三相對稱印制繞組的制作方法
【專利摘要】本實用新型的三相對稱印制繞組，應用于高精度、高動態(tài)性能的伺服驅(qū)動電機。由4M（M為正整數(shù)）片的包含3N（N為≥4的正整數(shù)）根導體的導體片重疊而成，各片之間由絕緣坯布粘結(jié)，相鄰的兩片構(gòu)成一組，每組中兩片導體片中的導體的外端頭相互均勻交叉錯開；一組中的兩片導體片中的導體的兩兩對齊的內(nèi)端頭聯(lián)通，兩組中導體片中的導體的兩兩對齊的外端頭聯(lián)通；根據(jù)60°相帶三相繞組的規(guī)律在最上層和最下層的各6根導體斷開后獲得的6個分布式繞組，記為U+，U-，V+，V-，W+，W-，U+與U-相串聯(lián)得到U相繞組，V+與V-相串聯(lián)得到V相繞組，W+與W-相串聯(lián)得到W相繞組，三個相繞組的末端連接在一起。
【專利說明】三相對稱印制繞組

【技術領域】
[0001 ] 本實用新型涉及三相永磁同步電機,具體是三相永磁同步電機的三相對稱印制繞組。

【背景技術】
[0002]目前，公知的有齒有槽三相永磁同步電機由于定位轉(zhuǎn)矩和氣隙磁密畸變等先天缺陷，會使電機轉(zhuǎn)矩波動，產(chǎn)生振動和噪聲，出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動，使電機不能平穩(wěn)運行，影響電機的性能。同時使電機產(chǎn)生不希望的振動和噪聲。在變速驅(qū)動中，當轉(zhuǎn)矩脈動頻率與定子或轉(zhuǎn)子的機械共振頻率一致時，定位轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的振動和噪聲將被放大。定位轉(zhuǎn)矩的存在同樣影響了電機在速度控制系統(tǒng)中的低速性能和位置控制系統(tǒng)中的高精度定位。
[0003]有齒有槽三相永磁同步電機的定位轉(zhuǎn)矩主要包括齒槽定位轉(zhuǎn)矩、定轉(zhuǎn)子雙凸極結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的定位轉(zhuǎn)矩等。永磁同步電機的電樞鐵心為了安放定子繞組必定存在齒槽，由于齒槽的存在，引起氣隙的不均勻，一個齒距內(nèi)的磁通相對集中于齒部，使得氣隙磁導不是常數(shù)。當采用定轉(zhuǎn)子雙凸極結(jié)構(gòu)時也會導致氣隙磁導不是常數(shù)的后果。當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，氣隙磁場的貯能就發(fā)生變化，產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩，這個轉(zhuǎn)矩是不變的，它與轉(zhuǎn)子位置有關，因而隨著轉(zhuǎn)子位置發(fā)生變化，就引起轉(zhuǎn)矩脈動。它與轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)尺寸、定子齒槽的結(jié)構(gòu)、氣隙的大小、磁極的形狀和磁場分布等有關,而與繞組如何放置在槽中和各相繞組中饋入多少電流等因素無關。齒槽轉(zhuǎn)矩是有齒有槽永磁電機的固有現(xiàn)象，它是在電樞繞組不通電的狀態(tài)下，由永磁體產(chǎn)生的磁場同電樞鐵心的齒槽作用在圓周方向產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。它的產(chǎn)生來自于永磁體與電樞齒之間的切向力，使永磁電動機的轉(zhuǎn)子有一種沿著某一特定方向與定子對齊的趨勢，試圖將轉(zhuǎn)子定位在某些位置，由此趨勢產(chǎn)生的一種振蕩轉(zhuǎn)矩。
