一种用于车削类电主轴的内嵌式永磁同步电的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于车削类电主轴的内嵌式永磁同步电机，包括转轴、前轴承、前端盖、后轴承、后端盖、光电编码器、转子以及定子，其中，转子为分段式斜极结构，包括轴向间隔分布的多个转子铁心，沿转子铁心周向设置的多极磁极，每级磁极由呈V型结构排列并内嵌于对应的永磁体槽内；每极磁极与转子铁心外圆周之间对应设置多个磁体通孔；定子包括位于定子外壁上的冷却管道槽、具备多个定子齿的定子铁心以及在相邻定子齿间形成的定子槽。本发明的内嵌式永磁同步电机既具有高转矩密度、高功率密度、响应快的优点，又具有气隙磁场谐波小、反电势正弦度高和转矩波动小的优点，还具有调速比宽的特点，适合应用于高档数控机床用车削类电主轴系统。
【专利说明】-种用于车削类电主轴的内嵌式永磁同步电机
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电机【技术领域】，具体涉及一种用于车削类电主轴的永磁同步电机。
【背景技术】
[0002] 车削类电主轴电机主要应用于车削类数控机床。车削加工是工件旋转做主运动， 车刀作进给运动的切削加工方法。现代车削加工对加工精度要求高，这要求电主轴电机的 控制精度高、电机振动小、转矩脉动低、调速范围宽。
[0003] 现有的车削类电主轴电机主要分为两种，分别为异步主轴电机和永磁电主轴电 机。
[0004] 在现有技术中，异步主轴电机转子会产生损耗，电机效率低，转子发热严重，缩短 轴承寿命，最终造成电机寿命缩短。异步主轴电机的功率因数较低，驱动装置容量大，成本 非常高。异步主轴转矩密度、功率密度低，电机体积重量较大，不利于快速启动和准停，电机 响应慢。异步主轴电机转矩脉动大，电机转速波动大，运行状况平稳度低。异步主轴电机控 制复杂，不容易实现高精度控制。
[0005] 现有技术中用于电主轴的永磁同步电机，一般设计成"一"型永磁体结构，此类电 机的凸极比小，磁阻转矩小，转矩密度较低，电机体积大，转动惯量大，运行时响应速度慢， 不适合应用于要求快速启停、转速快速改变的车削类电主轴；且此类电机的凸极比小，电机 调速比小，很难实现高速运行。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于车削类电主轴的内 嵌式永磁同步电机，既具有高转矩密度、高功率密度、响应快的优势，也具有气隙磁场谐波 小、反电势正弦度高和转矩波动小的优点，还具有调速范围宽、散热快的特点，尤其适用于 高档数控机床用车削类电主轴系统。
[0007] 为实现上述目的，本发明提供了一种用于车削类电主轴的内嵌式永磁同步电机， 该电机包括：由转轴、前轴承、前端盖、后轴承、后端盖以及机壳共同构成的电机外壳、固定 在机壳内壁的定子以及套设于转轴上并与定子相对间隔设置转子，其中，
[0008] 所述转子为分段式斜极结构，包括沿转轴轴向间隔分布的3个转子铁心，且各个 转子铁心与其相邻的前一转子铁心按顺时针方向旋转3°机械角布置，每个转子铁心中心 位置设有允许转轴贯穿的轴孔，远离轴孔外侧并沿转子铁心周向均匀间隔设置多极磁极， 每级磁极各自由一对长方体结构且嵌入在永磁体槽内的永磁体组成，且每一对永磁体形成 张角为150度机械角且开口向外的V型结构；此外，在每极磁极与转子铁心外圆周之间还对 应设置多个磁体通孔，各个磁体通孔均沿周向间隔排列；
[0009] 所述定子包括定子铁芯，该定子铁芯的外壁上形成有多个冷却管道槽，这些冷却 管道槽为矩形螺旋槽并用于嵌入冷却铜管；定子铁芯的内壁上具备多个沿其周向排列的定 子齿，每个定子齿的弧形端面上设置两个圆弧辅助槽；相邻定子齿间形成的定子槽；三相 绕组嵌放于定子槽内，用于感应电势、产生电磁转矩，以实现能量转换。
[0010] 作为进一步优选地，所述永磁体的充磁方向为平行充磁。
[0011] 作为进一步优选地，所述磁体通孔的半径为3?4_，相邻两磁体通孔圆心距离为 9 ?12mm〇
[0012] 可根据实际需要调整磁体通孔的位置和大小，达到调整电机的凸极率，增加调速 范围的目的。
[0013] 作为进一步优选地，所述圆弧辅助槽的半径为4. 8?5. 2mm，且圆弧辅助槽径向中 心线与定子齿弧形端面径向中心线呈2. 8°?3. 2°机械角度。
