一种内嵌辐条式永磁转子的伺服电机的制作方法

本发明涉及一种永磁伺服电机，具体说是一种内嵌辐条式永磁转子的伺服电机。

背景技术：

永磁电机结构灵活，具有较高的功率密度和功率因数，已广泛应用于各种不同规格的伺服产品。表贴式永磁(Surface-mounted Permanent Magnet，SPM)电机，不仅结构简单，易于批量化生产，而且转矩波动小，易于对其实现控制。在转子永磁体表面，经常要采用不锈钢套管或者高强度纤维，其定转子之间气隙相对较大。为了进一步提高电机的转矩密度和过载能力，国际一些先进的伺服产品开始逐渐采用内嵌式永磁(Interior Permanent Magnet，IPM)电机设计方案。该类电机不仅气隙相对较小，而且具有磁阻转矩，具有更高的转矩密度和恒功率速度范围。作为并联式磁路典型拓扑，辐条式转子相邻的两磁极永磁体并联提供每极磁通，永磁体利用率较高。

中国永磁电机学者唐任远院士于1997年系统阐述内嵌切向式IPM电机，该电机转子永磁体在二维空间为矩形结构（三维空间为长方体），指出该种拓扑结构的电机一个极距下的磁通由相邻两个磁极并联提供，可获得较大的每极磁通。当电机极数较多时，由于有两个永磁体截面对气隙提供每极磁通，辐条式IPM电机可进一步提高气隙磁密，从而提供足够的每极磁通。特别是辐条式IPM电机具有较高的磁阻转矩，在总的电磁转矩中的占比甚至高达40%，有利于提高电机过载能力和功率密度，并可进一步扩展电机的恒功率速度范围。然而，该类拓扑具有较大的漏磁比，因此在设计时需要进行必要的隔磁设置。

在伺服电机领域，目前转子侧主流设计方案依然是SPM方案。但是近年来已有日本伺服电机企业逐渐推出辐条式IPM电机产品，其定子侧采用十二槽分数槽集中绕组闭口槽齿轭分离设计方案，转子侧采用五对辐条式永磁转子，并在靠近转轴侧设置五边形隔磁孔，永磁体在转子的二维截面中为矩形。与同规格产品相比，该种产品定子与转子之间气隙相对较小，电机轴向长度相对较小，并且通过输出电机的磁阻转矩，电机的过载能力进一步提升，在同类产品中具有较高的转矩密度和显著竞争力。然而，由于矩形永磁体的运用，相对减小了电机的极弧系数，因而该电机转子还可以进一步改善，从而提高电机的转矩密度。

技术实现要素：

本发明的目的在于，克服现有技术存在的缺陷，提出了一种内嵌辐条式永磁转子的伺服电机，将现有转子侧截面为辐条式长方形永磁体改为横截面为多边形的辐条式永磁体，相对增大了电机的极弧系数，使得电机的转矩密度得到提高。

本发明内嵌辐条式永磁转子的伺服电机，包括定子、转子和转轴，所述转子套装在转轴上，所述转子内嵌辐条式转子侧永磁体。所述辐条式转子侧永磁体是由靠近气隙侧的表面、与表面相对的底面（靠近转轴）、左侧面、右侧面和两个端面构成的多面体，表面与底面平行，两个端面相互平行。其特征是：所述左侧面和右侧面相互对称，左侧面和右侧面均为多个平面构成的折曲面，折曲面上的折线与转轴平行。

优选方案之一是：所述辐条式转子侧永磁体的左侧面和右侧面均为两个平面构成的折曲面，辐条式转子侧永磁体的横断面（与转轴垂直的面）呈六边形。

优选方案之二是：所述辐条式转子侧永磁体的左侧面和右侧面均为三个平面构成的折曲面，辐条式转子侧永磁体的横断面呈八边形。

优选方案之三是：所述辐条式转子侧永磁体的左侧面和右侧面均为四个平面构成的折曲面，辐条式转子侧永磁体的横断面呈十边形。

本发明技术方案，所述辐条式转子侧永磁体的左侧面和右侧面均可以是更多的平面构成的折曲面。

本发明内嵌辐条式永磁转子的伺服电机，辐条式转子侧永磁体侧面为折曲面，与矩形结构转子侧永磁体相比，提高了电机转子侧极弧系数，使得电机的磁阻转矩得以更加提高，从而提高电机的转矩密度和过载能力。另外减小了永磁体用量，从而进一步降低电机制造成本，并最大限度利用有限稀土资源，并在一定程度上减小环境污染及其修复保护成本。在中小容量伺服电机领域，靠近转轴侧具有更大转子铁芯面积，便于转子铁芯靠近转轴侧隔磁孔的设置。

