在槽沟中的绝缘铜线。绝缘铜线以一个齿的间隙缠绕成线圈，即每个线圈环绕一个齿缠绕。磁场组件10具有布置在可透磁结构17上的磁极15。

本发明由于通过对槽沟数和磁极数的组合进行选择实现了最优化的设计而获得了令人吃惊的优点。在传统永磁体电动机结构中，机器中的槽沟数总是大于磁极数。这种历史性结果源于几乎所有三相绕组都是为感应电动机而构造的事实。由于磁极是定子和转子绕组之间耦合的结果，因此构造磁极多于槽沟的感应电动机是不可行的。研发三相无刷电动机绕组沿袭了感应电动机的传统。

本发明通过将这种长期被接受的实践进行颠覆而实现了增加其扭矩效率的优点。具体而言，已经发现，被设计为磁极多于槽沟的电动机将对于给定的耗散功率量提供了增加的电动机扭矩。这是由于对于给定数量的磁极，较少的槽沟产生了较大的槽沟面积。较大的槽沟面积意味着所需的槽沟壁绝缘和相位绝缘占据较少百分比的可用槽沟面积，留下了更大的其内放置铜的空间。因此已经发现，从槽沟/磁极组合的富有见识(informed)的选择开始设计产生了本质上更好的电动机。而且，优点完全源于由槽沟/磁极比所提供的几何形状及其电动机缠绕组件和磁场组件之间的关系的效果。

通过在以下几个方面提供更具自由度的设计，本发明的槽沟/磁极比实现了另外的优点。(1)允许使用更大数量的磁极，因为齿长度/齿宽度相对于增加的槽沟宽度较小。但是，由于增加了导致增加扭矩滑离(rolloff)和感应系数的磁通量的横向槽沟的泄漏，最终限制了齿长度/齿宽度比，其中该齿长度/齿宽度比也由于伴随的槽沟宽度的增加而恶化。(2)由于较短的端部匝数长度和由此导致的较小的线圈阻抗，较大数量的磁极提供了更大的扭矩。除了较短的端部匝数之外，在包括端部匝数长度的相同总长度之内，可增加更多的叠层。(3)由于齿长度/齿宽度较小，较宽的齿再次允许较宽范围的定子内径/外径(ID/OD’s)。

通过确定较优化的槽沟/磁极组合，提供了本发明的优点。最佳适合于特定电动机的特定槽沟/磁极组合当然依赖于给定设计的具体参数，例如可透磁叠层的外径和可透磁叠层的叠层长度等。换句话说，使用通过本发明确定的槽沟/磁极组合对于所需的特定尺寸或者速度的电动机将很有益处。所确定的组合将很容易地实现用于所需的特定电动机参数的最佳的槽沟/磁极组合。使用所确定的槽沟/磁极组合，例如实现了高效的扭矩。本发明还确定了其它特征的范围，其能够使根据本发明的电动机设计能够符合给定应用的其它特定条件。

图2A-2D的图表示出了用于根据本发明的实例性槽沟/磁极设计的各种参数(示出更加实例性实施例的图表附加为附表1)。描述在该图表中的槽沟/磁极组合表示应用在电动机的设计中以适用于所需的特定应用的有益的起始点。假设有益的槽沟/磁极比小于1，这些组合假定为一个齿的线圈间隙。但是，对于最终的电动机设计，最重要的具体特征将通过特定应用的需求进行表述。例如，特定的应用可能需要在齿槽效应性能稍微较差的代价下具有稍微较大的扭矩。图2A-2D以及随附的附表1在选择槽沟/磁极组合以适应诸如绕组平滑、齿槽效应、扭矩和总谐波失真之类的多个设计特征时对设计人员进行指导。它不仅显示对于特定设计的最优势的槽沟/磁极组合，而且确定应该避免的较差的槽沟/磁极组合。

