專利名稱：帶虛槽結(jié)構(gòu)的三相永磁伺服電動機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及永磁電動機，更具體地說，涉及一種帶虛槽結(jié)構(gòu)的三相永磁伺服電動機，該電動機適用于直接驅(qū)動和位置、速率伺服控制應(yīng)用。
背景技術(shù)：
本實用新型所涉及的永磁直流電動機，主要是指能夠有效地產(chǎn)生具有低扭矩波動的伺服電動機。其中，扭矩波動主要包括較低的齒槽效應(yīng)扭矩分量(定位力矩)、較低的電流與電勢諧波扭矩分量。目前，此類伺服電動機設(shè)計的主要目標(biāo)是力矩波動小、輸出功率大(轉(zhuǎn)速和力矩的乘積大)、過載能力大、體積小、價格低等等。產(chǎn)生力矩波動的主要原因包括(1)定子電流諧波與反電勢諧波乘積呈現(xiàn)的力矩波動；( 定子電流為零時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，由于齒槽效應(yīng)產(chǎn)生磁導(dǎo)變化呈現(xiàn)的定位力矩波動。抑制力矩波動的主要方法包括(1)傳統(tǒng)的分?jǐn)?shù)槽繞組設(shè)計；(2)優(yōu)化齒槽與磁極配合的集中繞組設(shè)計，例如名為“高效永磁無刷電動機”，公開號CN1856921A的中國發(fā)明專利申請。其中，傳統(tǒng)的分?jǐn)?shù)槽繞組設(shè)計的電機制造工藝復(fù)雜、生產(chǎn)成本很高。優(yōu)化齒槽與磁極配合的集中繞組設(shè)計具有性價比高的特點，但其只適應(yīng)于磁極數(shù)大于20的低速伺服電機。在公開號為CN101371425A的中國發(fā)明專利申請中，公開了一種磁極數(shù)2P = 8， 齒槽數(shù)Z= 12，采用大、中、小齒結(jié)構(gòu)的方波三相無刷永磁直流電動機。該電機具備優(yōu)異的性能，具有很高的性價比，但仍有欠缺。由于它裝有繞組的兩個齒的大小不同，給制造帶來許多不便，例如，齒的加工模具、工裝、工藝均不能一致，繞組的加工模具、工裝、工藝也不能一致；更嚴(yán)重的是由于槽的空間尺寸不同，必然導(dǎo)致每相的兩個繞組的匝數(shù)、線徑不能一致，從而對電機性能造成不良影響，例如導(dǎo)致兩個繞組的電流產(chǎn)生的力矩在空間不對稱。此外該電機的大、中、小齒結(jié)構(gòu)，對于定位力矩的抑制作用不夠強。該電機的每相兩個齒的電角度為200° 士20°和160° 士20°，其相反電勢波形具有120°以上的平頂區(qū)，可以實現(xiàn)方波永磁伺服電機。然而為了獲得最高的繞組利用率和最寬的平頂區(qū)， 理想電角度應(yīng)為180°，該電機偏離理想電角度士20°，必然導(dǎo)致其繞組利用率下降為 sin(140° /180° X90° ) = 0. 940，且該電機的相反電勢平頂區(qū)也因此并非最佳。

實用新型內(nèi)容本實用新型要解決現(xiàn)有正弦波永磁伺服電動機和方波永磁伺服電動機所存在的問題，提出一種新原理、新結(jié)構(gòu)、高性能、高性價比的帶虛槽結(jié)構(gòu)的三相永磁伺服電動機。為解決上述技術(shù)問題，本實用新型提供一種帶虛槽結(jié)構(gòu)的三相永磁伺服電動機， 所述電動機的轉(zhuǎn)子鐵芯上裝有多對永磁體，定子的齒槽中裝有三相繞組，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子鐵芯上的磁極數(shù)2P = 8 ；所述定子鐵芯的槽數(shù)Z = 12，相應(yīng)有十二個齒，所述槽的槽口寬度為1. 