CN214154183U - 一种采用内置式磁极削弱齿槽转矩的永磁同步电动机结构 - Google Patents
一种采用内置式磁极削弱齿槽转矩的永磁同步电动机结构 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开一种采用内置式磁极削弱齿槽转矩的永磁同步电动机结构，其包括定子、转子和转轴，所述转轴套接固定于转子的中轴孔上，所述转子位于圆环型的定子内侧，所述定子内部沿圆周方向环绕设有多极定子槽，定子槽内分布有集中绕组，所述转子内部沿圆周方向环绕设有多极永磁安装槽，所述永磁安装槽包括两个对称设置的永磁体槽，两个永磁体槽之间形成U型结构，两个永磁体槽靠近转轴的一端且相互连接处分别内嵌固定有铁芯桥，所述铁芯桥的两端分别紧靠于转子，两个永磁体槽的中部分别内嵌固定有永磁体。本实用新型能够解决齿槽转矩导致转矩波动，降低永磁电机伺服驱动系统的控制特性和运行可靠性，影响系统的控制精度，并引起振动、噪声等问题。
Description
技术领域
本实用新型属于永磁电机领域，特别涉及一种采用内置式磁极削弱齿槽转矩的永磁同步电动机结构。
背景技术
永磁同步电动机以其高效、高转矩密度、低振动噪声的性能特点而被广泛应用于工业运用之中。但齿槽转矩是永磁电机特有的问题之一，是高性能永磁电机设计和制造中必须考虑和解决的关键问题，削弱齿槽转矩不仅能降低电机运转时产生的振动和噪声，也能够提高电机在速度控制系统中的低速性能和在位置控制系统中的高精度定位。
目前永磁电机的齿槽转矩削弱方法主要存在以下问题：
1、许多方法在降低齿槽转矩的同时会导致电机输出转矩的降低，甚至可能导致电磁转矩脉动的增加。因此，在应用时应综合考虑，既要考虑到齿槽转矩脉动，又要考虑到电磁转矩脉动，根据实际情况采用合适的削弱方法，既可以是一种，也可以是几种的组合。
2、在传统永磁电机中，电机槽开口导致气隙不均匀，气隙磁密波形畸变严重，会对电机的齿槽转矩和转矩脉动产生较大影响，同时槽开口过小虽然能减小齿槽转矩，但是也导致了加工和下线困难，也降低了电机的槽满率。
3、虽然很多方法都可以实现削弱齿槽转矩，但是有些方法有明显的缺点，实际中很难广泛的应用，例如分数槽绕组会使磁场分布不均匀，产生不平衡磁拉力；定子斜槽减少定子槽面积，影响绕组镶嵌，同时增加电机的杂散损耗及漏磁；转子斜极会产生轴向不平衡磁拉力；不等磁片厚度容易使电机空载反电动势过大和温度场局部饱和；永磁体分段错位结构复杂，制造工艺困难。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，本实用新型提供一种采用内置式磁极削弱齿槽转矩的永磁同步电动机结构，以解决齿槽转矩导致转矩波动，降低永磁电机伺服驱动系统的控制特性和运行可靠性，影响系统的控制精度，并引起振动、噪声等问题。
为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
一种采用内置式磁极削弱齿槽转矩的永磁同步电动机结构，包括定子、转子和转轴，所述转轴套接固定于转子的中轴孔上，所述转子位于圆环型的定子内侧，所述定子内部沿圆周方向环绕设有多极定子槽，定子槽内分布有集中绕组，所述转子内部沿圆周方向环绕设有多极永磁安装槽，所述永磁安装槽包括两个对称设置的永磁体槽，两个永磁体槽之间形成U型结构，两个永磁体槽靠近转轴的一端且相互连接处分别内嵌固定有铁芯桥，所述铁芯桥的两端分别紧靠于转子，两个永磁体槽的中部分别内嵌固定有永磁体。
