专利名称：大极型方波三相无刷永磁直流电动机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及永磁直流电动机，更具体地说，涉及一种大极型方波三相无刷永
磁直流电动机，该电动机适用于直接驱动和位置、速率伺服控制应用。
背景技术：
永磁电动机根据驱动电流及反电势波形可分为正弦波和方波两大类。 一般将正弦 波永磁电动机称为永磁同步电动机(PMSM)，或称为正弦波交流伺服电动机。另一类方波永 磁电动机则称为方波无刷直流电动机(BLDCM)。 80年代期间，方波永磁电动机获得了普遍应用，方波永磁电动机的外特性和有刷 直流电动机基本相同，控制比较简单，但其最大的缺点是存在较大的原理性换向力矩波动， 对此，研究人员提出了多种补偿措施，但实际应用效果不理想。 由于正弦波永磁电动机的力矩波动则远小于方波永磁电动机，90年代期间，在精 密伺服驱动应用场合，方波永磁电动机逐渐被正弦波永磁电动机所替代，目前已经成为现 今工业应用的主流。然而，正弦波永磁电动机会导致控制系统复杂性大幅增高和成本大幅 增加，更重要的是电动机的力能指标大幅下降。 另一方面，传统方波无刷直流电动机及其控制技术被公认已经成熟，由于前述缺 陷，导致其被限定在要求不高的场合应用，国内外对其研究已经很少。 为解决上述技术问题，本专利的实用新型人此前申请了一项'方波三相无刷永磁 直流电动机'专利，公告号CN101371425A，其中公开了一种极数2P = 8的电机，但该电机高 速应用时仍有铁损偏大的问题。
实用新型内容本实用新型要解决现有方波永磁电动机和正弦波永磁电动机所存在的问题，提出 一种新原理、新结构、高性能、低成本的2P = 4的大极方波永磁电动机。 本实用新型的技术方案是，提供一种大极型方波三相无刷永磁直流电动机，所述 电动机的转子铁芯上装有多对永磁体，定子槽中装有三相绕组，其特征在于，所述转子铁芯 上的磁极数2P = 4 ;所述定子铁芯的槽数Z = 6，相应有6个齿，所述6个齿中包括三个大 齿、三个小齿；所述三相绕组为集中绕组，分别绕在三个大齿上，每相仅有一个绕组；所述 绕组和齿的排列次序是大齿上A相绕组一小齿一大齿上B相绕组一小齿一大齿上C相绕 组一小齿；其A表示A相绕组的一个集中绕组，B表示B相绕组的一个集中绕组，C表示C相 绕组的一个集中绕组。 本实用新型中，所述定子铁芯包括大齿铁芯和三个小齿铁芯；在所述大齿铁芯上 设有三个大齿，相邻两个大齿之间的轭部各设有一个锲入槽，共有三个锲入槽；每个所述小 齿铁芯通过其尾部锲入在所述大齿铁芯的其中一个锲入槽中。 本实用新型中，所述大齿铁芯可以是一体式的整体大齿铁芯，或者由三个单体大 齿铁芯组成，此时相邻两个单体大齿铁芯之间在该两个大齿的定子槽中心线处相互拼接。[0011] 本实用新型中，所述大齿铁芯和每一个小齿铁芯均可由多层齿硅钢片组成。具体 可通过盲孔铆压成整体结构。其中，所述大齿铁芯与各个小齿铁芯最好具有相同的硅钢片 层数；所述锲入槽可为燕尾形结构。 本实用新型中，所述定子铁芯上相邻大齿与小齿之间的槽的槽口 (5)宽度最好为 0. 1 3.0mm ;每个大齿占圆周75° 117°机械角度，即150。 234°电角度；每个小齿 占圆周45° 3°机械角度，即90。 6°电角度；且一个大齿与一个小齿的机械角度之和 等于120° ，电角度为PX12(T = 240° 。 本实用新型中，所述转子铁芯上各个永磁体N、 S磁极相间排列，所述永磁体是 径向充磁的瓦形磁钢、或者是平行充磁的瓦形磁钢；所述定子与转子之间的物理气隙为 0. 