[0014] 作为进一步优选地，所述用于车削类电主轴的内嵌式永磁同步电机为6极27槽结 构。
[0015] 作为进一步优选地，所述每极磁极与转子铁心外圆周之间对应设置3个磁体通 孔。
[0016] 作为进一步优选地，所述三相绕组5为分数槽绕组分布，节距为4。
[0017] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明所取得的 有益效果如下：
[0018] (1)转子采用分段式斜极结构，各转子铁心间隔排列，减小了电机的气隙磁场谐 波，增加电机气隙磁场的正弦度，进一步削弱了电机的转矩波动，提高了车削类数控机床的 加工精度；
[0019] (2)转子磁极采用内嵌式V形结构，提高了电机的转矩密度、功率密度和效率，增 大了电机的调速比；
[0020] (3)通过采用转子铁心的磁体通孔结构，一方面可调整电机的凸极率，增加电机的 调速范围，满足车削类永磁电主轴电机调速范围宽和高速运行工况的要求，另一方面为转 子提供通风口，加快转子铁心和永磁体散热，减小转子过热和轴承过热的风险，提高永磁体 抗不可逆退磁的能力，提高了电主轴系统的寿命；
[0021] (4)通过在定子外壁上设置水冷却管道槽，一方面增大与定子铁心接触的冷却面 积，另一方面将冷却铜管嵌于水冷却管道槽内，水流在冷却铜管中流通，带走定子热量；且 结构简单，加工简单且成本低，提高电机转矩密度和功率密度的同时，加快了电机的散热， 提1? 了电机的寿命；
[0022] (5)定子齿端面采用双圆弧辅助槽结构，提高电机转矩密度的同时，削弱了电机的 齿槽转矩，减小了电机的气隙磁场谐波，提高了气隙磁场和反电势的正弦度，减小了电机的 转矩波动和转速波动，提高了车削类数控机床的加工精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 图1是本发明的整体结构示意图；
[0024] 图2是本发明的转子结构示意图；
[0025] 图3是本发明的转子铁心横截面结构示意图；
[0026] 图4是本发明的定子结构示意图；
[0027] 图5是本发明的定子铁心结构示意图；
[0028] 图6为本发明的水冷却管道槽结构示意图。
[0029] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1 一刀具接 口、2 -转轴、3 -前轴承、4 一前端盖、5 -三相绕组、6 -定子、7 -冷却管道槽、8 -机壳、 9 一转子、10 -后端盖、11 一后轴承、12 -光电编码器、13 -永磁体、14 一永磁体槽、15 - 圆弧辅助槽、16 -磁体通孔、17 -后端盖空心孔、18 -转子铁心、19 一定子齿、20 -定子轭 部、21 -绝缘层、22 -定子槽、23-轴孔
【具体实施方式】
[0030] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0031] 如图1所示，用于车削类电主轴的内嵌式永磁同步电机包括：刀具接口 1、转轴2、 前轴承3、前端盖4、后轴承11、后端盖10、光电编码器12、转子9、定子6,其中，刀具接口 1 位于转轴2的最前端，用于连接车削类数控机床的刀具；前端盖4通过前轴承3安装在转轴 2的前端,后端盖10通过后轴承11安装在转轴2的后端上，且前端盖4和后端盖10分别与 机壳8的前、后端固连，共同构成电机的外壳；光电编码器12固定在后端盖10与后轴承11 之间，定子6固定在机壳8内壁上，转子9套设于转轴2上并与定子6相对间隔设置。
[0032] 如图2所示，用于车削类电主轴的内嵌式永磁同步电机的转子9为分段式斜极结 构，包括沿转轴轴向间隔分布的3个转子铁心，且各个转子铁心与其相邻的前一转子铁心 按顺时针方向旋转3°机械角布置，每个转子铁心中心位置设有允许转轴贯穿的轴孔2,远 离轴孔2外侧并沿转子铁心周向均匀间隔设置多极磁极13,其中，永磁体13的充磁方向为 平行充磁，每级磁极各自由一对长方体结构且嵌入在永磁体槽14内的永磁体13组成，且每 一对永磁体13形成张角为150度机械角度且开口向外的V型结构；此外，在每极磁极与转 子铁心18外圆周之间对应设置多个磁体通孔16,各个磁体通孔均沿转子铁心18周向间隔 排列，磁体通孔的半径为3?4_，相邻两磁体通孔圆心距离为9?12mm，可根据实际需要 调整磁体通孔的位置和大小，达到调整电机的凸极率，增加调速范围的目的。