[0004]在永磁同步電動機中，公知的理論是:當電樞電流波形是正弦波，電動機反電動勢波形也設計為正弦波形，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩就是恒定的，不存在電磁轉(zhuǎn)矩的任何波動。因此電動機的性能在很大程度上取決于每相反電動勢波形，而反電動勢波形則最終由氣隙磁場波形所確定。為提高電機系統(tǒng)的效率、比功率，減小轉(zhuǎn)矩波動，一般將電動機氣隙磁場波形設計為正弦波。因此在電動機本體的設計中，首先存在的問題就是電動機氣隙磁場的正弦化設計問題。
[0005]但是由于定子開槽，永磁磁極產(chǎn)生的氣隙磁場波形會發(fā)生畸變，每相繞組反電動勢由放置在槽中的、數(shù)量較少的導體切割氣隙磁場而感應產(chǎn)生的反電動勢線性相加得到，導致每相繞組反電動勢波形包含較大的諧波分量，這些諧波分量與正弦波的電樞電流相互作用會產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的較大波動。
[0006]目前，用來解決轉(zhuǎn)矩波動的措施主要有采用斜槽或斜極、分數(shù)槽法、閉口槽法和磁鋼形狀優(yōu)化法等，但是收效甚小且引起更復雜的制造工藝。目前一種新結(jié)構(gòu)的永磁同步電動機是采用軸向磁場、繞線盤式三相繞組，避免了定子開槽，從而能較大程度地減少轉(zhuǎn)矩脈動。但是所采用的繞線盤式三相繞組是由數(shù)量為幾十個的、事先用線模集中繞制好的多匝線圈按一定規(guī)律連接并用塑料固封得到，其缺點是散熱性能差、工藝復雜。由于每相繞組包含的線圈數(shù)量少、導體的幾何位置不能按需做優(yōu)化設計，導致繞線盤式三相繞組的每相繞組反電動勢包含較大的諧波分量，引起較大的轉(zhuǎn)矩脈動。
實用新型內(nèi)容
[0007]解決永磁同步電動機的轉(zhuǎn)矩脈動問題的關鍵是采用軸向磁場，同時采用無需定子開槽的、每相反電動勢的諧波分量很小的三相對稱繞組。該三相對稱繞組必須是由數(shù)量很多的、空間位置不同且容易優(yōu)化導體坐標(對導體的形狀即空間坐標進行優(yōu)化)的導體構(gòu)成。顯然現(xiàn)有的繞線盤式三相繞組不能滿足這些要求。為了解決現(xiàn)有技術不能解決的問題，本實用新型提供一種三相對稱印制繞組，以滿足上述要求。
[0008]本實用新型的三相對稱印制繞組，其由4M片的包含3N根導體的導體片重疊而成，各片之間由絕緣坯布粘結(jié)，相鄰的兩片構(gòu)成一組，每組中兩片導體片中的導體的外端頭相互均勻交叉錯開；一組中的兩片導體片中的導體的兩兩對齊的內(nèi)端頭聯(lián)通，依次兩組導體片中的分屬于不同組的導體的兩兩對齊的外端頭聯(lián)通；根據(jù)60°相帶三相繞組的規(guī)律在最上層和最下層的各6根導體斷開后獲得的6個分布式繞組，記為U+，U-, V+，V-, W+，W-,U+與U-相串聯(lián)得到U相繞組，V+與V-相串聯(lián)得到V相繞組，W+與W-相串聯(lián)得到W相繞組，三個相繞組的末端連接在一起；
[0009]N為大于等于4的正整數(shù)；
[0010]M為正整數(shù)。
[0011]作為優(yōu)選，N為21?91，M為I?3。
[0012]所述的導體片中的3N根導體，形狀相同且繞軸心均勻分布。
[0013]所述的導體片中的導體的形狀由銜接的五段構(gòu)成:從內(nèi)向外依次為直線段一漸開線或圓弧段一直線段一漸開線或圓弧段一直線段。此外，導體的形狀還可以是其它各種形狀，只要確保每組中兩片導體片中的導體的外端頭相互均勻交叉錯開即可。導體的形狀最簡單的一種就是為偏離軸心的直線段。