2 3mm ;所述转子铁芯上的永磁体的极距为(1 0. 8) X ji D/4，其中D是转子外径。永 磁体的极距是电机极距D/4的(1 0. 8)倍，随着此倍数的减小电机的气隙磁场将向正 弦波变化，当此倍数的减小为(0. 8 0. 6)倍时，气隙磁场将更近似正弦波。 本实用新型中采用霍尔位置传感器作为转子位置传感器，所述霍尔位置传感器 的磁敏感方向与转子法线方向相一致，安装于定子支架上，并与转子永磁体外圆之间保持 1 3mm的气隙。 由上述技术方案可知，本实用新型的大极方波三相无刷永磁直流电动机的磁极数 为2P = 4，其中采用磁极覆盖技术，使其气隙磁场具有120°电角度以上的平顶区；采用非 均匀齿槽和磁平衡小齿，使定位力矩减至最小。该电动机每相仅有一个集中绕组，结构简 单，生产成本很低。由于小齿是嵌入式的，先不装小齿，留出空间使集中绕组的绕制非常方 便，即使机器自动绕线也能保证85%以上的槽满率。该电动机的出力比传统正弦波永磁伺 服电机大33%，绕组端部比传统分布式绕组的正弦波永磁伺服电机小3倍以上，所以铜耗 大幅度减少。该方波三相无刷永磁直流电动机采用三相方波电流驱动时，能产生平稳的力 矩，其力矩波动指标与正弦波永磁伺服电机相当。
下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中 图1是本实用新型一个优选实施例中电动机的定、转子剖面结构示意图； 图2是本实用新型一个优选实施例中电动机总装结构示意图； 图3是图1所示实施例中的定子齿槽角度分布示意图； 图4是图1中的单个大齿硅钢片的结构示意图； 图5是图1中的单个小齿硅钢片的结构示意图； 图6是由图5所示多个小齿硅钢片组成一个小齿铁芯的立体结构示意图； 图7是一个大齿铁芯与三个小齿铁芯组成定子铁芯的示意图； 图8是由三个大齿铁芯与三个小齿铁芯组成定子铁芯的示意图。 图中，1是转子铁芯，2是永磁体，3是轭部，4是定子槽，5是槽口 ， 6是大齿，7是单
体大齿铁芯，8是小齿，9是整体大齿铁芯，10是小齿硅钢片，11是锲入槽，12是定位盲孔，
13是小齿硅钢片的尾部，201是转轴，202是转子，203是定子，204是物理气隙，205是定子支架。
具体实施方式
本实用新型的一个优选实施例如图1至图7所示。从图2中可以看出这种三相无 刷永磁直流电动机的大致结构，其主要部件包括转轴201、转子202、定子203等，转子202 与定子203之间的物理气隙204为0. 2 3mm。其中采用霍尔位置传感器作为转子位置传 感器，霍尔位置传感器的磁敏感方向与转子法线方向相一致，安装在定子支架205上，并与 转子磁钢(即永磁体)外圆之间保持1 3mm的气隙。 从图1中可以看出，在转子铁芯1上装有2对4个永磁体，4个磁极N、S相间排列， 也就是说，转子的磁极数2P = 4，这些永磁体产生气隙磁场。具体实施时，永磁体2可以是 径向充磁的瓦形磁钢、或者是平行充磁的瓦形磁钢。转子铁芯上的永磁体的极距为(l 0. 8) X Ji D/4，其中D是转子外径。 同时，定子铁芯的槽数Z = 6，对应有6个槽、6个齿；定子槽4的槽口 5的宽度为 0. 1 3mm ;6个齿中包括三个大齿、三个小齿，并在圆周内按大齿一小齿一大齿一小齿的次 序循环排布。 本实施例中，三相绕组为集中绕组，分别用绕线机(定子绕组内绕机)直接绕在绝 缘处理后的大齿上，绕组和齿的排列次序是大齿上A相绕组一小齿一大齿上B相绕组一小 齿一大齿上C相绕组一小齿；其A表示A相绕组的一个集中绕组，B表示B相绕组的一个集 中绕组，C表示C相绕组的一个集中绕组。