0 2. Omm ；所述十二個齒中包括六個大齒、三個小齒、以及三個更小的微齒；所述三相繞組為六個集中繞組，分別裝于所述六個大齒上，所述繞組和齒的排列次序小齒一裝A相繞組的大齒一微齒一裝C相繞組的大齒一小齒一裝B相繞組的大齒一微齒一裝A相繞組的大齒一小齒一裝C相繞組的大齒一微齒一裝B相繞組的大齒；所述定子鐵芯上的每個大齒占圓周45° 士5°機械角度，S卩180° 士20°電角度；每個小齒占圓周20° 士5°機械角度，即80° 士20°電角度；每個微齒占圓周10° 士5°機械角度，S卩40° 士20°電角度； 其中每個齒所占圓周機械角度包含一個所述槽口的寬度，且其中兩個大齒、一個小齒、再加上一個微齒的機械角度之和等于120° ；在每一個所述大齒上設(shè)有至少一個虛槽，在每一個所述小齒也分別設(shè)有至少一個虛槽。本實用新型中，可在每一個所述大齒上設(shè)有3個對稱均布的虛槽，在每一個所述小齒上設(shè)有1個對稱均布的虛槽。本實用新型中，可在每一個所述大齒上設(shè)有4個對稱均布的虛槽，在每一個所述小齒上設(shè)有2個對稱均布的虛槽，在每一個所述微齒上還設(shè)有1個對稱均布的虛槽。本實用新型中，所述虛槽的寬度為所述槽口寬度的1 2倍，所述虛槽的深度為所述槽口寬度的0.5 1.0倍。由上述技術(shù)方案可知，本實用新型的三相永磁伺服電動機中，在大齒和小齒上均設(shè)有至少一個虛槽，可進(jìn)一步減小齒槽定位力矩。該帶虛槽結(jié)構(gòu)的三相永磁伺服電動機具有繞組端部小、用銅少、損耗小、氣隙小磁負(fù)荷高、定位力矩小和過載能力強等一系列優(yōu)點。

下面將結(jié)合附圖及實施例對本實用新型作進(jìn)一步說明，附圖中圖1是本實用新型一個優(yōu)選實施例中電動機的定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實用新型一個優(yōu)選實施例中電動機總裝結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是圖1所示實施例中的定子齒槽角度分布示意圖(未顯示虛槽結(jié)構(gòu))；圖4是鑲嵌大齒構(gòu)成定子沖片的結(jié)構(gòu)示意圖(未顯示虛槽結(jié)構(gòu))；圖5是鑲嵌小齒和微齒構(gòu)成定子沖片的結(jié)構(gòu)示意圖(未顯示虛槽結(jié)構(gòu))；圖6是十二個齒分別獨立并互相咬合的結(jié)構(gòu)示意圖(未顯示虛槽結(jié)構(gòu))；圖7是正弦波磁場電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖(未顯示虛槽結(jié)構(gòu))。
具體實施方式
本實用新型的一個優(yōu)選實施例如圖1和圖2所示。從圖2中可以看出這種帶虛槽結(jié)構(gòu)的三相永磁伺服電動機的大致結(jié)構(gòu)，其主要部件包括轉(zhuǎn)子1、定子2、轉(zhuǎn)軸30等，轉(zhuǎn)子1 與定子2之間的物理氣隙5為0. 2 2mm。轉(zhuǎn)子位置傳感器6，可以是光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、磁編碼器中任何一種。從圖1中可以看出，在轉(zhuǎn)子鐵芯上裝有四對極的永磁體4，這些永磁體N、S相間排列，轉(zhuǎn)子的磁極數(shù)2P = 8。