附图说明

图1是本发明内嵌辐条式永磁转子的伺服电机断面示意图。

图2是本发明内嵌辐条式永磁转子的伺服电机转子以及辐条式转子侧永磁体结构示意图，辐条式转子侧永磁体的横断面呈现为六边形。其中，图2（a）是转子侧永磁体断面图（a1＜a2，b1 = b2），图2（b）是转子断面图。图中的a1和a2只是位置指示，不是表示所代表的平面宽度的投影。

图3是本发明内嵌辐条式永磁转子的伺服电机转子以及辐条式转子侧永磁体结构示意图，辐条式转子侧永磁体的横断面呈现为六边形。其中，图3（a）是转子侧永磁体断面图（a1＞a2，b1 = b2），图3（b）是转子断面图。图中的a1和a2只是位置指示，不是表示所代表的平面宽度的投影。

图4是本发明内嵌辐条式永磁转子的伺服电机转子以及辐条式转子侧永磁体结构示意图，辐条式转子侧永磁体的横断面呈现为六边形。其中，图4（a）是转子侧永磁体断面图（a1 = a2，b1 = b2），图4（b）是转子断面图。图中的a1和a2只是位置指示，不是表示所代表的平面宽度的投影。

图5是本发明内嵌辐条式永磁转子的伺服电机转子以及辐条式转子侧永磁体结构示意图，辐条式转子侧永磁体的横断面呈现为八边形。其中，图5（a）是转子侧永磁体断面图（a1＜a2，a3 = （a1+a2），b1 = b2），图5（b）是转子断面图。图中的a1和a2只是位置指示，不是表示所代表的平面宽度的投影。

图6是本发明内嵌辐条式永磁转子的伺服电机转子以及辐条式转子侧永磁体结构示意图，辐条式转子侧永磁体的横断面呈现为八边形。其中，图6（a）是转子侧永磁体断面图（a1＞a2，a3 = （a1+a2），b1 = b2），图6（b）是转子断面图。图中的a1和a2只是位置指示，不是表示所代表的平面宽度的投影。

图7是本发明内嵌辐条式永磁转子的伺服电机转子以及辐条式转子侧永磁体结构示意图，辐条式转子侧永磁体的横断面呈现为八边形。其中，图7（a）是转子侧永磁体断面图（a1= a2，a3 = （a1+a2），b1 = b2），图7（b）是转子断面图。图中的a1和a2只是位置指示，不是表示所代表的平面宽度的投影。

图8是本发明内嵌辐条式永磁转子的伺服电机转子以及辐条式转子侧永磁体结构示意图，辐条式转子侧永磁体的横断面呈现为十边形。其中，图8（a）是转子侧永磁体断面图（a1=a2=a3=a4，b1 = b2），图8（b）是转子断面图。图中的a1、a2、a3、a4只是位置指示，不是表示所代表的平面宽度的投影。

图9是本发明内嵌辐条式永磁转子的伺服电机转子以及辐条式转子侧永磁体结构示意图，辐条式转子侧永磁体的横断面呈现为十二边形。其中，图9（a）是转子侧永磁体断面图（a1=a2=a3=a4，a5＝a1+a2+a3+a4），图9（b）是转子断面图。图中的a1、a2、a3、a4只是位置指示，不是表示所代表的平面宽度的投影。

具体实施方式

下面结合实施例和附图，对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明内嵌辐条式永磁转子的伺服电机，包括定子、转子和转轴，所述转子套装在转轴上。定子侧采用12槽分数槽集中绕组设计方案，转子侧采用5对辐条式永磁转子。所述辐条式转子侧永磁体是由表面、与表面相对的底面（靠近转轴）、左侧面、右侧面和两个端面构成的多面体，表面与底面平行，两个端面相互平行。图中，3为定子铁芯，4为电枢绕组。

实施例1：

如图2（a）、图3（a）、图4（a）所示，为辐条式IPM电机转子侧永磁体1，该永磁体左、右侧面由两个平面构成折曲面（m=2），折曲面的折线与转轴5平行，该永磁体横断面呈六边形。两个平面的宽度尺寸分别为a1和a2，满足a1＜a2或a1＞a2或a1＝a2。该永磁体表面宽度为b2，底面宽度为b1，满足b1＜b2或b1＞b2或b1＝b2。因此，拓扑选择方案n满足关系n=3^m，式中m=2（构成折曲面的平面的数量），因此共有9种拓扑选择方案。