进一步的，所述定子面向气隙处的内表面上沿圆周方向间隔开有多个辅助凹槽。
进一步的，所述集中绕组共有三相，同相绕组相互串联。
进一步的，两个永磁体槽连接处内嵌固定的铁芯桥厚度相同。
进一步的，所述永磁体的磁极长度与厚度比为4.5-5.5，且永磁体的长度不少于永磁体槽的三分之一。
本实用新型采用以上技术方案，具有以下技术效果：
1、本实用新型在传统“V”型永磁电机的基础上在转子靠近转轴段内侧新添加一对铁芯桥将磁极隔开，磁极安装槽呈“U”形，永磁极安装槽内设有两块永磁体，这样的转子结构能够以牺牲较少电磁转矩的代价换取齿槽转矩的大幅度削弱，既提高了内置式永磁电机的动态性能，又减少了永磁体的用量，节省电机的成本；
2、铁芯桥的加入能够将转子内侧永磁体槽连接成一个整体，从而大大降低了电机的装配难度，有利于电机的生产制造；
3、在面向气隙处的定子内表面开辅助凹槽，能够有效地减小齿槽转矩。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细说明；
图1为本实用新型的剖视图；
图2为图1中的局部放大图；
图3为开辅助凹槽与不开辅助凹槽的齿槽转矩对比图；
图4为不同辅助凹槽尺寸下齿槽转矩的对比图；
图5为采用不同永磁体厚度对齿槽转矩削弱影响的示意图。
具体实施方式
永磁电机齿槽转矩的产生机理：齿槽转矩是永磁电机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力的切向分量引起的。当定转子存在相对运动时，处于永磁体极弧部分的电枢齿与永磁体间的磁导基本不变，因此这些电枢齿周围的磁场也基本不变，而与永磁体的两侧面对应的由一个或两个电枢齿所构成的一小段区域内，磁导变化大，引起磁场储能的变化，从而产生齿槽转矩。齿槽转矩定义为电机不通电时的磁场能量W对定转子相对位置角α的负导数，即：
目前，可以通过两种方法实现削弱永磁同步电机的齿槽转矩：一是改变电机自身结构。二是采用不同的控制策略。本实用新型采用第一种方法，达到削弱齿槽转矩的目的。
如图1和图2所示，本实用新型采用内置式磁极削弱齿槽转矩的永磁同步电动机结构，包括定子1、转子5和转轴7，所述转轴7套接固定于转子5的中轴孔上，所述转子5位于圆环型的定子1内侧，所述定子1内部沿圆周方向环绕设有多极定子槽4，定子槽4内分布有集中绕组2，所述集中绕组2共有三相，同相绕组相互串联。
所述转子5内部沿圆周方向环绕设有多极永磁安装槽6，所述永磁安装槽6包括两个对称设置的永磁体槽，两个永磁体槽之间形成U型结构，两个永磁体槽靠近转轴7的一端且相互连接处分别内嵌固定有等厚度的铁芯桥9，所述铁芯桥9的两端分别紧靠于转子5，两个永磁体槽的中部分别内嵌固定有永磁体3。
如图1、图2所示，本实用新型在传统的内置式永磁电机的基础上，从转子5内测沿永磁体槽方向缩短永磁体3长度，并在每对永磁体槽连接处分别加入了等厚度的铁芯桥9，并使其始终保持与转子5紧靠，铁芯桥9的加入能够将转子5内侧永磁体槽连接成一个整体，从而大大降低了电机的装配难度，有利于电机的生产制造。
所述永磁体3的磁极长度与厚度比为4.5-5.5，且永磁体3的长度不少于永磁体槽的三分之一。定子1面向气隙处的内表面上沿圆周方向间隔开有多个辅助凹槽8，辅助凹槽8槽口宽度和深度尺寸初步与定子槽4槽口宽度相等，定子1内表面上的辅助凹槽8尺寸将经过参数优化得到最合适的尺寸组合。