具體實施時，永磁體4可以是徑向充磁的瓦形磁鋼、或者是平行充磁的瓦形磁鋼。轉(zhuǎn)子鐵芯上的永磁體的極距η D/8的物理尺寸是10 120mm，其中D是轉(zhuǎn)子外徑。這種結(jié)構(gòu)可以獲得趨于135°方波的相反電勢波形，與方波定子電流配合可實現(xiàn)力矩波動很小的方波永磁伺服電機運行。由于兩相反電勢方波中的3、6次諧波相位相同， 相減為零，因此這種結(jié)構(gòu)的線反電勢波形仍趨于正弦波，采用正弦波電流驅(qū)動時三相正弦波定子電流與三相相反電勢方波中的3、6次諧波的乘積不呈現(xiàn)力矩波動，而且電機的輸出功率獲得約30%的提升。從圖1中可以看出，定子齒槽的數(shù)目Z = 12，即對應(yīng)有十二個齒和十二個槽；定子槽的槽口 3的寬度為1. 0 2. Omm ；十二個齒中包括六個裝繞組的大齒8、不裝繞組的三個小齒9、以及不裝繞組的三個微齒10，并在圓周內(nèi)按小齒一大齒一微齒一大齒一小齒一大齒一微齒一大齒一小齒一大齒一微齒一大齒這樣的次序排布，也即形成十二個槽。其中，僅在六個大齒8上安裝三相繞組，每個大齒上的繞組有兩個繞組邊、并分別占有其兩側(cè)的一個槽。如圖3所示(由于虛槽結(jié)構(gòu)較小，圖3至圖7中均未畫出虛槽結(jié)構(gòu)，僅以傳統(tǒng)無虛槽的結(jié)構(gòu)的展示)，定子鐵芯上的每個大齒占圓周45°機械角度，即180°電角度； 每個小齒占圓周20°機械角度，即80°電角度；每個微齒占圓周10°機械角度，即40° 電角度；為了獲得三相對稱繞組，兩個大齒、一個小齒、再加上一個微齒的機械角度之和 2X45° +20° +10° =120°。其中每個齒所占圓周機械角度包含一個槽口 3的寬度，例如圖3所示的小齒所占圓周機械角度20°就是一個小齒的寬度再加左右各半個槽口的寬度所占的圓周機械角度。該電機具有最理想的大齒齒寬，電角度為PX45。=4X45° =180°，因此該電機的繞組利用率最大化為sin(180° /180° X90° ) = 1. 0，該實施例的相反電勢平頂區(qū)相應(yīng)達(dá)到最佳。這種不均勻的齒槽結(jié)構(gòu)，既確保了三相對稱，又抑制了定位力矩。本實施例中，六個三相繞組為集中繞組，分別將定子繞組用繞線機或手工直接繞在經(jīng)表面絕緣處理的大齒上，繞組和齒的排列次序是一小齒一裝A相繞組的大齒一微齒 —裝C相繞組的大齒一小齒一裝B相繞組的大齒一微齒一裝A相繞組的大齒一小齒一裝C 相繞組的大齒一微齒一裝B相繞組的大齒一；具體如圖1所示。如此繞制后，每相兩個集中繞組之間是串聯(lián)的，減少了接線，簡化了工藝。可見，該電動機每相僅有兩個集中繞組，三相電動機僅有六個集中繞組，電動機的繞組總數(shù)非常少， 大大簡化了電動機結(jié)構(gòu)，降低了成本，同時繞組端部減少到傳統(tǒng)電動機的1/3 1/6甚至更多，達(dá)到了最小化，于是銅耗大幅下降。從圖1中可以看出，在每一個大齒8上設(shè)有4個對稱均布的虛槽7，在每一個小齒 9上設(shè)有2個對稱均布的虛槽7，在每一個微齒10上還設(shè)有1個對稱均布的虛槽7。上述結(jié)構(gòu)使得虛擬的齒槽數(shù)提高到45個，齒槽定位力矩的頻率提高到45X10 = 450。此外，還可在每一個大齒8上設(shè)3個對稱均布的虛槽)，在每一個小齒9上設(shè)1個對稱均布的虛槽7，使得虛擬的齒槽數(shù)提高到33個，齒槽定位力矩的頻率提高到33X10 = 330。