CN101588113A

CN101588113A - 一种低齿槽转距永磁无刷伺服电机的制作方法及电机

Info

Publication number: CN101588113A
Application number: CNA2009103018307A
Authority: CN
Inventors: 徐新荣; 施文美
Original assignee: HUZHOU TAIPING WEITE ELECTRIC MACHINE CO Ltd
Current assignee: HUZHOU TAIPING WEITE ELECTRIC MACHINE CO Ltd
Priority date: 2008-12-30
Filing date: 2009-04-24
Publication date: 2009-11-25

Abstract

本发明公开了一种低齿槽转距永磁无刷伺服电机的制作方法及电机。其方法是电机的转子磁极采用不对称的大、小极结构，通过对大、小极极弧的控制，降低电机的齿槽转矩。本发明由于采用大小磁极和在定子齿上设置小槽的方法，可以大大削弱齿槽转矩。由于本发明的定子仍然采用直槽，转子采用直磁极，所以在大大削弱齿槽转矩的同时，还具有易于加工、加工速度快的特点。

Description

一种低齿槽转距永磁无刷伺服电机的制作方法及电机

技术领域

本发明涉及一种永磁无刷直流伺服电动机，特别是一种低齿槽转距永磁无刷伺服电机的制作方法及电机。

背景技术

由于永磁直流无刷伺服电动机具有很好的可控制性，以及大起动转矩、最大转矩、低速直接驱动、高功率因数和高功率密度的特点，所以在自动化控制系统中具有广泛的应用。

但与感应电机相比，永磁电机固有的不足是齿槽转矩较大。齿槽转矩常常成为引起振动、噪声和提高控制精度困难的基本原因。特别是当齿槽转矩频率与定子或转子的机械共振频率一致时，齿槽转矩产生的振动和噪声将被放大。齿槽转矩的存在同样影响了电机在速度控制系统中的低速性能和在位置控制系统中的高精度定位。

目前降低齿槽转矩的方法主要有以下三种：一是在迭装定子冲片时，采用专门的工装，将每片冲片间依次均匀错开一定的角度，使定子槽倾斜设置。这种方法的主要缺点是：在迭装定子冲片时，需要专用的工装夹具和专门的工艺，增加了材料成本和人工成本；同时，由于定子采用斜槽，给下线带来了很大困难，一方面无法采用自动绕线机，从而大大降低下线速度，另一方面电机槽满率也受到限制，影响电机的输出特性。二是将转子磁钢沿轴向分成几段，每段之间错开一定的角度，可以达到和定子斜槽相似的效果。这种方法的主要缺点是：增加了磁钢的安装难度和定位精度，同样需要专门的工装设备，增加加工和装配成本。三是：通过选择合适的定子槽数和转子极对数，能使定子齿中心和转子各磁极中心相互错开。这种方法的主要缺点是：消除齿槽转矩效果不理想，同时会导致电机的电磁转矩降低较大。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种降低永磁直流无刷伺服电机齿槽转距的方法和电机。本发明既可以大大削弱齿槽转矩，又具有易于加工、加工速度快的特点。

本发明的技术方案：一种低齿槽转距永磁无刷伺服电机的制作方法，该方法是：电机的转子磁极采用不对称的大、小极结构，通过对大、小极极弧的控制，降低电机的齿槽转矩。

上述的低齿槽转距永磁无刷伺服电机的制作方法中，所述大、小极结构，是将转子磁极制成8个，其中一个是机械角度为60°的大磁极，其它7个是将机械角度300°均分成7等份的小磁极。

前述的低齿槽转距永磁无刷伺服电机的制作方法中，在定子齿的齿顶设置有小槽。

前述的低齿槽转距永磁无刷伺服电机的制作方法中，所述小槽宽度为1～2mm，深度为1～2mm。

前述的低齿槽转距永磁无刷伺服电机的制作方法中，所述小槽宽度为1.5mm，深度为1.5mm。

一种低齿槽转距永磁无刷伺服电机，包括转子和定子，转子的转子磁极的构成包括一组不对称的大、小磁极。

上述的低齿槽转距永磁无刷伺服电机中，所述磁极为8个，其中1个是机械角度等于60°的大磁极；其它7个是机械角度等于300/7°的小磁极。

前述的低齿槽转距永磁无刷伺服电机中，所述定子上设有一组定子槽，两个定子槽之间形成的定子齿上设有小槽。

前述的低齿槽转距永磁无刷伺服电机中，所述小槽的宽度为1～2mm，深度为1～2mm。

前述的低齿槽转距永磁无刷伺服电机中，所述小槽的宽度为1.5mm，深度为1.5mm。

与现有技术相比，本发明由于采用大小磁极和在定子齿上设置小槽的方法，可以大大削弱齿槽转矩。由于本发明的定子仍然采用直槽，转子仍采用直磁极，所以在大大削弱齿槽转矩的同时，还具有易于加工、加工速度快的特点。