对于特定的电动机设计，例如，人们可能选择磁极计数，以符合理想的速度性能特征。选择磁极的特定数目在任何电动机设计中都是一种基础性的决策。这种选择主要依赖于最大速度，在该最大速度下，需要电动机进行操作，而且电源提供最大频率。一般来说，对于其它的类似设计的电动机，磁极的数量越多，可能产生的扭矩越大，都以连续性和峰值为基础。但是，磁极数量越多，对于电源的给定最大频率，电动机的最大速度越低。例如，通常在较低最大速度下使用的直流驱动的电动机受益于较高的磁极计数。

利用所选择的磁极计数，设计人员可随后使用图2A-2D或者附表1选择槽沟/磁极组合，以与其它所需的参数匹配。因此，根据本发明的设计随着磁极数量的增加，例如20或者更多个磁极，而特别有益，因为更多的磁极计数提供越多的可供选择的槽沟/磁极组合。

如上所述，利用槽沟/磁极比大于1的电动机可实现最优化的扭矩效率。槽沟/磁极比小于1的电动机的性能比利用槽沟/磁极比大于1的传统电动机布局可实现的电动机的性能更好。例如，槽沟/磁极比为1.125的45个槽沟、40个磁极的电动机被测试，并且其代表目前可得到最好的扭矩效率性能中的一个。但是，根据本发明所设计的可比较尺寸的36个槽沟/46个磁极的电动机产生了比公知的45个槽沟/40个磁极的电动机大36％的扭矩效率。较小的槽沟/磁极比的优点并不是无限连续的，随着比值接近0.5，降低槽沟/磁极比的许多优点已被抵销的性能消耗了。例如，36个槽沟/46个磁极的电动机也具有比24个槽沟/46个磁极的电动机大2.3倍的扭矩。

许多因素通过根据本发明的设计而有助于获得最优的扭矩。这些因素实现了比值，比值将提供最大扭矩以从一种设计变化到另一种设计，但是，最大扭矩应当产生在具有大于0.5而小于1的槽沟/磁极比的设计。由于以下原因产生了这种最优。

首先，降低槽沟的数目导致了每个磁极的更多开口槽沟，因为应用在槽沟壁和槽沟内不同相的线圈之间的所需绝缘部分具有固定的厚度。因此，在具有较少槽沟的设计中，绝缘部分占据较低百分比的总槽沟面积。这样对于将被承载在缠绕组件中的扭矩产生铜线留下了相当大的面积。这种效果在缠绕组件承载在转子上的设计中特别有益，因为减少了缠绕组件中铜线可利用的空间。对于给定数目的磁极，降低槽沟数量的益处最终被由于线圈跨过较长的槽沟至槽沟之间的距离以及绕组端部匝数所需的导线长度的相关增加而导致阻抗的增加而超过。有效地是，端部匝数中使用的较大百分比的导线降低了电动机的扭矩，因为端部匝数导线仅把额外的阻抗增加到电动机的相而无助于电动机的扭矩，而且限制了可被使用的扭矩产生叠层的层叠长度。

其次，随着槽沟/磁极比的降低，电动机绕组变得越来越过度倾斜。换句话说，随着槽沟/磁极比降低，每个线圈的跨度节距在一个齿上保持相同，而磁极节距降低，并且进而降低节距因数Kp。Kp等于sin(1-(节距pu-1)*90.0)，而且直接正比于输出扭矩，其中节距pu＝(跨度节距/磁极节距)。无刷电动机的扭矩可表述如下：

T＝m*(dψ/dt)*I

其中：m＝比例常数

Ψ＝Kp*f(几何，材料性质)

I＝rms相电流

因此，电动机的扭矩直接正比于Kp因素。图2A-2D以及附表1列出了用于每个槽沟/磁极组合的Kp。但是，正如上面讨论的电阻损失增加，降低电动机槽沟/磁极比的益处由于增加的电动机节距所导致的抵销扭矩的损失而得到调节。