具體實施時，其中虛槽7的寬度為槽口 3寬度的1 2倍，虛槽7的深度則為槽口 3寬度的0.5 1.0倍。如圖4所示，本實用新型一個實施例中，定子鐵芯由七部分互相咬合和拼接所組成，包括含有三個小齒9和三個微齒10的由多層硅鋼片自鉚迭壓而成的一體式環(huán)形鐵芯 11，由多層硅鋼片自鉚迭壓而成的六個獨立的大齒鐵芯8 ；環(huán)形鐵芯11的軛部和大齒鐵芯8 上分別設(shè)有凹槽/凸臺，并互相咬合形成完整的定子鐵芯。針對這種結(jié)構(gòu)，可先在A相的兩個大齒鐵芯上繞好兩個串聯(lián)的A相繞組，在B相的兩個大齒鐵芯上繞好兩個串聯(lián)的B相繞組，在C相的兩個大齒鐵芯上繞好兩個串聯(lián)的C相繞組，然后將六個裝有A、B、C三相繞組的大齒鐵芯嵌入到環(huán)形鐵芯11上，即構(gòu)成裝有A、B、 C三相繞組的定子鐵芯組件。該實施例中，可以很方便地對獨立的大齒鐵芯進(jìn)行絕緣處理， 然后用自動或半自動繞線機對大齒鐵芯實施繞線。它的繞組制造工藝性很好；同時，采用整體結(jié)構(gòu)環(huán)形鐵芯11可充分保證定子鐵芯組件的幾何精度。本實施例中的電機具有理想的齒寬設(shè)計，分別為大齒46°、小齒18°、微齒10°， 2X46° +18° +10° =120°，可構(gòu)成A、B、C三相對稱繞組，且定位力矩抑制的很好。該電動機可采用三相方波電流或三相正弦波電流驅(qū)動，都能產(chǎn)生平穩(wěn)的力矩，并具有繞組端部小、用銅少、損耗小、氣隙小、定位力矩小和過載能力強等一系列優(yōu)點。如圖5所示，本實用新型的另一實施例中，與圖4所示實施例相反，其一體式環(huán)形鐵芯12上包含六個大齒，而三個小齒9和三個微齒10是獨立的，同樣是互相咬合形成完整的定子鐵芯。具體裝配時，先對六個大齒實施絕緣處理；由于此時未裝小齒和微齒，環(huán)形鐵芯 12的開口很大，完全可以使用自動繞線機在大齒8上繞制各相繞組。例如先在A相的兩個大齒上分別繞好串聯(lián)的兩個A相繞組，再在B相的兩個大齒上分別繞好串聯(lián)的兩個B相繞組，再在C相的兩個大齒鐵芯上分別繞好串聯(lián)的兩個C相繞組，然后將實施絕緣處理后的三個小齒鐵芯和三個微齒鐵芯嵌入環(huán)形鐵芯12的軛部，構(gòu)成裝有A、B、C三相繞組的定子鐵芯組件。該電動機可采用三相方波電流或三相正弦波電流驅(qū)動，都能產(chǎn)生平穩(wěn)的力矩，并具有繞組端部小、用銅少、損耗小、氣隙小、定位力矩小和過載能力強等一系列優(yōu)點。如圖6所示，本實用新型另一實施例中，有十二個獨立的齒，即包括由多層硅鋼片自鉚迭壓而成的六個獨立大齒、三個獨立小齒、以及三個獨立微齒；每個齒的軛部兩側(cè)設(shè)有凹槽/凸臺，相鄰齒的軛部互相咬合形成完整的定子鐵芯。其中，每個大齒占圓周45°機械角度，即180°電角度；每個小齒占圓周20°機械角度，即80°電角度；每個微齒占圓周 10°機械角度，即40°電角度。本實施例中，可將定子繞組用自動、半自動繞線機、或手工方式先繞制在經(jīng)表面絕緣處理的獨立大齒上，然后利用定位工裝，將六個有繞組的大齒、三個無繞組的小齒、以及三個無繞組的微齒按次序互相咬合拼裝成定子組件。如此繞制后，每相兩個集中繞組之間是串聯(lián)的，減少了接線，簡化了工藝。該電動機可采用三相方波電流或三相正弦波電流驅(qū)動，都能產(chǎn)生平穩(wěn)的力矩，并具有繞組端部小、用銅少、損耗小、氣隙小、定位力矩小和過載能力強等一系列優(yōu)點。如圖7所示，本實用新型的又一實施例中，為了獲得趨于正弦波的氣隙磁場或正弦波的相反電勢波形，采用了瓦形磁鋼，磁鋼的外圓兩側(cè)設(shè)有不大于15°、長度不大于磁鋼的外圓弧長1/4的削角，如圖7。