可见，该电动机仅有三个集中绕组，电动机的绕组 总数非常少，大大简化了电动机结构，降低了成本，同时绕组端部减少到传统电动机小3倍 以上，达到了最小化，于是铜耗大幅下降。 从图3可以看出，每个大齿占圆周75° 117°机械角度，即150。 234°电角 度；每个小齿占圆周45。 3°机械角度，即90。 6°电角度；且一个大齿与一个小齿的 机械角度之和等于120。，电角度为PX120。 = 240° 。其中每个齿所占圆周机械角度包含 槽口宽度。 如图4至图7所示，其中的定子铁芯包括一个整体结构的大齿铁芯9和三个小齿 铁芯8 ;在大齿铁芯上设有三个大齿6，相邻两个大齿之间的轭部3各设有一个锲入槽11， 共有三个锲入槽；每个小齿铁芯8通过其尾部锲入在大齿铁9的其中一个锲入槽11中。 具体实施时，大齿铁芯9由多层大齿硅钢片组成，每一层大齿硅钢片的轭部和齿 部设有定位盲孔12，多层大齿硅钢片通过这些盲孔铆压成整体结构。同样，每一个小齿铁芯 8由多层小齿硅钢片组成；每一层小齿硅钢片IO上也设有定位盲孔12，多层小齿硅钢片通 过这些盲孔铆压成整体结构。本实施例中，大齿铁芯9与各个小齿铁芯8具有相同的硅钢 片层数。 从图4、图7中可以看出，其中的锲入槽ll为内部大、口部小的燕尾形结构；相应 地，每个小齿硅钢片10的尾部13也为燕尾形结构，最终组成的小齿铁芯的尾部可正好与锲 入槽11咬合。 具体装配时，在制成所述大齿铁芯后，先对大齿做绝缘处理，再用绕线机在三个大 齿上绕制A、 B、 C三相绕组，然后将三个小齿铁芯8分别嵌入大齿铁芯9的三个锲入槽11 中，即构成具三相绕组的定子铁芯。 为了使三相绕组的绕线更加方便，在图8所示的实施例中，将具有三个大齿的整 体大齿铁芯9，以相邻两个大齿之间的定子槽中心线为基准切分成三个部分，成为三个单体大齿铁芯7，分别对这三个单体大齿铁芯做绝缘处理，再用绕线机分别在三个单体大齿铁芯 上绕制A、B、C三相绕组，然后将三个大齿铁芯与三个小齿铁芯，按A相单体大齿铁芯一小齿 铁芯一B相单体大齿铁芯一小齿铁芯一C相单体大齿铁芯一小齿铁芯，构成具有三相绕组 的定子铁芯。 其中，三个单体大齿铁芯的结构完全相同，便于加工生产，然后可任选三个单体 大齿铁芯通过设置凸台、凹孔的方式扣合成一个完整的大齿铁芯，例如采用前述公告号为 CN101371425A的专利中图6所示的卡扣结构。 由上述实施例可以看出，本实用新型的大极方波三相无刷永磁直流电动机的磁极 数为2P = 4，其中采用磁极覆盖技术，使其气隙磁场具有120°电角度以上的平顶区；采用 非均匀齿槽和磁平衡小齿，使定位力矩减至最小。该电动机每相仅有一个集中绕组，结构简 单，生产成本很低。 重要的是，由于其中的小齿铁芯是锲入式的，绕线之前可先不装小齿，留出空间使 集中绕组的绕制非常方便，即使机器自动绕线也能保证85%以上的槽满率。 该电动机的出力比传统正弦波永磁伺服电机大33 % ，绕组端部比传统正弦波永磁 伺服电机小3倍以上，所以铜耗大幅度减少。 该方波三相无刷永磁直流电动机采用三相方波电流驱动时，能产生平稳的 力矩，其力矩波动指标与正弦波永磁伺服电机相当。具体可采用国际申请号为PCT/ CN2007/000178、名称为"无刷直流电动机控制系统及其控制方法"的实用新型专利中所公 开的控制系统及方法进行驱动控制。
