专利名称：高品质三相交流永磁伺服同步电动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高品质三相交流永磁伺服同步电动机，属伺服电机技术领域。
背景技术：
目前，在交流伺服驱动系统中，普遍应用的交流伺服电动机有两大类。一类为无刷直流电动机，简称BDCM ；另一类为三相永磁同步电动机，简称PMSM。对于高精度控制的伺服系统，PMSM更具优势，是发展的重点和热点。由于向PMSM输入三相对称正弦电流，同时就要求 PMSM的每相感应电动势也应该为正弦波。一般情况下，永磁体产生的气隙磁场不是正弦分布的，而要实现每相感应电动势为正弦波，这就对该类电动机的电枢绕组设计提出了更高要求；另外，由于永磁体的存在，定子铁芯开槽，由此引起的齿槽转矩如何减少也是一个重要问题；再则，如何改进低速和高速时的输出和调速特性，都是实际需要解决的问题。因此， 针对目前三相交流永磁伺服同步电动机存在的电枢绕组每相反电动势并非纯正弦波，含有大量谐波成份；永磁体布置和固定上工艺复杂，气隙磁场正弦性差；齿槽转矩大；低速力矩小，高速区过电压危险等缺陷进行改进，开发高度正弦、低速力矩大、齿槽转矩小、控制灵活、控制精度高的高品质三相交流永磁伺服同步电动机，即高品质PMSM电动机非常必要。公告号CN2180019公开了一种改进型稀土交流伺服电机，该电机转子冲片的外表形状为燕尾槽形，转子永磁体为带燕尾的弧形瓦块，装配时，将永磁体插入转子铁芯，并粘结固定在转子上。但这种结构中，永磁体贴在转子外表面，无保护容易破损，可靠性差；而且其气隙磁场正弦性差，不适宜做高品质三相交流永磁伺服同步电动机。
发明内容
本发明的目的是，根据现有三相交流永磁伺服同步电动机存在的诸多问题，提供一种高品质三相交流永磁伺服同步电动机，即高品质PMSM永磁同步电动机。本发明的技术方案是，
(1)电动机的定子绕组采用分数槽集中绕组设计，使三相反电动势波形高度正弦，谐波含量小于1% ；克服整数槽集中绕组相反电动势含有大量谐波的重大缺陷。(2)永磁体采用径向内置式，极靴形状正弦化，以使气隙磁场分布为正弦性；
(3)通过定子铁芯斜槽、永磁体偏置、转子冲片外圆磁体中心线处挖凹槽以增大漏磁导等三大措施，大大减少齿槽转矩。(4)优化转子冲片设计，提高转子d轴，q轴磁导比，增大转子的凸极性。(5)采用定子绕组Δ接和T接变换的方法来增加低速转矩，避免高速过压危险等。本发明高品质三相交流永磁伺服同步电动机，包括定子、转子，所述电动机定子铁芯12槽，定子铁芯斜7/32个齿距，极数10极，相数为3相；定子铁芯三相绕组是分数槽集中绕组，绕组线圈的节距为1，每个线圈的匝数都相等，三相绕组互差120°电角度；A相绕组 ax 有 8 个线圈，即 a- (4-5)- (4-3)- (2-3)- (2-1)- (9-10)- (9-8)- (7-8)- (7_6)_x， 线圈按闭口 -开口 -闭口-开口-闭口-开口 -闭口 -开口规律相串联连接，a、χ分别从第4槽、第6槽引出；B相绕组by同样有8个线圈，绕法同A相绕组，b、y分别从第12、2槽引出；C相绕组cz同样有8个线圈，绕法同A相绕组，c、ζ分别从第8、10槽引出；
所述三相绕组有6个引出线，提供二种接线法，分别为T接法和△接法；T接法时， 用于低速，Δ接法时，用于高速；
所述转子永磁体结构为内置式，转子冲片沿外圆周方向均布10个梯形槽，钕铁硼永磁体N、S相间嵌入由转子冲片迭压成转子铁芯的梯形槽中，形成10极，转子铁芯轴向平分为两段，两段同极性的磁体中心线轴向偏移4 mm;转子铁芯极靴外圆与轴孔不同心，每个极的极靴均与定子铁芯内圆形成不均勻气隙，以提高气隙磁场的正弦性，转子铁芯外园最大直径Φπι=100πιπι，每极偏心园半径R=41. 5mm，转子铁芯外园与定子铁芯内园形成不均勻气隙， 每极最小气隙1mm，最大气隙1. 5mm。转子冲片外圆从相对一个梯形槽的中心线处起均布20个Rl. 5的半圆孔；转子冲片梯形槽与梯形槽之间设置有3 mm宽的磁桥，使得电机的d轴电抗与q轴电抗不相等，即Xq >&，增大了弱磁范围，扩大了电机的调速范围；转子冲片上设置了 10个均布的通风孔，减轻了转子惯量，增加了转子的轴向风路。