該帶虛槽結(jié)構(gòu)的三相永磁伺服電動機定子與轉(zhuǎn)子之間的物理氣隙為1.0mm。如此設(shè)計后可以獲得趨于正弦波的氣隙磁場或正弦波的相反電勢波形。 于是三相定子電流中即使存在非正弦，也不至于產(chǎn)生過大的力矩波動。該電動機采用三相正弦波電流驅(qū)動，能產(chǎn)生平穩(wěn)的力矩，并具有繞組端部小、用銅少、損耗小、氣隙小、定位力矩小和過載能力強等一系列優(yōu)點。本實用新型并不限于上述具體實施例，其中，定子鐵芯上的每個大齒所占圓周機械角度可為45° 士 5°，即180° 士 20°電角度；每個小齒占圓周機械角度可為20° 士5°，即80° 士20°電角度；每個微齒占圓周機械角度可為10° 士5°，即 40° 士20°電角度；同樣，這里所講的每個齒所占圓周機械角度包含槽口 3的寬度，同時需保證每兩個大齒、一個小齒、再加上一個微齒的機械角度之和等于120° ；例如大齒44°、小齒 19°、微齒 13°，2X44° +19° +13° =120°，又例如大齒 46°、小齒 20°、微齒 8°， 2X46° +18° +8° = 120°，等等。 本實用新型的電機具有最接近理想的大齒齒寬，其電角度為180° 士20°，因此其繞組利用率大于0.985 (sin (200° /180° X90° ) = 0. 985)，該電機的相反電勢平頂區(qū)相應(yīng)達(dá)到最佳化。
權(quán)利要求1.一種帶虛槽結(jié)構(gòu)的三相永磁伺服電動機，所述電動機的轉(zhuǎn)子鐵芯(1)上裝有多對永磁體，定子(2)的齒槽中裝有三相繞組，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子鐵芯上的磁極數(shù)2P = 8 ； 所述定子鐵芯的槽數(shù)Z = 12，相應(yīng)有十二個齒，所述槽的槽口(3)寬度為1.0 2. Omm;所述十二個齒中包括六個大齒(8)、三個小齒(9)、以及三個更小的微齒(10)；所述三相繞組為六個集中繞組，分別裝于所述六個大齒上，所述繞組和齒的排列次序小齒一裝A相繞組的大齒一微齒一裝C相繞組的大齒一小齒一裝B相繞組的大齒一微齒一裝A相繞組的大齒 —小齒一裝C相繞組的大齒一微齒一裝B相繞組的大齒；所述定子鐵芯上的每個大齒占圓周45° 士 5°機械角度，S卩180° 士 20°電角度；每個小齒占圓周20° 士 5°機械角度，即 80° 士20°電角度；每個微齒占圓周10° 士5°機械角度，即40° 士20°電角度；其中每個齒所占圓周機械角度包含一個所述槽口( 的寬度，且其中兩個大齒、一個小齒、再加上一個微齒的機械角度之和等于120° ；在每一個所述大齒(8)上設(shè)有至少一個虛槽(7)，在每一個所述小齒(9)也分別設(shè)有至少一個虛槽(7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶虛槽結(jié)構(gòu)的三相永磁伺服電動機，其特征在于，在每一個所述大齒(8)上設(shè)有3個對稱均布的虛槽(7)，在每一個所述小齒(9)上設(shè)有1個對稱均布的虛槽(7)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶虛槽結(jié)構(gòu)的三相永磁伺服電動機，其特征在于，在每一個所述大齒(8)上設(shè)有4個對稱均布的虛槽(7)，在每一個所述小齒(9)上設(shè)有2個對稱均布的虛槽(7)，在每一個所述微齒(10)上還設(shè)有1個對稱均布的虛槽(7)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的帶虛槽結(jié)構(gòu)的三相永磁伺服電動機，其特征在于，所述虛槽(7)的寬度為所述槽口( 