权利要求一种大极型方波三相无刷永磁直流电动机，所述电动机的转子铁芯(1)上装有多对永磁体(2)，定子槽(4)中装有三相绕组，其特征在于，所述转子铁芯上的磁极数2P＝4；所述定子铁芯的槽数Z＝6，相应有6个齿，所述6个齿中包括三个大齿(6)、三个小齿(8)；所述三相绕组为集中绕组，分别绕在三个大齿上，每相仅有一个绕组；所述绕组和齿的排列次序是大齿上A相绕组→小齿→大齿上B相绕组→小齿→大齿上C相绕组→小齿；其A表示A相绕组的一个集中绕组，B表示B相绕组的一个集中绕组，C表示C相绕组的一个集中绕组。
2. 根据权利要求1所述的大极型方波三相无刷永磁直流电动机，其特征在于， 所述定子铁芯包括大齿铁芯(9)和三个小齿铁芯(8);在所述大齿铁芯上设有三个大齿，相邻两个大齿之间的轭部各设有一个锲入槽(11)， 共有三个锲入槽；每个所述小齿铁芯通过其尾部锲入在所述大齿铁芯的其中一个锲入槽中。
3. 根据权利要求2所述的大极型方波三相无刷永磁直流电动机，其特征在于， 所述大齿铁芯是一体式的整体大齿铁芯；或者，所述大齿铁芯由三个单体大齿铁芯组成，相邻两个单体大齿铁芯之间在该两个 大齿的定子槽中心线处相互拼接。
4. 根据权利要求3所述的大极型方波三相无刷永磁直流电动机，其特征在于，所述整 体大齿铁芯或单体大齿铁芯由多层大齿硅钢片组成，所述多层大齿硅钢片通过设于每一层 大齿硅钢片之轭部和齿部的定位盲孔(12)铆压成整体结构；每一个所述小齿铁芯由多层 小齿硅钢片组成，所述小齿硅钢片通过设于每一层小齿硅钢片的定位盲孔铆压成整体结 构。
5. 根据权利要求4所述的大极型方波三相无刷永磁直流电动机，其特征在于，所述大 齿铁芯与各个小齿铁芯具有相同的硅钢片层数；所述锲入槽为燕尾形结构。
6. 根据权利要求2-5中任一项所述的大极型方波三相无刷永磁直流电动机，其特征在 于，所述定子铁芯上相邻大齿与小齿之间的槽的槽口 (5)宽度为O. 1 3.0mm;每个大齿 占圆周75° 117°机械角度，即150。 234°电角度；每个小齿占圆周45° 3°机械 角度，即90° 6°电角度；且一个大齿与一个小齿的机械角度之和等于120° ，电角度为 PX120° = 240° 。
7. 根据权利要求6所述大极型方波三相无刷永磁直流电动机，其特征在于，所述转子 铁芯上各个永磁体N、 S磁极相间排列，所述永磁体是径向充磁的瓦形磁钢、或者是平行充 磁的瓦形磁钢；所述定子与转子之间的物理气隙为0. 2 3mm ;所述转子铁芯上的永磁体的极距为(1 0. 8) X Ji D/4，其中D是转子外径。
8. 根据权利要求7所述的大极型方波三相无刷永磁直流电动机，其特征在于，其中采 用霍尔位置传感器作为转子位置传感器，所述霍尔位置传感器的磁敏感方向与转子法线方 向相一致，安装于定子支架上，并与转子永磁体外圆之间保持1 3mm的气隙。
专利摘要本实用新型涉及一种大极型方波三相无刷永磁直流电动机，其中转子铁芯上的磁极数2P＝4，定子铁芯的槽数Z＝6，定子的6个齿中包括三个大齿、三个小齿；一个大齿与一个小齿的机械角度之和等于120°，电角度为P×120°＝240°；三相集中绕组分别绕在三个大齿上，每相仅有一个绕组；其中定子铁芯包括大齿铁芯(9)和三个小齿铁芯(8)；在大齿铁芯上设有三个大齿，相邻两个大齿之间的轭部各设有一个锲入槽(11)，共有三个锲入槽；每个小齿铁芯通过其尾部锲入在大齿铁芯的其中一个锲入槽。这种电动机具有定位力矩小、结构简单、生产成本很低、绕组的绕制非常方便、铜耗少等优点。
文档编号H02K1/16GK201509142SQ20092013472
公开日2010年6月16日 申请日期2009年8月12日 优先权日2009年8月12日
发明者周兆勇, 廖志辉, 李诗念, 李铁才, 漆亚梅, 蓝维隆 申请人:深圳航天科技创新研究院