專利名稱：高轉矩快響應永磁無刷伺服電動機的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種電動機，特別是公開一種高轉矩快響應永磁無刷伺服電動機。
二背景技術：
永磁無刷電動機(PMBLM)具有取消機械換向器和電刷、維護少、電磁兼容性好、調速性能好、結構簡單和效率高等優點，正越來越廣泛用于“3A”場合HA-家庭自動化，OA-辦公自動化和FA-工廠自動化。但無刷電機的電樞磁場為非圓形跳躍式的旋轉磁場，存在較大的轉矩波動，而作為高品質永磁電機，特別是伺服電機，最重要的性能要求是轉矩波動小(定位轉矩小)、慣量低、響應快、(動態響應高)和過載能力強，因此常規無刷電機結構難以滿足性能要求。實踐證明提高定轉子間的氣隙磁通密度(氣隙磁密)是電動機獲得良好的動態特性，提高出力(高轉矩)和實現小型輕量化的有效途徑。通常提高氣隙磁密的方法提高磁鋼磁密；增加磁鋼截面積和減少極間漏磁。采用優質磁鋼來提高氣隙磁密，將導致電機成本增加，增加磁鋼截面積使極間距離靠近，往往與減少漏磁有矛盾，而且使電機的重量、體積加大，得不償失。
三
發明內容
本實用新型旨在克服上述缺陷，提供一種具有高轉矩、快響應、低波動、結構簡單、成本低和工作可靠的永磁無刷伺服電動機。
實現本實用新型的技術方案是一種高轉矩快響應永磁無刷伺服電動機，包括定子部分和轉子部分，定子部分有定子鐵芯和定子繞阻；轉子部分有主軸和固定軸上的永磁磁環，永磁轉子與定子之間設有徑向氣隙，其特征在于所述定子鐵芯內圓齒表面在下列四種結構中選取一種臺階齒面、錐形齒面、不對稱齒面和開輔助槽齒面；轉子主軸上固定的磁環在下列二種結構中選取一種一種結構是主軸上分段磁環為各向異性徑向磁化磁環，其每段相鄰磁環中均布的磁極在軸向相應叉開同一角度，使整個轉子軸向呈階梯形斜磁極，另一種結構是主軸上分段磁環以中心磁環為基準，向兩端傾斜磁極，使整個轉子軸向“V”型階梯形斜磁極。
在所述轉子的主軸上固定有分段永磁磁環，磁環內磁極沿圓周均布，其磁化方向為“徑向取向”(徑向磁化)，每段相鄰磁環中分布的磁極，在軸向相應叉開(傾斜)同一角度，轉子分段磁環兩端側壁分別各有一軸向厚度稍薄、相同內外徑、軸向磁化輔助磁環相鄰兩塊切向磁鋼間嵌有軟鋼極靴，組成一個磁極。
通過采用上述措施，使無刷電機，特別是無刷伺服電機的綜合功能優化提升，關鍵的性能指標得到顯著提高，現歸納如下1、轉矩。措施采用如圖8～10中的軸向磁化輔助磁環27的“軸向聚磁”效應，減少軸向漏磁，增加主磁通(Φ＝Φ1+Φ2)，增加氣隙磁密Bg，提高出力；采用如圖3所示的相鄰兩塊切向磁鋼24的“切向聚磁”效應來增加氣隙磁密Bg，提高出力。
2、快響應。即要求電機有較小的機械時間常數Tm和較高的最大理論加速度αm，前者與氣隙磁密Bg平方成反比，即Tm∝1/Bg2，后者與峰值輸出轉矩Tp成正比，即αm∝Tp。通常峰值轉矩Tp發生在起動時，但強大的起動電流引起的強大的電樞反應，使Tp下降，影響電機的快速性。措施上述“軸向、切向聚磁”效應，增加氣隙磁密Bg，提高出力，提高快速響應；通過電機定子鐵芯內圓齒表面的優化結構，即臺階齒面、錐形齒面、不對稱齒面，形成定轉子間單邊氣隙，即不均勻氣隙、氣隙不對稱來減少負載電流引起的電樞反應去磁作用，改善氣隙磁場分布，提高起動轉矩和快速響應。
3、低轉矩波動。特別是作為伺服電機，要求在寬調速范圍內有很低的轉矩波動。措施采用如圖5、8、9中的斜磁鋼(或磁極)減小齒槽引起的轉矩波動；優化定子鐵芯內圓齒表面形狀，形成不均勻氣隙，減小電樞反應畸變，降低轉矩波動；采用輔助槽齒面，減小諧波分量幅值，降低齒槽轉矩波動，使電機低噪和平穩運行。