[0014]導體的形狀經(jīng)過按照使得反電動勢諧波分量產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動降為最小的要求進行的優(yōu)化。對導體形狀的優(yōu)化設計方法包括公知的各種成熟的最優(yōu)化設計理論:如罰函數(shù)法或復合形法。
[0015]所述的導體片中的導體材料選用為厚度為0.1mnT0.5mm的銅、鋁、銅合金或鋁合金。
[0016]上述三相對稱印制繞組的特點是:
[0017]1.每相繞組的導體數(shù)量多，例如導體片上導體數(shù)等于3N=153，即N=51，采用4層結(jié)構(gòu)，則每相繞組的導體數(shù)為3NX 4 (層)/3-12/3=4 (N-1) =200，每極每相導體數(shù)為多達5 ；
[0018]2.上述構(gòu)成每相繞組的導體的空間位置都互不相同，是真正意義上的分布式繞組；
[0019]3.由于上述2個特點，很容易通過對導體的形狀(包括對配套的電機圓柱永磁體磁極半徑、磁極分布半徑等)參數(shù)進行優(yōu)化來達到每相反電動勢諧波分量最小的目標；
[0020]4.因為導體片上的導體數(shù)為3N，所制作的三相印制繞組不論在空間上還是在電氣上都是嚴格對稱的；
[0021]5.因為多層導體片是利用絕緣坯布粘接成型，并且所有導體都是均勻分布而非集中，所以本實用新型的三相印制繞組更有利于散熱，具有更高的功率體積比。
[0022]本實用新型的三相印制繞組的每相反電動勢中引起轉(zhuǎn)矩波動的諧波分量總和可控制在0.5%(相對于基波)以內(nèi)，由此引起的轉(zhuǎn)矩波動可控制在0.65%以內(nèi)，遠遠小于其它類型繞組的3%?10%的轉(zhuǎn)矩波動。即使不進行優(yōu)化，其產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動的反電動勢諧波分量總和為3.728%，也只是其它類型繞組的轉(zhuǎn)矩波動的下限值。經(jīng)過優(yōu)化設計后，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動的反電動勢諧波分量總和降為0.4496%。
[0023]采用本實用新型三相對稱印制繞組的永磁同步電動機，由于轉(zhuǎn)矩脈動非常小，保證了電機在速度控制系統(tǒng)中的低速性能和位置控制系統(tǒng)中的高精度定位。
[0024]本實用新型制作的三相對稱印制繞組將廣泛應用于高精度、高動態(tài)性能的伺服驅(qū)動應用領域，具有很好的應用前景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1是印制繞組沖片圖。
[0026]圖2是沖片與坯布示意圖。
[0027]圖3是組片制作示意圖。
[0028]圖4是繞組連接規(guī)律示意圖。

【具體實施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。
[0030]本例的三相對稱印制繞組，由4片(4M中的M=I)包含63 (3N中的N=21)根導體的導體片重疊而成。
[0031 ] 為了詳細準確地描述產(chǎn)品，本例從產(chǎn)品制作的角度進行說明。
[0032]一、制作沖片:如圖1所示，在一張厚度0.3mm的均勻的銅合金片上，利用沖模或化學腐蝕制作沖片1001。沖片1001上均勻分布有數(shù)量為3N的沖槽1002，這些沖槽1002繞軸心均勻分布、形狀完全相同。3個小直徑的定位孔1010、1011和1012位于左下角，3個大直徑的定位孔1020、1021和1022位于右上角。沖槽1002的形狀由銜接的五段構(gòu)成:從內(nèi)向外依次為直線段一漸開線段一直線段一漸開線段一直線段。
[0033]每張沖片1001中的兩個沖槽1002之間的剩余部分稱為導體。
[0034]所謂沖片即在一張導電材料的金屬片上制作出沖槽后得到的導體片。