在最大可实现的扭矩之外，许多其它考虑可能指示特定的槽沟/磁极设计是或者不是适合于作为伺服电动机。设计高性能伺服电动机中的最重要的因素之一就是确保齿槽效应降低至最小。齿槽效应问题对于直流驱动的电动机稍微更麻烦些，因为它们工作的电频率稍微较低。根据本发明设计的电动机可通过对用于齿槽效应性能的可能的槽沟/磁极组合进行筛选(screening)而对此进行补偿。确定电动机的齿槽效应性能的第一方法是槽沟和磁极之间的比值是不是不重复的小数。不重复小数比值比比值有限度或者重复具有更良好的齿槽效应性能。例如，比值为0.750的36个槽沟、48个磁极的电动机比比值为0.7826086957....的36个槽沟、46个磁极的电动机将具有更差的齿槽效应性能。

另一种方法提供数量的结果，用于利用产生齿槽效应值(C_T)的等式来确定特定槽沟/磁极设计的性能。图2A-2D以及附表1列出了用于每个槽沟/磁极组合的C_T。C_T是优点的目标数据，该数据可用于确定各种槽沟/磁极组合的相对齿槽效应性能。通过利用等式C_T＝pQ_s/N_c确定C_T。变量为(1)p＝电动机的磁极数，(2)Q_s＝槽沟数，以及(3)N_c＝槽沟数和磁极数之间的最小公倍数(即槽沟数和磁极数的倍数的最小非零数)。对于给定的磁极数，针对各种槽沟数的选择可确定C_T值。用于给定的槽沟/磁极组合的C_T值越低，最终的电动机齿槽效应性能越优良。

结合理想的磁极计数对各种槽沟/磁极组合确定C_T。令人吃惊的是，已经发现槽沟/磁极比精确为0.75的电动机相对于比值小于1的其它有效的槽沟/磁极组合将具有显著更高的C_T值。例如，如附表1所示，16个磁极12个槽沟的设计的C_T＝4，该值对于槽沟/磁极比小于1的16个槽沟的电动机为最大的C_T值。这种趋势连续至32磁极/24槽沟时C_T＝8；40磁极/30槽沟时C_T＝10；44磁极/33槽沟时C_T＝11；48磁极/36槽沟时C_T＝12；以及52磁极/39槽沟时C_T＝13。在各种这些情况下，比值接近0.75但不精确地为0.75的设计具有更良好的齿槽效应性能。虽然槽沟/磁极比为0.75的设计可使用其他技术，例如偏斜(skewing)，来降低齿槽效应性能，但它们仍将总是需要更大的努力和更广泛的齿槽效应降低技术来实现低齿槽效应扭矩，这种低齿槽效应扭矩是通过具有导致较低C_T值的槽沟/磁极比的类似电动机来实现的。

图3示出了制造公差在电动机的齿槽上的效应。如图所看到的，槽沟/磁极比为0.75的电动机不但具有内在的很差的齿槽效应，而且还需要高度的制造精度，因为0.75电动机的结构中的任何稍微的缺陷相对于低C_T电动机的同样改变都将导致极高的齿槽效应扭矩。因此，相对于低C_T的槽沟/磁极比，在0.75槽沟/磁极比的设计中，内在地更加难于实现给定水平的齿槽效应。

如图3所看到的，即便对于0.75组合，也仍然有可能实现低齿槽效应。这可以通过在中心的最优半径范围内使用理想的磁体定位来实现，该中心并不是面对气隙的磁体侧上的转子的中心。该半径范围小于将从转子中心只覆盖磁体的半径范围。以这种方式对磁体切成圆角(radiusing)降低了总的转子磁通量，因为已增加了平均气隙。这意味着在其他的参数保持不变的同时降低了电动机的扭矩效率。

但是，如图3所看到的，30个槽沟/40个磁极组合的齿槽效应对于机械几何形状的变化更灵敏。在这种情况下，如果其中一个磁极偏移入气隙0.005″(英寸)，则36个槽沟/46个磁极组合的齿槽效应增加1.59倍，其小于30个槽沟/40个磁极的增加的1.9倍。另外，如果转子OD被接地以减小几何形状的变化(去除0.005″(英寸)的高磁体)，将会使齿槽效应增加大于9倍，然而，在已成为圆形的转子中，齿槽效应将会降低。