四

圖1 是本實用新型實施例高轉矩快響應永磁無刷伺服電動機總成剖面結構示意圖；圖2 是凸極式永磁無刷電動機結構示意圖；圖3 是隱極式永磁無刷電動機結構示意圖；圖4 是永磁無刷電動機轉子用各向同性分段永磁磁環(斜磁極)；1a～1f分段永磁磁環；圖5 是本實用新型實施例中隱極式永磁轉子；圖6 是本實用新型實施例中永磁轉子；圖7 是本實用新型實施例中各向異性永磁磁環示意圖；圖8 是本實用新型實施例中轉子用分段永磁磁環；圖9 是本實用新型實施例中轉子用分段永磁磁環；
圖10 是本實用新型實施例中轉子永磁磁環聚磁磁路示意圖；圖11 是本實用新型實施例中定子齒面優化結構—臺階齒面；圖12 是本實用新型實施例中定子齒面優化結構—錐形齒面；圖13 是本實用新型實施例中定子齒面優化結構—不對稱齒面；圖14 是本實用新型實施例中定子齒面優化結構—開輔助槽齒面。
在圖1中1、主軸； 2、波形墊圈； 3、軸承； 4、繞組； 5、磁鋼； 6、氣隙；7、機殼； 8、轉子； 9、定子鐵芯； 10、壓線板； 11、橡膠墊； 12、中蓋；13、后端蓋； 14、外壓板； 15、軸套； 16、摩擦片； 17、內壓板； 18、剎車裝置；19、軸承； 20、壓板；在圖2中21、徑向瓦形磁鋼； 22、定子軛； 23、定子繞組；在圖3中24、切向矩形磁鋼； 25、軟鋼極靴； 26、定子軛； 27、定子繞組； 1a～1f各向異性徑向磁化分段磁環(單方向階梯形斜磁極)； 1a～1f各向異性徑向磁化分段磁環(雙方向階梯形斜磁極)；在圖6、圖7中29、轉子軛；在圖8、圖9中28、軸向磁化輔助磁環； Φ1、徑向磁化分段磁環磁通； Φ2、軸向磁化輔助磁環磁通。
五具體實施方式

以下結合附圖對本實用新型作進一步描述。
見附圖1，電動機的機殼7內設有定子鐵芯9，定子鐵芯9兩端設有繞組4，定子鐵芯9與轉子8之間設有磁鋼5，轉子8兩端分別裝有軸承3、19，由機殼8軸承孔和中蓋12、后端蓋13、軸承3使轉子8與機殼8連接成一體，繞組4的引出線通過壓線板10、橡膠墊11固定并引出，壓板20設于機殼8和中蓋12之間，設于后端蓋13內的轉子8后端上順序裝有剎車裝置18、內壓板17、摩擦片16、軸套15、外壓板14，整個電動機需要固定的地方用螺釘固定。
實施例1根據圖1，高轉矩快響應永磁無刷伺服電動機，機殼7內定子部分包括定子鐵芯9和定子繞組4，轉子部分包括主軸1和固定在軸上的永磁磁環5，永磁轉子與定子之間設有徑向氣隙6，永磁磁環結構如圖8所示，為了說明其特點，與圖4的磁環做一比較分析。圖4中的分段磁環1a～1f為各向同性磁環，整體軸向斜充磁，徑向磁化，使整個轉子軸向起斜磁極作用，降低力矩波動。存在的缺點1)每段磁環徑向磁化的位置和角度均不相同，不能互換，因此，只能采用各向同性永磁材料(極數根據充磁頭來決定)，其磁性能遠遠低于各向異性永磁材料；2)其磁化方式必須采用專用的充磁頭，結構復雜，傾斜度一旦確定也不能調整。本例轉子采用圖8各向異性徑向磁化分段磁環1a～1f。優點1)各向異性永磁材料磁性能高，使電機的氣隙磁密增加，出力提高，能實現小型輕量化；2)每段磁環的徑向磁化位置相同，可互換，充磁方便；3)每段相鄰磁環中均布的磁極在軸向的錯位(磁極階梯形傾斜度)可根據電機性能要求進行調整，以便獲得最低的轉矩波動；4)根據功率要求，可方便地增減磁環，調整永磁轉子長度。本例圖8的轉子分段磁環1a～1f兩端側壁分別各有一軸向厚度稍薄、相同內外徑、軸向磁化的輔助磁環27，具有“軸向聚磁”效果，它同時增加磁鋼面積、減少漏磁和加大主磁通的作用，使氣隙磁密增加，進一步提高出力。
