CN204721185U - 一种三相对称印制绕组永磁同步电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种三相对称印制绕组永磁同步电机，包括定子、转子和推力轴承；所述定子包括前端盖、后端盖、导磁轭板、机壳，导磁轭板设置在前后端盖上；所述转子包括转盘、永磁磁极、磁极固定环、转轴，转盘设置在转轴上，永磁磁极设置在转盘的两个端面上，并用磁极固定环对永磁磁极进行加固与定位，采用推力轴承支承转子；所述定子还包括两个三相对称印制绕组，三相对称印制绕组与导磁轭板通过绝缘坯布粘接；所述推力轴承固定在定子的前端盖、后端盖上，与转子的转轴连接。本实用新型由于不存在齿槽转矩等优点可应用于高精度、高动态性能的伺服驱动电机，具有很好的应用前景。

Description

一种三相对称印制绕组永磁同步电机

技术领域

本实用新型涉及一种永磁同步电机，尤其涉及一种三相对称印制绕组永磁同步电机。

背景技术

目前，公知的有齿有槽三相永磁同步电机由于定位转矩和气隙磁密畸变等先天缺陷，会使电机转矩波动，产生振动和噪声，出现转速波动，使电机不能平稳运行，影响电机的性能。在变速驱动中，当转矩脉动频率与定子或转子的机械共振频率一致时，定位转矩产生的振动和噪声将被放大。定位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位置控制系统中的高精度定位。

有齿有槽三相永磁同步电机的定位转矩主要包括齿槽定位转矩、定转子双凸极结构产生的定位转矩等。永磁同步电机的电枢铁心为了安放定子绕组必定存在齿槽，由于齿槽的存在，引起气隙的不均匀，一个齿距内的磁通相对集中于齿部，使得气隙磁导不是常数。当采用转子双凸极结构时也会导致气隙磁导为非常数的后果。当转子旋转时，气隙磁场的贮能就发生变化，产生齿槽转矩，这个转矩是不变的，它与转子位置有关，因而随着转子位置发生变化，就引起转矩脉动。它与转子的结构尺寸、定子齿槽的结构、气隙的大小、磁极的形状和磁场分布等有关，而与绕组如何放置在槽中和各相绕组中馈入多少电流等因素无关。齿槽转矩是有齿有槽永磁电机的固有现象，它是在电枢绕组不通电的状态下，由永磁体产生的磁场同电枢铁心的齿槽作用在圆周方向产生的转矩。它的产生来自于永磁体与电枢齿之间的切向力，使永磁电动机的转子有一种沿着某一特定方向与定子对齐的趋势，试图将转子定位在某些位置，由此趋势产生的一种振荡转矩。

在永磁同步电动机中，公知的理论是：当电枢电流波形是正弦波，电动机反电动势波形也设计为正弦波形，产生的电磁转矩就是恒定的，不存在电磁转矩的任何波动。因此电动机的性能在很大程度上取决于每相反电动势波形，而电动势波形则最终由气隙磁场波形所确定。为提高电机系统的效率、比功率，减小转矩波动，一般将电动机气隙磁场波形设计为正弦波。因此在电动机本体的设计中，首先存在的问题就是电动机气隙磁场的正弦化设计问题。

但是由于定子开槽，永磁磁极产生的气隙磁场波形会发生畸变，每相绕组反电动势由放置在槽中的、数量较少的导体切割气隙磁场而感应产生的反电动势线性相加得到，导致每相绕组反电动势波形包含较大的谐波分量，这些谐波分量与正弦波的电枢电流相互作用会产生电磁转矩的较大波动。

目前，用来解决转矩波动的措施主要有采用斜槽或斜极、分数槽法、闭口槽法和磁钢形状优化法等，但是收效甚小且引起更复杂的制造工艺。目前一种新结构的永磁同步电动机是采用轴向磁场、绕线盘式三相绕组，避免了定子开槽，从而能较大程度地减少转矩脉动。但是所采用的绕线盘式三相绕组是由数量为几十个的、事先用线模集中绕制好的多匝线圈按一定规律连接并用塑料固封得到，其缺点是散热性能差、工艺复杂。由于每相绕组包含的线圈数量少、导体的几何位置不能按需做优化设计，导致绕线盘式三相绕组的每相绕组反电动势包含较大的谐波分量，引起较大的转矩脉动。

作为有刷印制绕组直流电动机，其特点是采用闭合的印制绕组制作成薄的无铁心电枢，利用电枢冲片上的导体作为换向器。因其具有轴向尺寸小、电枢转动惯量小及电枢反应小等优点被应用在一些特殊的场合。但同时由于采用机械换向的方式，带来其电枢寿命较低、机械噪声大及碳粉清理难度大等缺点。