偏斜是另一种选择，以降低0.75组合(也就是36/46组合)的齿槽效应。偏斜具有以下两种缺陷：(1)在其他两种参数保持不变时，电动机的扭矩效率降低；(2)更难于加工绕组。

与具有较低的C_T的近似相等的比值相比，对于0.75的设计中的参数变化具有本质上较差的齿槽效应和更高的灵敏性使理想的槽沟/磁极组合更加小一些。

仍然必须致力于进一步的设计考虑，以实现理想的电动机。图2A-2D中所示的槽沟/磁极组合也确定了具有最大平行路径的电动机。具有最大平行路径为1的槽沟磁极组合对于每个线圈具有较少的匝数，而且与具有2个或者更多个平行路径的绕组相比，其需要较大的导线尺寸以利用导线将槽沟填充到给定的百分比。这样导致更难于根据机器的类型利用自动缠绕机械进行缠绕，因为它必须推入更大量的导线并需要更大的槽沟开口，以通过该槽沟开口放置降低机械的扭矩效率的导线。这样，如果这也是一种担心，设计人员将需要避免这些槽沟/磁极组合。

还能够对槽沟/磁极组合进行优选，以能够实现具有适当数目的磁极的平衡绕组。图2A-2D以及附表1列出了给出其所有槽沟已被填充的平衡绕组的槽沟/磁极组合，这些组合在图中具有零值。不平衡绕组将导致产生下述：(1)在由典型的驱动器产生的平衡正弦波电流施加在其上时导致显著的扭矩波动；(2)在操作期间导致电动机不均匀发热；以及(3)在绕组被三角式连接时导致循环电流。具有其Qs为3的倍数的Qs个槽沟的三相电动机将在每个相中具有Qs/3个线圈。实现平衡的三相绕组的目标在于将相的线圈设置在环绕定子的给定槽沟位置处，这样符合以下两种标准：(1)从包括三相中的每一相的、串联/并联组合的线圈中产生的所有电压都相等；(2)电压在时间相位上偏移120度的电相角。这可以通过检测、列表方法或者计算机编程来实现。还有可能形成其中槽沟数目不能被三除的接近平衡的绕组。这可以通过具有一个或者两个附加槽沟和齿而实现，但是没有环绕这些附加齿卷绕的线圈。

图2A-2D以及附表1还列出了产生平衡绕组而不需要所有槽沟被填充的槽沟/磁极组合。尽管不是理论上的完美平衡，它们仍然能够制作得充分得接近实践上有效。但是，存在将使相与相非电平衡的其他槽沟/磁极绕组组合。这些组合将从稍微的不平衡变化成大的相位不平衡，在任何一种情况下，导致从较小的不希望的结果到极其差的性能。这些组合在平衡绕组栏中已具有零值，但已从列表中筛出了。这就是为什么并不是大于0.5而小于1.0的所有可能组合都示出在图表中的原因。

绕组选择中的进一步考虑的是在完美的三相正弦波电流施加在绕组上时由绕组形成的MMF波形。当使用磁通量的完美正弦波源时，这等同于观察绕组上产生的电压的波形。使用具有三相正弦电流源的电动机时的目标在于具有不带有谐波的正弦产生的电压波形。对于开有槽沟的定子和每个线圈的相同数量的匝数，不可能实现零谐波的目标，只能接近该目标。总的谐波失真(或者THD)是该目标的测量值。其定义为：

THD＝√(V₂/V₁)²+(V₃/V₁)²+(V₄/V₁)²+(V₅/V₁)²+(V₆/V₁)²+(V₇/V₁)²...)/V₁％

其中，V1、V2、V3是所产生波形的基本和高阶谐波。总的谐波失真THD如图2所示。很明显，较低的值更好。当选择理想的绕组时，这就变成了另一种重要的标准。

如上所述，根据本发明的设计特别良好地适用于大扭矩低转速的电动机。在本发明所述方法的指导下，已设计、制作和测试了两个实例性电动机。第一种电动机为36个槽沟、46个磁极的设计、且具有12.5″的定子叠层外径、8.1″的叠层长度和0.045″的气隙。第二种电动机为30个槽沟、38个磁极的设计、且具有8.6″的定子叠层外径、5.8″的叠层长度和0.040″的气隙。完成的电动机分别具有23.9和6.73的Km。Km为用于电动机优点的目标数据，表示由电动机产生的扭矩对所耗散的功率之比。当从电动机传导除去的热量，即耗散的功率，保持不变时，Km等同于电动机的连续扭矩，因此，较大的Km代表更高效的电动机。Km定义为：