寬度的1 2倍，所述虛槽(7)的深度為所述槽口 (3)寬度的0.5 1.0倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶虛槽結(jié)構(gòu)的三相永磁伺服電動機，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子鐵芯上各個永磁體的N、S磁極相間排列，所述永磁體是徑向充磁的瓦形磁鋼、或者是平行充磁的瓦形磁鋼；所述瓦形磁鋼的外圓兩側(cè)設(shè)有角度不大于15°、長度不大于磁鋼的外圓弧長1/4的削角；所述定子與轉(zhuǎn)子之間的物理氣隙為0. 2 2mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶虛槽結(jié)構(gòu)的三相永磁伺服電動機，其特征在于，所述定子鐵芯由七部分組成，包括含有三個小齒和三個微齒的由多層硅鋼片自鉚迭壓而成的一體式環(huán)形鐵芯(11)，由多層硅鋼片自鉚迭壓而成的六個獨立的大齒鐵芯(8)；所述環(huán)形鐵芯的軛部和大齒鐵芯上分別設(shè)有凹槽/凸臺，并互相咬合形成完整的定子鐵芯。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶虛槽結(jié)構(gòu)的三相永磁伺服電動機，其特征在于，所述定子鐵芯由七部分組成，包括含有六個大齒的由多層硅鋼片自鉚迭壓而成的一體式環(huán)形鐵芯 (12)，由多層硅鋼片自鉚迭壓而成的三個獨立的小齒鐵芯、以及由多層硅鋼片自鉚迭壓而成的三個獨立的微齒鐵芯；所述環(huán)形鐵芯的軛部和小齒、微齒鐵芯上分別設(shè)有凹槽/凸臺， 并互相咬合形成完整的定子鐵芯。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶虛槽結(jié)構(gòu)的三相永磁伺服電動機，其特征在于，所述定子鐵芯由十二部分組成，即包括由多層硅鋼片自鉚迭壓而成的六個獨立大齒、三個獨立小齒、 以及三個獨立微齒；每個齒的軛部兩側(cè)設(shè)有凹槽/凸臺，相鄰齒的軛部互相咬合形成完整的定子鐵芯。
專利摘要本實用新型涉及一種帶虛槽結(jié)構(gòu)的三相永磁伺服電動機，其轉(zhuǎn)子磁極數(shù)2P＝8，定子齒槽數(shù)Z＝12，十二個齒中包括六個大齒(8)、三個小齒(9)、以及三個更小的微齒(10)；六個集中繞組分別裝于六個大齒上，大齒、小齒、微齒所占圓周機械角度分別是45°±5°、20°±5°、10°±5°。為了進(jìn)一步減小齒槽定位力矩，在每一個所述大齒(8)上設(shè)有至少一個虛槽(7)，在每一個所述小齒(9)也分別設(shè)有至少一個虛槽(7)。該電動機可采用三相方波電流或三相正弦波電流驅(qū)動，并具有繞組端部小、用銅少、損耗小、氣隙小、定位力矩小和過載能力強等一系列優(yōu)點。
文檔編號H02K1/16GK202068306SQ20112013795
公開日2011年12月7日 申請日期2011年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月4日
發(fā)明者曹立明, 杜坤梅 申請人:浙江博望科技發(fā)展有限公司