在定子1内表面上开有辅助凹槽8。其中凹槽槽口宽度为k、槽口深度为s，初始尺寸k×s＝2mm×1mm。相对于一般结构的内置式永磁电机，开辅助凹槽8相当于增加了定子1齿数从而改变了电机的磁极配合数，齿槽转矩的频率被提高所以在某种程度上其幅值得以降低，二者对比如图3所示，开有辅助凹槽8的齿槽转矩峰值下降了约60％。
如图4所示，从初始尺寸以0.5mm为一个分析尺寸间隔，辅助凹槽8宽度k依次选取0mm(不开辅助凹槽8)、0.5mm、1mm、1.5mm、2.0mm，辅助凹槽8深度s依次选取0mm(不开辅助凹槽8)、0.5mm、1mm，两者结合形成不同的槽型尺寸组合产生的齿槽转矩如图4所示。总体上，辅助凹槽8的槽口宽度和深度尺寸组合可以明显削弱齿槽转矩，当辅助凹槽8的宽度k＝0.5mm、辅助凹槽8的凹槽深度s＝1mm时齿槽转矩最小，齿槽转矩峰值减小了约35％。
将永磁体3沿转子5内侧沿永磁体槽方向优化磁极厚度，在此过程中铁芯桥9紧靠转子5内壁。以磁钢厚度为参数对齿槽转矩进行优化，为得到最优的永磁体3厚度，并以普通“V”型内置式布置方式为对照，即永磁体3长度为6.4mm，磁钢厚度从6.4mm始以步长0.1mm递减直至5.5mm。共选取了5.5mm、5.8mm、6.1mm、6.4共四种长度进行分析研究。
如图5所示，电机的齿槽转矩随着转子5位置的变化呈变化，并随永磁体3长度的减小而减小。传统的“V”型内置式电机的永磁体3长度为6.4mm时的齿槽转矩最大，当永磁体3长度变为5.5mm，并加入铁芯桥9之后,其齿槽转矩峰值下降了约20％，永磁体3的用量也减少了14％，仍可继续优化磁钢厚度。
由此可见，本专利所提出的结构能够有效的减小内置式永磁同步电机的齿槽转矩，并且能减小永磁体3的用量，节省电机的成本，进而提高了内置式永磁电机的动态性能。
上面结合附图对本实用新型的实施加以描述，但是本实用新型不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式是示意性而不是加以局限本实用新型，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (5)
1.一种采用内置式磁极削弱齿槽转矩的永磁同步电动机结构，包括定子、转子和转轴，所述转轴套接固定于转子的中轴孔上，所述转子位于圆环型的定子内侧，所述定子内部沿圆周方向环绕设有多极定子槽，定子槽内分布有集中绕组，所述转子内部沿圆周方向环绕设有多极永磁安装槽，其特征在于：所述永磁安装槽包括两个对称设置的永磁体槽，两个永磁体槽之间形成U型结构，两个永磁体槽靠近转轴的一端且相互连接处分别内嵌固定有铁芯桥，所述铁芯桥的两端分别紧靠于转子，两个永磁体槽的中部分别内嵌固定有永磁体。
2.根据权利要求1所述的一种采用内置式磁极削弱齿槽转矩的永磁同步电动机结构，其特征在于：所述定子面向气隙处的内表面上沿圆周方向间隔开有多个辅助凹槽。
3.根据权利要求1所述的一种采用内置式磁极削弱齿槽转矩的永磁同步电动机结构，其特征在于：所述集中绕组共有三相，同相绕组相互串联。
4.根据权利要求1所述的一种采用内置式磁极削弱齿槽转矩的永磁同步电动机结构，其特征在于：两个永磁体槽连接处内嵌固定的铁芯桥厚度相同。
5.根据权利要求1所述的一种采用内置式磁极削弱齿槽转矩的永磁同步电动机结构，其特征在于：所述永磁体的磁极长度与厚度比为4.5-5.5，且永磁体的长度不少于永磁体槽的三分之一。
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