[0033] 如图3所示，本实施例中有6极磁极，每极磁极由一对永磁体13组成，每一对永磁 体13形成张角为150度机械角度且开口向外的V型结构，此外，每极磁极与转子铁心外圆 周之间对应设置3个磁体通孔。
[0034] 如图4所示，定子6包括定子铁芯，该定子铁芯的外壁上形成有多个冷却管道槽7， 这些冷却管道槽为矩形螺旋槽并用于嵌入冷却铜管；定子铁芯的内壁上具备多个沿其周向 排列的定子齿19,每个定子齿19的弧形端面上设置两个圆弧辅助槽15 ;相邻定子齿19间 形成定子槽22,用于嵌入三相绕组5,其中，定子槽22优选为27个，形成27槽结构。
[0035] 如图5所示，定子齿19位于定子内壁并沿其周向排列，每个定子齿19的弧形端面 上设置两个圆弧辅助槽15 ;圆弧辅助槽的半径为4. 8?5. 2mm，且圆弧辅助槽径向中心线与 定子齿弧形端面径向中心线呈2. 8°?3. 2°机械角度；三相绕组5嵌放于定子槽内，用于 感应电势、产生电磁转矩，以实现能量转换；嵌放于冷却管道7的冷却铜管和三相绕组5出 线端从后端盖10中的后端盖空心孔17接出，三相绕组5出线端与电机控制器连接。
[0036] 如图6所示，冷却管道槽7为矩形螺旋槽，冷却铜管嵌于冷却管道槽内，水流在冷 却铜管中流通，带走定子热量。
[0037] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以 限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含 在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种用于车削类电主轴的内嵌式永磁同步电机，该电机包括：由转轴（2)、前轴承 (3)、前端盖（4)、后轴承（11)、后端盖（10)以及机壳（8)共同构成的电机外壳、固定在机壳 (8)内壁的定子￠)以及套设于转轴（2)上并与定子（6)相对间隔设置转子（9)，其特征在 于， 所述转子（9)为分段式斜极结构，包括沿转轴轴向间隔分布的多个转子铁心，且各个 转子铁心（18)与其相邻的前一转子铁心（18)按顺时针方向旋转3°机械角布置，每个转子 铁心中心位置设有允许转轴贯穿的轴孔（23)，远离轴孔（23)外侧并沿转子铁心周向均匀 间隔设置多极磁极，每级磁极各自由一对长方体结构且嵌入在永磁体槽（14)内的永磁体 (13)组成，且每一对永磁体形成张角为150度机械角且开口向外的V型结构；此外，在每极 磁极与转子铁心（18)外圆周之间还对应设置多个磁体通孔（16)，各个磁体通孔均沿周向 间隔排列； 所述定子（6)包括定子铁芯，该定子铁芯的外壁上形成有多个冷却管道槽（7)，这些冷 却管道槽为矩形螺旋槽并用于嵌入冷却铜管；定子铁芯的内壁上具备多个沿其周向排列的 定子齿（19)，每个定子齿（19)的弧形端面上设置两个圆弧辅助槽（15);相邻定子齿（19) 间形成定子槽（22)，用于嵌入三相绕组（5)。
2. 如权利要求1所述的用于车削类电主轴的内嵌式永磁同步电机，其特征在于，所述 永磁体的充磁方向为平行充磁。
3. 如权利要求1或2所述的用于车削类电主轴的内嵌式永磁同步电机，其特征在于，所 述磁体通孔的半径为3?4_，相邻两磁体通孔圆心距离为9?12_。
4. 如权利要求1或2所述的用于车削类电主轴的内嵌式永磁同步电机，其特征在于，所 述圆弧辅助槽的半径为4. 8?5. 2mm，且圆弧辅助槽径向中心线与定子齿弧形端面径向中 心线呈2. 8°?3. 2°机械角度。
5. 如权利要求1-4任意一项所述的用于车削类电主轴的内嵌式永磁同步电机，其特征 在于，所述用于车削类电主轴的内嵌式永磁同步电机为6极27槽结构。
6. 如权利要求1-5任意一项所述的用于车削类电主轴的内嵌式永磁同步电机，其特征 在于，所述每极磁极与转子铁心外圆周之间对应设置3个磁体通孔。
7. 如权利要求1-6任意一项所述的用于车削类电主轴的内嵌式永磁同步电机，其特征 在于，所述三相绕组5为分数槽分布绕组，节距为4。
【文档编号】H02K1/20GK104113154SQ201410242514
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年6月3日 优先权日:2014年6月3日
【发明者】杨凯, 潘志城 申请人:华中科技大学