通过上述综合措施，使PMSM永磁同步电动机的低速转矩大，弱磁调速范围宽，齿槽转矩小，控制灵活，气隙磁场和反电势波形正弦性好，控制精度高，是一种高品质三相交流永磁伺服同步电动机，即高品质的PMSM永磁同步电动机。本发明与现有技术比较的有益效果是，本发明定子绕组是一种分数槽集中绕组， 其相感应电动势波形高度正弦，谐波含量小于1%，而一般每极每相槽为q=l/2的分数槽集中绕组相感应电动势波形谐波含量为24. 5%，相对降低谐波95. 9% ；本发明电机低速时，定子绕组T接，提高了电机的低速转矩输出；本发明电机高速时，定子绕组△接，提高了电机高速时的调速范围；本发明电机定子铁芯斜7/32个齿距，转子铁芯内置磁极中心线偏移， 转子铁芯上磁极中心线有半圆弧槽等措施，使电机齿谐波得到极大消除，齿槽转距大大削弱，伺服的灵敏性大提高，控制的精度也大提高；同时，本发明电机转子内置磁体安全可靠， 工艺简单，实施容易，气隙磁通正弦性提高，且Xtl >Xd，电机的凸极性提高，弱磁范围大，调速范围广。本发明适用于三相交流永磁伺服同步电动机。
图1是本发明的三相分数槽集中绕组布置示意图(图中仅画A相绕组展开状态)； 图2是本发明定子绕组T接法示意图； 图3是本发明定子绕组△接法示意图； 图4是本发明的转子冲片及径向永磁体布置示意图； 图5是转子冲片局部放大图6是本发明的转子二段永磁体磁极中心线与轴线偏移示意图； 图4中图号表示1是转子冲片；2是半圆槽；3是永磁体；4是梯形槽；5是通风孔；6是冲片内孔(转轴孔)；7是虚拟偏心圆；8是磁桥宽度；9是键槽；10是键槽；N是永磁体极性 (北极)；S是永磁体极性(南极)。
具体实施方式
本发明的具体实施方式
如图1-图6所示。本发明实施例为电机定子槽数为12槽、极数为10极的三相电动机，其A相绕组布置图如图1所示。A相ax绕组有8个线圈，每个线圈的匝数相等，每个线圈的节距都是1， 是分数槽集中绕组，a、x分别从第4、6槽引出；B相by绕组，C相cz绕组组成规律完全与A 相ax绕组一样，A、B、C三相互差120°电角度，b、y分别从第12、2槽引出，c、ζ分别从第 8、10槽引出；三相电动机引出6个接头，即a、b、C、X、y、z。低速时，三相电动机为星形接法，如图2所示；高速时，三相电动机为三角形接法， 如图3所示。
Cl1Ti这种绕组相反电动势绕组系数按~计算，V为谐波次数。本发明实施例的定子铁芯斜7/32个齿距，经综合计算，该绕组相反电动势谐波含量小于1%。与某进口产品的12槽、8极、3相、q=l/2的分数槽节距为1的集中绕组相比较， 其相反电动势谐波含量高达24. 5%，本发明实施例比进口电机的相反电动势谐波含量降低了 95. 92%，仅占原谐波的4%，可见，本发明实施例的相反电势波形为高度正弦性波形。本发明实施例的定子绕组在低速时T接，从而使低速转矩增大；在高速时△接， 从而使高速过电压降低、安全，也使高速运行范围扩大。由于定子铁芯只有12槽，按一般斜一个齿距，工艺上难于实现，而实际上并不可取；因此，本发明实施例通过定子铁芯斜7/32个齿距，斜槽度小，工艺实施容易，能达到一般斜一个齿距消灭齿谐波的目的，同时，也有效地减少了齿槽转矩。本发明实施例的转子冲片及径向永磁体布置如图4所示。冲片材料为0.35DW310矽钢片。在转子冲片(1)上均布10个梯形槽(4)，冲片迭压成转子铁芯后，该梯形槽中内置嵌入径向钕铁硼永磁体(3)，N、S相间形成10个永磁极。在转子冲片外圆相对一个梯形槽的中心线开始，沿圆周挖有20个均布的Rl. 5的半圆槽(2)，这些槽可明显减少齿槽转矩；
在梯形槽与梯形槽间有宽3 mm的磁桥(8)，使得转子磁路的d轴和q轴的磁导比加大， 使\ > Xd,便于弱磁控制，提高凸极性；
在转子冲片上还设置有均布的10个Φ 7通风孔(5)，以使电机轴向有通风孔时，能降低温升，避免转子过热，影响永磁体退磁；同时，由于通风孔也减小了转子的转动惯量，以及在校动平衡时，可利用其部分孔，在其孔内加入固体胶，作为加重平衡的工艺孔之用，减小振动、噪声；
在转子冲片内孔(6)上，设置有2个相同形状大小的键槽(9)和(10)，键槽中心线互差 4 mm ；