为了比较本发明与现有技术对齿槽转矩的影响，申请人将本发明的电机与现有电机作了对比分析。

(a)、转子采用均匀磁极，定子齿不开槽；

(b)、转子采用均匀磁极，定子齿开槽；

(c)、转子采用不均匀(不对称)磁极，定子齿不开槽；

(d)、转子采用不均匀(不对称)磁极，定子齿开槽。

四种结构模型的轴向长度、定子冲片、转子铁芯、磁钢厚度等主要尺寸均相等。主要几何参数如表1所示。

表1：

尺寸名称	参数值
尺寸名称	参数值	定子冲片外径(mm)	115
定子冲片内径(mm)	61	定子冲片外径(mm)	115
定子冲片内径(mm)	61	定子冲片轭高(mm)	8
定子冲片齿宽(mm)	5	定子冲片轭高(mm)	8
定子冲片齿宽(mm)	5	气隙长度(mm)	0.95

磁钢厚度(mm)	2.7
磁钢厚度(mm)	2.7	轴径(mm)	25
轴向长度(mm)	25	轴径(mm)	25

(1)对比定子齿开槽对齿槽转矩的影响

从上述四种结构模型空载磁力线分布分析对比，可以得到结论定子齿开槽以后，由于磁导发生了变化，引起了磁力线的畸变，这种畸变可以将电机总齿槽转矩的幅值削弱。

(2)对比转子磁极对齿槽转矩的影响

从上述四种结构模型的计算结果，齿槽转矩的幅值从大到小依次对应上述a、b、c、d四种结构。如果将a模型产生的齿槽转矩定义为1，则其他三种结构模型产生的齿槽转矩计算结果如表2所示。

表2

模型序号	a	b	c	d
模型序号	a	b	c	d	齿槽转矩	1	0.81	0.11	0.056

从表2可以看出，在定子齿不开槽的情况下，转子采用不均匀磁极结构所产生的齿槽转矩比均匀磁极产生的齿槽转矩大大降低。若定子齿采取开槽措施后，可进一步降低该齿槽转矩，定子齿开槽、转子磁极不均匀模型的齿槽转矩比定子齿不开槽、转子磁极均匀模型的齿槽转矩降低将近20倍。

(3)四种不同结构对电磁转矩的影响

从上述四种结构在电机绕组通相等电流的计算结果，电磁转矩的幅值从大到小依次对应上述a、b、c、d四种结构。对比分析如表3所示。

表3：

模型序号	a	b	c	d
模型序号	a	b	c	d	最大转矩(Nm)	2.51	2.44	2.04	1.95
最小转矩(Nm)	1.63	1.70	1.95	1.89	最大转矩(Nm)	2.51	2.44	2.04	1.95
最小转矩(Nm)	1.63	1.70	1.95	1.89	平均转矩(Nm)	2.07	2.05	1.99	1.92
转矩脉动(％)	21.2	17.9	2.3	1.6	平均转矩(Nm)	2.07	2.05	1.99	1.92
转矩脉动(％)	21.2	17.9	2.3	1.6	转矩脉动降低率(％)	0	15.6	89.2	92.5
平均转矩损失率(％)	0	1.0	3.9	7.2	转矩脉动降低率(％)	0	15.6	89.2	92.5

从表3中的计算结果可以看出，本发明的定子齿开槽、转子采用大小极结构的情况下，转矩脉动比定子齿不开槽、转子采用均匀磁极的情况可以降低92.5％，转矩脉动可控制在2％以下，完全可以满足一般情况下的伺服驱动，可具有低脉动、低噪音和低振动的特点。同时，电机平均转矩损失仅7.2％，不会造成电机有效材料的较大额外消耗。另外，对电机转矩脉动降低的关键因素是转子磁极大小极极弧的控制，在对转矩脉动要求不适特别高的情况下，定子齿可不必开槽，仅转子采用大小极结构，这样电机平均转矩损失率可进一步降低。

通过以上对比，转子磁极采用不对称的大小极结构，通过对大小极极弧的控制，在定子不采用斜槽、转子不采用斜极的情况下，可大大降低电机的齿槽转矩和电磁转矩脉动。

无论电机采用何种结构，最终目的是为了得到需要的负载特性。很多情况下，通过某种措施削弱齿槽转矩的同时，往往也会较大的降低电机的功率输出特性。目前为了保证电机的输出功率，往往通过增加电机体积等方式来进行补偿。而本发明所能达到的创新效果是在不增加电机体积的情况下，既可以大大削弱齿槽转矩，又具有易于加工、加工速度快的特点。使电机在如下两个方面有突出改进：