[0035]二、制作組片:如圖2所示，將一片沖片1001翻轉(zhuǎn)，此時的沖槽1002與圖1的沖槽1002是互為鏡像的。沖片1001的定位孔1010、1020套進夾具的定位銷后呈水平放置，在該沖片上定位并放置絕緣坯布2001。如圖3所示，再將一片圖1的沖片1001的定位孔1010、1020套進定位銷，利用夾具加壓加熱保溫，利用絕緣坯布2001的粘接作用將兩片沖片1001粘接在一起。此時兩片沖片1001的導體內(nèi)端頭3001是兩兩對齊的(由于翻轉(zhuǎn)疊放，漸開線或圓弧段的方向恰好相反，所以外端頭3002并沒有重疊對齊，而是相互均勻交叉錯開)，利用夾具或沖模將導體內(nèi)端頭3001以內(nèi)的部分去除，再將兩兩對齊的導體內(nèi)端頭(共有6N根導體1003內(nèi)外端頭)焊接起來，得到的部件稱為組片。
[0036]三、制作閉合的印制繞組:在圖3中，組片中兩片沖片由于第一片是翻轉(zhuǎn)的，所以兩片沖片的外端頭3002并沒有重疊對齊，而是相互均勻交叉錯開，組片在外端部共有6N個外端頭3002。
[0037]取兩個組片，在兩個組片之間放置絕緣坯布，通過定位孔套入定位銷使兩個組片的外端頭重疊對齊，利用夾具加壓加熱保溫，利用絕緣坯布的粘接作用將兩個組片粘接在一起。利用夾具或沖模將導體外端頭3002以外的部分去除，再將兩兩對齊的導體外端頭3002焊接起來，得到的部件稱為閉合的印制繞組。
[0038]這樣的閉合的印制繞組由4片沖片1001構(gòu)成，共有12N根導體1003通過內(nèi)外端頭的焊接串聯(lián)起來。為了弄清楚這個閉合的印制繞組中導體的連接規(guī)律，假設3N=63(N=21)，如圖4所示，從繞組最上層起編號為第I層到第4層共4層。逆時針對第I層的3N=63根導體從01到63進行編號，與第I層某編號導體相連接的其它各層導體的編號后2位與第I層導體編號相同。如圖4，不妨假設從第I層第63根導體63開始，通過外端頭與第4層的導體4463連接，然后通過內(nèi)端頭與第3層的導體4363連接，再通過外端頭與第2層的導體4263連接，最后通過內(nèi)端頭與第I層的導體25連接，接下來依次相連的導體為4425、4325、4225、50、4450、4350、4250、12、4412、4312、4212、37、4437、4337、4237、62，由此可見從第I層的第63根導體63開始，經(jīng)過2個圓周回到與之相鄰的第I層第62根導體62，不斷地重復這種規(guī)律，直到將所有的導體都串聯(lián)起來，形成一個閉合的印制繞組。
[0039]四、制作三相對稱印制繞組:根據(jù)60°相帶三相繞組的規(guī)律，一對磁極下的導體依次屬于U+, W-, V+, U-, W+, V-,共有6個相帶。把屬于U+(或U-)的導體從閉合的繞組中分離出來即可得到U+(或U-)線圈，再把U+、U-線圈串聯(lián)起來即可得到三相繞組的U相繞組。V相、W相與U相在空間上對稱分布,從閉合的繞組中分尚出來并連接的方法與U相的相同。對于本例一層導體數(shù)量為3N=63，磁極的極對數(shù)為5，則每極每相導體數(shù)為2。如圖4中，第I層的第62根導體62、第61根導體61屬于U+相帶，為了把U+的導體從閉合的繞組中分離出來，需要剪斷第I層的第63根導體63，并從與之連接的第4層導體4463的外端頭引出作為U+線圈的首端4001，圖4中屬于U+的第I層導體有25、50、15、37、62、24、49、14、36、61，其規(guī)律是按跨距為25根進行連接，最后從第I層的第61根導體61的外端頭引出作為U+線圈的末端4002，并把與之連接的第4層導體4461剪斷，至此得到了 U+線圈。運用同樣的方法，剪斷第I層導體編號為3N/3=63/3=21的導體，并從與之連接的第4層導體的外端頭引出作為V+線圈的首端，從第I層導體編號為19的外端頭引出作為V+線圈的末端，并剪斷與之連接的第4層導體，即可得到V+線圈；剪斷第I層導體編號為6N/3=42的導體，并從與之連接的第4層導體的外端頭引出作為W+線圈的首端，從第I層導體編號為40的外端頭引出作為W+線圈的末端，并剪斷與之連接的第4層導體，即可得到W+線圈。