转子冲片外圆每个磁极极靴的圆弧与冲片内孔(6)不同心，其虚拟偏心圆为(7)，使每极气隙最小为1 mm，最大为1.5mm。图5为转子冲片局部放大图，磁极圆弧R与冲片最大外圆Φω有一定偏心，当￠^=100 mm，虚似偏心圆(7)直径为17 mm，R=41. 5 mm，每极最小气隙为1 mm时，则最大气隙为1. 5 mm。图6是本发明实施例转子二段永磁体磁极中心轴线偏移位置示意图。由图可见， 转子铁芯总长为L，铁芯分2段，每段长为L/2，铁芯迭装一起；转轴上相应位置开有键槽， 其中嵌有一根长键，将第一段转子铁芯按键槽(9)套压在转轴的键上，第二段转子铁芯按键槽(10)套压在转轴的键上。每段铁芯中都内置了 L/2长的永磁体，N、S相间嵌入每段转子铁芯中，这两段转子铁芯套压在转轴上后，同极性的两段磁体中心线互差4 mm,也即永磁体 (3)按两段同极性偏置，这种处理，大大减少了齿槽转矩，同时也减弱了相感应电势中的齿谐波。 另外，由于转子冲片相对于每个永磁体中心轴线极靴外圆圆弧与转子冲片的轴孔是不同心的，与定子铁芯内圆形成不均勻气隙，使得气隙磁通波形正弦性提高，相应减少了励磁磁场的谐波，起到了提高电机的转矩输出、提高效率、减少振动噪声的作用。
权利要求
1.一种高品质三相交流永磁伺服同步电动机，包括定子、转子，其特征在于，所述电动机定子铁芯12槽，定子铁芯斜7/32个齿距，极数10极，相数为3相；定子铁芯三相绕组是分数槽集中绕组，绕组线圈的节距为1，每个线圈的匝数都相等，三相绕组互差120°电角度；A 相绕组 ax 有 8 个线圈，即 a-(4-5)-(4-3)-(2-3)-(2-1)-(9-10)-(9-8)-(7-8)-(7-6) -χ，线圈按闭口 -开口 -闭口 -开口 -闭口 -开口 -闭口-开口规律相串联连接，a、x分别从第4槽、第6槽引出；B相绕组by同样有8个线圈，绕法同A相绕组，b、y分别从第12、2 槽引出；C相绕组cz同样有8个线圈，绕法同A相绕组，c、z分别从第8、10槽引出；所述三相绕组有6个引出线，提供二种接线法，分别为T接法和△接法；T接法时， 用于低速，Δ接法时，用于高速；所述转子永磁体结构为内置式，转子冲片沿外圆周方向均布10个梯形槽，钕铁硼永磁体N、S相间嵌入由转子冲片迭压成转子铁芯的梯形槽中，形成10极，转子铁芯轴向平分为两段，两段同极性的磁体中心线轴向偏移4 mm;转子铁芯极靴外圆与轴孔不同心，每个极的极靴均与定子铁芯内圆形成不均勻气隙，以提高气隙磁场的正弦性，转子冲片外圆相对梯形槽中心线处均冲有半圆孔；转子冲片梯形槽与梯形槽之间设置有磁桥，使得电机的d轴电抗与q轴电抗不相等，即\ > Xd，增大了弱磁范围，扩大了电机的调速范围；转子冲片上设置了 10个均布的通风孔。
2.根据权利要求1所述的一种高品质三相交流永磁伺服同步电动机，其特征在于，所述转子冲片外圆从相对一个梯形槽的中心线处起均布20个Rl. 5的半圆孔。
3.根据权利要求1所述的一种高品质三相交流永磁伺服同步电动机，其特征在于，所述转子冲片梯形槽与梯形槽之间设置的磁桥宽度为3 mm。
4.根据权利要求1所述的一种高品质三相交流永磁伺服同步电动机，其特征在于，所述转子冲片上设置的10个均布的通风孔孔径为7 mm。
5.根据权利要求1所述的一种高品质三相交流永磁伺服同步电动机，其特征在于，所述转子铁芯外园最大直径Φπι=100πιπι，每极偏心园半径R=41. 5mm，转子铁芯外园与定子铁芯内园形成不均勻气隙，每极最小气隙1mm，最大气隙1. 5mm。
全文摘要
一种高品质三相交流永磁伺服同步电动机，包括定子、转子。电动机定子铁芯12槽，定子铁芯斜7/32个齿距，极数10极，相数为3相；定子铁芯三相绕组是分数槽集中绕组，绕组线圈的节距为1，每个线圈的匝数都相等，三相绕组互差120°电角度。三相绕组有6个引出线，提供二种接线法。所述转子永磁体结构为内置式，钕铁硼永磁体N、S相间嵌入由转子冲片迭压成转子铁芯的梯形槽中，转子铁芯轴向平分为两段，两段同极性的磁体中心线轴向偏移4㎜；转子铁芯极靴外圆与轴孔不同心，每个极的极靴均与定子铁芯内圆形成不均匀气隙，采取的多项措施，大大提高了电机相电势波形的正弦性和电机品质。本发明适用于三相交流永磁伺服同步电动机。
文档编号H02K3/28GK102355108SQ201110287480
公开日2012年2月15日 申请日期2011年9月26日 优先权日2011年9月26日
发明者刘国伟, 刘应东, 吴文新, 方虎堂, 林政安 申请人:佛山市南海晶惠普电子科技有限公司