1)可大大削弱齿槽转矩，降幅达90％以上，同时电磁转矩脉动降幅也可达90％以上，可满足普通永磁无刷直流伺服电动机的控制要求；

2)定子无需斜槽、转子无需斜极，定子铁芯迭装工艺以及转子磁钢加工及装配工艺均可节约成本一半以上。而且由于定子直槽，可采用自动绕线机下线，比人工下线可提高效率几十倍，在大批量生产中具有重要意义，会产生很大的经济效益。

本发明研制的电机可直接作为自动化门的开门/关门电机使用，具有良好的伺服特性，振动和噪声都很低。采用此技术后可以大大提高生产效率，降低材料和生产成本，具有良好的实用价值。

另外，将该技术进一步拓展，可形成系列化、批量化产品，可应用于宾馆、超级市场等场合的自动门，以及电动卷帘门、汽车座椅调整等诸多场合。在上述应用领域和控制机械行业，将形成巨大的市场潜力。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1的A向视图。

附图中的标记为：1-转子，2-定子，3-大磁极，4-小磁极，5-定子芯片，6-定子槽，7-定子齿，8-小槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的一种低齿槽转距永磁无刷伺服电机的制作方法及电机作进一步的详细说明，但并不作为对本发明做任何限制的依据。

实施例。本发明的低齿槽转距永磁无刷伺服电机的制作方法如图1所示。该方法是：电机的转子磁极采用不对称(不均匀)的大、小极结构，通过对大、小极极弧的控制，降低电机的齿槽转矩。所述的大、小极结构，是将转子磁极制成8个，其中一个是机械角度为60°的大磁极，其它7个是将机械角度300°均分成7等份的小磁极。在电机定子齿的齿顶设置有小槽。小槽宽度为1～2mm，深度为1～2mm。小槽宽度为1.5mm，深度为1.5mm更好。

对大、小极极弧的控制是转子采用大小不对称的8个磁极，其中一个磁极为大极，另外7个磁极尺寸相同，为小极。若8个磁极采用均布方案，则每个极应该对应3个齿距的圆心角即45°机械角度。本实施例中大极对应4个齿距的圆心角，即60°机械角度。

一种低齿槽转距永磁无刷伺服电机，包括转子1和定子2，转子1的转子磁极的构成包括一组不对称的大、小磁极。所述磁极为8个，其中1个是机械角度等于60°的大磁极3；其它7个是机械角度等于300/7°的小磁极4。构成定子2的定子芯片5上设有一组定子槽6，两个定子槽6之间形成的定子齿7上设有小槽8。小槽宽度为1～2mm，深度为1～2mm。小槽宽度为1.5mm，深度为1.5mm更好。

Claims

1.一种低齿槽转距永磁无刷伺服电机的制作方法，其特征在于：通过转子磁极采用不对称的大、小极结构，来降低电机的齿槽转矩。

2.根据权利要求1所述的低齿槽转距永磁无刷伺服电机的制作方法，其特征在于：所述的大、小极结构，是将转子磁极制成8个，其中一个是机械角度为60°的大磁极，其它7个是将机械角度300°均分成7等份的小磁极。

3.根据权利要求1或2所述的低齿槽转距永磁无刷伺服电机的制作方法，其特征在于：在定子齿的齿顶设置有小槽。

4.根据权利要求3所述的低齿槽转距永磁无刷伺服电机的制作方法，其特征在于：所述小槽宽度为1～2mm，深度为1～2mm。

5.根据权利要求4所述的低齿槽转距永磁无刷伺服电机的制作方法，其特征在于：所述小槽宽度为1.5mm，深度为1.5mm。

6.一种低齿槽转距永磁无刷伺服电机，包括转子(1)和定子(2)，其特征在于：转子(1)的转子磁极的构成包括一组不对称的大、小磁极。

7.根据权利要求6所述的低齿槽转距永磁无刷伺服电机，其特征在于：所述磁极为8个，其中1个是机械角度等于60°的大磁极(3)；其它7个是机械角度等于300/7°的小磁极(4)。

8.根据权利要求6所述的低齿槽转距永磁无刷伺服电机，其特征在于：所述定子(2)上设有一组定子槽(6)，两个定子槽(6)之间形成的定子齿(7)上设有小槽(8)。

9.根据权利要求8所述的低齿槽转距永磁无刷伺服电机，其特征在于：所述小槽(8)的宽度为1～2mm，深度为1～2mm。

10.根据权利要求9所述的低齿槽转距永磁无刷伺服电机，其特征在于：所述小槽(8)的宽度为1.5mm，深度为1.5mm。