[0040]根據(jù)相帶的順序，V+之后就是U-，V+的末端是第I層編號為19的導體，繞組跨距為25，所以剪斷第I層編號為19+25=44的導體，并從與之連接的第4層導體的外端頭引出作為U-線圈的末端，由于U-之后是W+，第I層導體編號為42的導體已被剪斷，因此從第I層編號為42-25=17的導體(同時剪斷與之相連的第4層導體)引出作為U-的首端；運用同樣的方法，剪斷第I層編號為2的導體，并從與之連接的第4層導體的外端頭引出作為V-線圈的末端，從第I層編號為38的導體(同時剪斷與之相連的第4層導體)引出作為V-的首端；剪斷第I層編號為23的導體，并從與之連接的第4層導體的外端頭引出作為W-線圈的末端，從第I層編號為59的導體(同時剪斷與之相連的第4層導體)引出作為W-的首端。
[0041]至此通過剪斷第I層和第4層共12根導體，獲得了 U+，W-，V+，U-, W+，V-共6個線圈，將U+線圈的末端和U-線圈的首端連接得到U相繞組，同法獲得V相、W相繞組，最后將U、V、W連接成星形連接，得到對稱的三相印制繞組。
【權(quán)利要求】
1.三相對稱印制繞組，其特征是:其由41片的包含3^根導體的導體片重疊而成，各片之間由絕緣坯布粘結(jié)，相鄰的兩片構(gòu)成一組，每組中兩片導體片中的導體的外端頭相互均勻交叉錯開；一組中的兩片導體片中的導體的兩兩對齊的內(nèi)端頭聯(lián)通，依次兩組導體片中的分屬于不同組的導體的兩兩對齊的外端頭聯(lián)通；根據(jù)60。相帶三相繞組的規(guī)律在最上層和最下層的各6根導體斷開后獲得的6個分布式繞組，記為肝，[-，^+, I，1+，1-，肝與口-相串聯(lián)得到I相繞組，乂+與乂-相串聯(lián)得到乂相繞組，1+與1-相串聯(lián)得到評相繞組，三個相繞組的末端連接在一起； ?為大于等于4的正整數(shù)； 1為正整數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三相對稱印制繞組，其特征是:所述的導體片中的3^根導體，形狀相同且繞軸心均勻分布。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三相對稱印制繞組，其特征是4為21?91，1為1?3。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三相對稱印制繞組，其特征是:所述的導體片中的導體的形狀由銜接的五段構(gòu)成:從內(nèi)向外依次為直線段一漸開線或圓弧段一直線段一漸開線或圓弧段一直線段。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三相對稱印制繞組，其特征是:所述的導體片中的導體的形狀為偏離軸心的直線段。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三相對稱印制繞組，其特征是:所述的導體片中的導體材料選用為厚度為0.1111111^0.5臟的銅、招、銅合金或招合金。
【文檔編號】H02K3/26GK204168030SQ201420507668
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年9月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月4日
【發(fā)明者】黃植功 申請人:廣西師范大學