實施例2根據圖9，與上例結構相同，只是斜磁極方式不同。斜磁極可降低轉矩波動，但同時降低了電機的輸出轉矩，為了兩者兼顧，在本實例中以中心磁環1c為基準，向軸向兩端傾斜磁極，使整個轉子軸向呈V型階梯形斜磁極(這種結構磁極斜度較小)，既達到降低轉矩波動目的，又不致于過多影響輸出轉矩。尤其對于長徑比大的電機，該實施例效果更佳。
實施例3根據圖5，永磁轉子為切向磁鋼帶極靴的隱極結構，相鄰兩塊切向磁鋼24間嵌有軟鋼極靴25，組成一個磁極，切向磁鋼斜放，有雙重功效1)每極沿磁化方向的兩塊切向磁鋼24的磁通，同時通過軟鋼極靴24，有明顯的聚磁效果，增加氣隙磁密，提高出力；2)斜磁鋼(即斜磁極)減小齒槽效應，降低轉矩波動，使電機低噪平穩運行。
根據圖11～14，電機定子鐵芯內圓齒表面的四種優化結構臺階齒面圖11、錐形齒面圖12、不對稱齒面圖13和開輔助槽齒面圖14。前三種適用于單方向運轉的無刷電機，優化結構使定轉子間形成單邊氣隙，即不均勻氣隙、不對稱氣隙來減小負載電流引起的電樞反應去磁作用，改善磁場分布，降低轉矩波動，提高電流與轉矩的線性度，提高起動轉矩和快速響應。上面第四種結構，適用于雙向運轉的無刷電機，特別是高精度伺服電機，可增加齒槽轉矩波動的基波次數、基波頻率，降低和消除諧波分量，有效降低齒槽轉矩。實踐證明輔助開槽法可使齒槽轉矩波動降低70～80％。
權利要求1.一種高轉矩快響應永磁無刷伺服電動機，包括定子部分和轉子部分，定子部分有定子鐵芯和定子繞阻；轉子部分有主軸和固定軸上的永磁磁環，永磁轉子與定子之間設有徑向氣隙，其特征在于所述定子鐵芯內圓有齒面；轉子主軸上固定有磁環。
2.根據權利要求1所述的高轉矩快響應永磁無刷伺服電動機，其特征在于所述的定子鐵芯內圓齒面在下列四種結構中選取一種臺階齒面、錐形齒面、不對稱齒面和開輔助槽齒面；所述轉子主軸上固定的磁環在下列二種結構中選取一種一種結構是主軸上分段磁環為各向異性徑向磁化磁環，其每段相鄰磁環中均布的磁極在軸向相應叉開同一角度，使整個轉子軸向呈階梯形斜磁極，另一種結構是主軸上分段磁環以中心磁環為基準，向兩端傾斜磁極，使整個轉子軸向“V”型階梯形斜磁極。
3.根據權利要求2所述的高轉矩快響應永磁無刷伺服電動機，其特征在于在轉子分段磁環兩端側壁分別各設有一軸向厚度稍薄、相同內外徑、軸向磁化輔助磁環。
4.根據權利要求1或3所述的高轉矩快響應永磁無刷伺服電動機，其特征在于轉子軸上的磁極磁鋼為隱極磁鋼，由兩塊切向磁鋼和嵌在中間的導磁軟鋼極靴組成一個磁極，切向磁鋼傾斜放置。
專利摘要本實用新型為一種高轉矩快響應永磁無刷伺服電動機，包括定子部分和轉子部分，定子部分有定子鐵芯和定子繞阻；轉子部分有主軸和固定軸上的永磁磁環，永磁轉子與定子之間設有徑向氣隙，其特征在于所述定子鐵芯內圓齒表面在下列四種結構中選取一種臺階齒面、錐形齒面、不對稱齒面和開輔助槽齒面；轉子主軸上固定的磁環在下列二種結構中選取一種1.主軸上分段磁環為各向異性徑向磁化磁環，整個轉子軸向呈階梯形斜磁極，2.主軸上分段磁環以中心磁環為基準，向兩端傾斜磁極，使整個轉子軸向“V”型階梯形斜磁極。本實用新型的有益效果是轉矩采用軸向聚磁或切向聚磁效應，增加氣隙磁密，提高出力；改善氣隙磁場分布，提高起動轉矩和快速響應；低轉矩波動，使電機低噪、平穩運行。
文檔編號H02K1/12GK2715414SQ20042002298
公開日2005年8月3日 申請日期2004年5月21日 優先權日2004年5月21日
發明者林德芳 申請人:林德芳, 上海特波電機有限公司