$(\mathrm{Km}=T/\sqrt{\left(I^2\right)*R}(\mathrm{Nm}/\sqrt{\mathrm{Watts}})).$

根据本发明设计的电动机的上述Km的性能对于这种尺寸的电动机是最好的。

从详细的说明书中可以清楚本发明的许多特征和优点，并试图由随附的权利要求书覆盖落入本发明的真实精髓和保护范围之内的本发明的所有这些特征和优点。

更进一步地，由于对于本领域的技术人员来说容易产生许多改进和变化，因此将本发明局限于本文所图示和描述的精确结构和操作过程是不期望的。因此，本发明旨在所有可以被实施的适当的改进和等同物都将落入权利要求书的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种永磁无刷电动机，包括：

包括具有槽沟的透磁叠层的缠绕组件；

缠绕在槽沟内以提供电相位的绝缘铜线；

包括透磁结构和至少20个布置在透磁结构之上的磁极的磁场组件；

其中所述缠绕组件和所述磁场组件布置成在所述缠绕组件的电相位被励磁时产生原动力；而且

所述缠绕组件具有的槽沟比磁场组件具有的磁极更多。

2.如权利要求1所述的永磁无刷电动机，其中所述电动机具有36个槽沟和46个磁极。

3.如权利要求1所述的永磁无刷电动机，其中所述电动机具有30个槽沟和38个磁极。

4.如权利要求1所述的永磁无刷电动机，其中所述缠绕组件转动而所述磁场组件保持静止。

5.一种永磁无刷电动机，包括：

具有形成在其内的槽沟的缠绕组件；

缠绕在所述槽沟内以提供电相位的绝缘铜线；

包括透磁结构和布置在所述透磁结构之上的永磁磁极的磁场组件；

其中所述缠绕组件和所述磁场组件布置成在所述缠绕组件的电相位被励磁时产生原动力；而且

其中所述槽沟与所述磁极的比值小于0.75。

6.一种永磁无刷电动机，包括：

具有形成在其内的槽沟的缠绕组件；

缠绕在所述槽沟内以提供电相位的绝缘铜线；

包括透磁结构和布置在所述透磁结构之上的永磁磁极的磁场组件；

其中所述缠绕组件和所述磁场组件布置成在所述缠绕组件的电相位被励磁时产生原动力；而且

其中所述槽沟与所述磁极的比值大于0.75且小于1.0。

7.如权利要求6所述的永磁无刷电动机，其中所述槽沟与所述磁极的比值小于0.90。

8.一种低速、大扭矩永磁无刷伺服电动机，包括：

具有形成在其内的槽沟的缠绕组件；

缠绕在所述槽沟内以提供电相位的绝缘铜线；

包括透磁结构和至少20个布置在所述透磁结构之上的永磁磁极的磁场组件；

其中所述缠绕组件和所述磁场组件布置成在所述缠绕组件的电相位被励磁时产生原动力；而且

其中所述槽沟与所述磁极的比值大于0.5且小于1.0。

9.如权利要求8所述的电动机，其中所述槽沟/磁极的比值被选择成以形成平衡的绕组。

10.如权利要求8所述的电动机，其中所述槽沟/磁极的比值被选择成用于最优的齿槽效应性能。

11.如权利要求8所述的电动机，其中所述槽沟/磁极的比值被选择成能够实现缠绕组件的高效率机械缠绕。

12.如权利要求8所述的电动机，其中所述槽沟/磁极的比值被选择成具有低的总谐波失真。

13.如权利要求8所述的电动机，其中所述槽沟/磁极的比值被选择以形成平衡的绕组、具有最优的齿槽效应性能、且缠绕组件的高效率的机械卷绕。

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