一种三相永磁伺服电动机用带极靴的偏心转子的制作方法

1.本实用新型公开一种三相永磁伺服电动机，特别是一种三相永磁伺服电动机用带极靴的偏心转子。


背景技术：

2.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。
3.正弦波永磁电动机的力矩波动则远小于方波永磁电动机，已经成为现今工业应用的主流。然而，传统正弦波永磁电动机为了减小其力矩波动，都采用“分数槽的分布式绕组结构”。“分数槽的分布式绕组电机”的气隙谐波磁场和定位力矩小，但是会导致电机结构和制造工艺复杂化，加上正弦波永磁电动机的控制系统复杂，导致电机成本大幅增加，更重要的是电动机的力能指标也会有所下降。
4.为了解决“分数槽的分布式绕组电机”的成本高、结构和工艺复杂的问题，当代正弦波永磁电动机开始采用“分数槽的集中绕组结构”时，最典型的例如：10极12槽的“分数槽的集中绕组电机”。由于分数槽集中绕组电机的极数与槽数非常接近，其定位力矩(齿槽定位力矩)比较大，所以集中绕组电机的最大设计和制造难点是：如何减小其定位力矩(齿槽定位力矩)。虽然国内外对其研究已经不少，方法众多，然而这些方法都需要付出牺牲其它性能为前提，且效果欠佳。其原因分析如下：
5.由于分数槽集中绕组电机的极数与槽数非常接近，所以它的绕组系数非常大，也即绕组利用率非常高，而且绕组端部最小化，电机铜损小，效率高。但是分数槽集中绕组电机的齿槽定位力矩可能非常大，且难以抑制。极限情况，极数与槽数相等时定位力矩达到极大值。传统的方法是：选择合理的齿槽配合、采用闭口槽或小槽口、适当的加大气隙、采用转子斜槽、采用转子偏心等等常用的抑制定位力矩的方法。但是上述方法会使得绕组系数偏小、漏磁变大、气隙磁密变小、电机材料利用率降低，以牺牲电机力能指标和性能为代价，更不足以将定位力矩抑制到小于万分之几数量级。许多工程应用中的电机即使把上述方法都同时用上，也难以将定位力矩抑制到小于万分之几数量级。因此，抑制定位力矩仍然是当前永磁电机设计与制造的大难题。特别是，直接驱动系统中的大直径力矩电机都仍然采用传统的“分数槽的分布式绕组结构”，尽管电机结构和制造工艺复杂，生产成本很高。