如图2（b）、图3（b）、图4（b）所示，为辐条式IPM电机转子铁芯2，转子铁芯2设置孔槽，其沿转子表面呈放射状均匀分布，并且形状与永磁体结构适配，用于放置不同磁化方向的永磁体。两个孔槽之间靠近转子表面的部分为永磁体主要磁通路径，而两个孔槽之间靠近转轴的部分主要为非工作磁通路径，其面积进一步拓宽，根据需要可添加必要的隔磁设置。

实施例2：

如图5（a）、图6（a）、图7（a）所示，为辐条式IPM电机转子侧永磁体1，该永磁体左、右侧面由三个平面构成折曲面（m=3），折曲面的折线与转轴5平行，该永磁体横断面呈八边形。折曲面靠转轴侧的平面宽度为a1，靠近气隙侧的平面宽度为a2，满足a1＜a2或a1＞a2或a1＝a2，还需满足a3＜（a1+a2）或a3＝（a1+a2）或a3＞（a1+a2）。该永磁体表面宽度为b2，底面宽度为b1，满足b1＜b2或b1＞b2或b1＝b2。因此，拓扑选择方案n满足关系n=3^m，式中m=3，因此共有27种拓扑选择方案。

如图5（b）、图6（b）、图7（b）所示，为辐条式IPM电机转子铁芯2，转子铁芯设置孔槽，其沿转子表面呈放射状均匀分布，并且形状与永磁体结构适配，用于放置不同磁化方向的永磁体。两个孔槽之间靠近转子表面的部分为永磁体主要磁通路径，而两个孔槽之间靠近转轴的部分主要为非工作磁通路径，其面积进一步拓宽，根据需要可添加必要的隔磁设置。

实施例3：

如图8（a）所示，为辐条式IPM电机转子侧永磁体1，该永磁体左、右侧面由四个平面构成折曲面（m=4），折曲面的折线与转轴5平行，该永磁体横断面呈十边形。折曲面靠转轴侧的平面宽度为a1，与之相邻的平面的宽度为a3，满足a1＜a3或a1＝a3或a1＞a3，折曲面靠近气隙侧的平面宽度为a2，与之相邻的平面的宽度为a4，满足a2＜a4或a2＝a4或a2＞a4，还需满足（a1+a3）＜（a2+a4）或（a1+a3）＝（a2+a4）或（a1+a3）＞（a2+a4）。该永磁体表面宽度为b2，底面宽度为b1，满足b1＜b2或b1＝b2或b1＞b2。因此，拓扑选择方案n满足关系n=3^m，式中m=4，因此共有81种拓扑选择方案。

如图8（b）所示，为辐条式IPM电机转子铁芯2，转子铁芯设置孔槽，其沿转子表面呈放射状均匀分布，并且形状与永磁体结构适配，用于放置不同磁化方向的永磁体。两个孔槽之间靠近转子表面的部分为永磁体主要磁通路径，而两个孔槽之间靠近转轴的部分主要为非工作磁通路径，其面积进一步拓宽，根据需要可添加必要的隔磁设置。

实施例4：

如图9（a）所示，为辐条式IPM电机转子侧永磁体1，该永磁体左、右侧面由五个平面构成折曲面（m=5），折曲面的折线与转轴5平行，该永磁体横断面呈十二边形。折曲面靠转轴侧的平面宽度为a1，与之相邻的平面宽度为a3，满足a1＜a3或a1＝a3或a1＞a3，折曲面靠近气隙侧的平面宽度为a2，与之相邻的平面宽度为a4，满足a2＜a4或a2＝a4或a2＞a4，还需满足（a1+a3）＜（a2+a4）或（a1+a3）＝（a2+a4）或（a1+a3）＞（a2+a4），折曲面中间的平面宽度为a5，满足a5＜（a1+a2+a3+a4）或a5＝（a1+a2+a3+a4）或a5＞（a1+a2+a3+a4）。该永磁体表面宽度为b2，底面宽度为b1，满足b1＜b2或b1＝b2或b1＞b2。因此，拓扑选择方案n满足关系n=3^m，式中m=5，因此共有243种拓扑选择方案。

如图9（b）所示，为辐条式IPM电机转子铁芯2，转子铁芯设置孔槽，其沿转子表面呈放射状均匀分布，并且形状与永磁体结构适配，用于放置不同磁化方向的永磁体。两个孔槽之间靠近转子表面的部分为永磁体主要磁通路径，而两个孔槽之间靠近转轴的部分主要为非工作磁通路径，其面积进一步拓宽，根据需要可添加必要的隔磁设置。

上述实施例所述的辐条式永磁结构拓扑设计方案，不仅可应用于旋转内转子永磁电机中，也可应用于外转子永磁电机中，还可应用于直线电机中。均属于本发明限定的保护范围。