技术实现要素：

6.针对上述提到的现有技术中的永磁电机定位力矩与力能指标不能兼顾的缺点，本实用新型提出一种三相永磁伺服电动机用带极靴的偏心转子，其通过转子偏心结构配合增加极靴的方法，能够非常好的抑制定位力矩，减小气隙谐波磁场，全面提升电机各方面的性能。
7.本实用新型解决其技术问题采用的技术方案是：一种三相永磁伺服电动机用带极靴的偏心转子，所述的转子包括极靴、转子端片和转子轭，转子轭(3)两端分别设置有一片转子端片，极靴固定设置在转子轭外侧四周。
8.本实用新型解决其技术问题采用的技术方案进一步还包括：
9.所述的极靴通过方形磁钢安装在转子轭上。
10.所述的转子端片为极靴与转子轭一体的形式。
11.所述的转子端片的材料是硅钢片、或其它强度大的金属或非金属复合材料。
12.所述的转子轭由转子冲片相互叠加形成。
13.所述的转子端片的厚度为0.35～2.1mm。
14.相邻极靴之间设置有磁桥，磁桥的宽度为0.3～0.4mm。
15.所述的极靴和转子轭上分别有凹槽。
16.所述的转子轭两侧开设有用来插接t形契块的转子轭的契槽，t形契块沿轴向插入转子轭的契槽内。
17.所述的转子为偏心的转子，转子偏心率pr＝r1/r2＝(1.05～(1+1.5δcos(180
°
/2p)))，其中，r1是转子半径，r2是偏心转子半径，2p是电机极数。
18.本实用新型的有益效果是：本实用新型通过转子双偏心结构配合增加极靴的方法，能够非常好的抑制定位力矩，减小气隙谐波磁场，全面提升电机各方面的性能，该方法对方波和正弦波两类永磁电机均适用，也特别适用于直接驱动系统中的大直径力矩电机。
19.下面将结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步说明。
附图说明
20.图1为本实用新型正视结构示意图。
21.图2为本实用新型转子端片结构示意图。
22.图3为本实用新型切面结构示意图。
23.图4为本实用新型转子带极靴实施例一的磁极结构示意图。
24.图5为本实用新型转子带极靴实施例二的磁极结构示意图。
25.图6为本实用新型带极靴转子轭实施例一的示意图。
26.图7为本实用新型带极靴转子轭实施例二的示意图。
27.图8为本实用新型使用状态结构示意图。
28.图9是带极靴不采用偏心一个磁极下的定位力矩波形图。
29.图10是带极靴采用转子偏心后一个磁极下的定位力矩波形图。
30.图11是带极靴采用转子和定子双偏心后一个磁极下的定位力矩波形图。
31.图中，1-定子铁芯，2-转子铁芯，3-转子轭，4-极靴，5-转子端片，6-方形磁钢，7-磁桥，8-转子冲片，9-契槽。
具体实施方式
32.本实施例为本实用新型优选实施方式，其他凡其原理和基本结构与本实施例相同或近似的，均在本实用新型保护范围之内。
33.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，提出一种三相永磁伺服电动机用带极靴的偏心转子，其可配合偏心定子实现新设计原理、新结构、高性能、低成本、采用分数槽集中绕组的定转子双偏心的非均匀气隙三相永磁伺服电动机。
34.本实用新型中，转子包括极靴4、转子端片5和转子轭3，转子轭3两端分别设置有一片转子端片5，极靴4设置在转子轭3外侧四周。对于本实用新型而言，更重要的是，转子带有极靴4后，电机的原理性电磁气隙大幅减小。原因是，如果转子不带极靴4，由于磁钢的导磁率接近空气的导磁率，因此这种径向磁路的原理性电磁气隙应该包含磁钢厚度，所以，转子带有极靴4后，由于电机的原理性电磁气隙减小了一个磁钢厚度，有了大幅减小。显然，原理性电磁气隙小时，采用转子和定子偏心，偏心对原理性电磁气隙的相对变化比较大，因此偏心对于抑制定位力矩变得更加敏感。也即，可以通过更小的偏心率变化，实现定位力矩优化设计和取得更好的优化效果。偏心率变化小，当然的气隙磁密的影响也更小，所以本实用新型转子带有极靴4后，转子和定子双偏心，对气隙磁密的影响比传统电机更小。
35.本实施例中，极靴4通过方形磁钢6安装在转子轭3上。本实用新型转子带有极靴4后，可以使用方形磁钢6，磁钢成本可以下降25％左右。
36.本实施例中，转子端片5为极靴4与转子轭3一体的形式，通过转子端片5将方形磁钢6、极靴4和转子轭3相互镶嵌形成整体的转子铁心2。
37.本实施例中，转子端片5的材料可以是硅钢片、或其它强度大的金属或非金属复合材料。
38.本实施例中，相邻转子端片5之间设置有转子冲片8，或者说转子轭3由转子冲片8相互叠加形成，即对于轴向长度比较长的电机，为了增加强度，极靴4与转子轭3一体的转子端片5的数量不限于2～3片甚至可以更多，所述转子端片5的厚度为0.35～2.1mm。
39.本实施例中，为了简化和保持工艺的一致性，上述的三相永磁伺服电动机，所述转子端片5的材料是与转子轭3相同的硅钢片，相邻极靴4之间设置有磁桥7，为了减小漏磁所述磁桥7的宽度q≤δ，气隙δ＝0.4mm，磁桥7的宽度q为0.3～0.4mm。
40.本实施例中，所述极靴4和转子轭3上分别有凹槽，以便通过方形磁钢6将极靴4和转子轭3粘嵌接在一起，为了简化装配，所述转子轭3装磁钢的凹槽的两侧有用来插接t形契块的转子轭3的契槽9，当t形契块沿轴向插入转子轭3的契槽9时，可以将方形磁钢6、极靴4、转子轭3都嵌接在一起成为整体互相嵌接起来的坚固的转子铁心2，为了增加强度，各结合部仍然可以施加厌氧胶或环氧胶。
41.本实施例中，极靴4的材料是低碳钢、铸钢、硅钢片、铁氧体、smc复合软磁材料或其它软磁材料中的一种，极靴4和转子轭3上分别有凹槽，以便通过方形磁钢6将极靴4和转子轭3粘接成整体的转子铁心2，使用的粘接剂可以是磁钢专用的厌氧胶或环氧胶；为了简化生产工艺或对于小尺寸电机，方形磁钢6、极靴4和转子轭3可以通过模具定位后进行粘接，此时，极靴4和转子轭3上可以不设凹槽。
42.如上分析，由于带有极靴4后，偏心的影响更加敏感，电机的转子铁芯2为偏心的转子铁芯2，带有极靴4电机的转子偏心率pr＝r1/r2＝(1.05～(1+1.5δcos(180
°
/2p)))，其中，r1是转子半径，r2是偏心转子半径，2p是电机极数。
43.为了进一步说明转子带极靴4后再采用偏心，分析其对抑制定位力矩的影响，以槽数z＝12，极数2p＝10,气隙δ＝0.4mm，槽口0.2mm，外径110mm的电机为例。
44.(1)当电机转子带极靴4，不采用偏心，为均匀气隙时，由于槽数和极数比较接近，即使采用了最佳的极槽配合，最佳的气隙与槽口尺寸配合，电机定位力矩仍为0.010nm，还无法实用，一个磁极下的定位力矩波形如图9。该定位力矩波形中主要是：一个幅值较大的
主波迭加一个幅值小一点由开槽引起的副波，相对与一对磁极波，定位力矩波是二倍频谐波。
45.(2)当转子带极靴4，采用转子偏心，即使偏心率比较大，最佳定位力矩为0.001nm，定位力矩波形如图10，但此时定位力矩幅值已经减小10倍，开槽引起的副波已经基本被完全抑制。对于高性能电机定位力矩指标还不够最理想。
46.(3)当电机转子带极靴4，采用转子和定子双偏心，即使偏心率不太大，定位力矩可以设计为0.00059nm，定位力矩波形如图11，定位力矩幅值比无偏心减小17.6倍，频率倍增。可以看出，转子带极靴4，转子和定子双偏心后抑制定位力矩的效果更好，而且由于转子和定子偏心率不太大，非均匀气隙与无偏心均匀气隙没有明显变化，因此本实用新型非均匀气隙电机的平均气隙磁密与无偏心均匀气隙时几乎相同。也就是采用转子和定子双偏心的电机，平均气隙磁密下降很小。
47.本实用新型通过转子双偏心结构配合增加极靴的方法，能够非常好的抑制定位力矩，减小气隙谐波磁场，全面提升电机各方面的性能，该方法对方波和正弦波两类永磁电机均适用，也特别适用于直接驱动系统中的大直径力矩电机。