实用新型内容

为了解决永磁同步电动机的转矩脉动、有刷印制绕组电枢寿命低、机械噪声大及碳粉清理难度大等问题，本实用新型提供一种三相对称印制绕组永磁同步电机，采用了双定子绕组结构，以三相对称印制绕组作为永磁同步电机的电枢，其特点是采用无需定子开槽的、每相反电动势的谐波分量很小的三相对称印制绕组，该三相对称印制绕组通过剪断闭合的印制绕组中的共12根导体获得，并可通过优化设计使其反电动势谐波分量最小，同时采用轴向磁场，结构上保留了印制绕组直流电机的扁平特性。本实用新型采用三相对称印制绕组的永磁同步电机结构代替原来的有刷印制绕组直流电机结构，从根本上消除机械换向的存在。由于采用双定子绕组、双轴向气隙，避免了单定子结构产生很大的单向轴向力。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种三相对称印制绕组永磁同步电机，包括定子、转子和推力轴承；

所述定子包括前端盖、后端盖、导磁轭板、机壳，导磁轭板设置在前后端盖上；

所述转子包括转盘、永磁磁极、磁极固定环、转轴，转盘设置在转轴上，永磁磁极设置在转盘的两个端面上，并以磁极固定环对永磁磁极加固与定位；

所述定子还包括两个三相对称印制绕组，三相对称印制绕组与导磁轭板通过绝缘坯布粘接；

所述推力轴承固定在定子的前端盖、后端盖上，与转子的转轴连接。

进一步地，所述导磁轭板为圆环状扁平无开槽的卷绕铁芯。

进一步地，所述导磁轭板由0.2mm-0.5mm的硅钢薄片卷绕得到。

进一步地，所述三相对称印制绕组和导磁轭板与绝缘坯布之间通过加压加热固化方式粘接。

进一步地，所述两个三相对称印制绕组为串联或并联。

由于采用了上述技术方案，本实用新型具有以下优点：

(1)由于采用了无槽的卷绕铁芯，使得气隙非常均匀，不存在齿槽转矩脉动，加上绕组本身厚度属于空气磁路获得较大的空气磁路，因此磁阻转矩极低、电枢反应很小；此外，采用优化设计使三相对称印制绕组的反电动势谐波分量极小，使电磁转矩的脉动非常小，保证了电机在速度控制系统中的低速性能和位置控制系统中的高精度定位，将广泛应用于高精度、高动态性能的伺服驱动应用领域，具有很好的应用前景。

 (2)相比有刷印制绕组电机，寿命更长，功率密度更高。由于采用永磁同步电机结构，消除了传统有刷印制绕组电机的机械换向，使得电机寿命大大提高。此外三相对称印制绕组是粘贴在定子铁芯上，与传统有刷印制绕组电机相比，绕组产生的损耗发热更容易通过定子与机壳散发到周围环境，因此电机具有更高的功率密度。

(3)采用双定子绕组双气隙结构，使前后端盖轭板与永磁体之间磁力互相抵消，避免产生单定子结构引起很大的单向轴向力。

附图说明

图1是三相对称印制绕组永磁同步电机结构示意图；

图2是本实用新型采用的永磁体转子结构图。

图中，1-前端盖，2-后端盖，3-导磁轭板，4-机壳，5-三相对称印制绕组，6-转盘，7-永磁磁极，8-磁极固定环，9-转轴，10-推力轴承，11-螺钉。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

如图1所示，一种三相对称印制绕组永磁同步电机，包括定子、转子和推力轴承；

定子包括前端盖1、后端盖2、导磁轭板3和机壳4，为了减弱涡流损耗，导磁轭板3由硅钢薄片卷绕得到，并安装在前端盖1、后端盖2上成为磁路的一部分。前端盖1、后端盖2采用铝合金加工，批量生产时利用压铸将前后端盖与导磁轭板3铸成一个整体。

转子包括转盘6、永磁磁极7、磁极固定环8和转轴9，转盘6设置在转轴9上，永磁磁极7设置在转盘6的两个端面上，并用磁极固定环8对永磁磁极7进行加固与定位，转子上的永磁磁极可产生轴向的气隙磁场。

定子还包括两个薄片状的三相对称印制绕组5，在三相对称印制绕组5薄片与导磁轭板3之间放置绝缘坯布，实现绝缘的作用，并通过加压加热固化后实现将三相对称印制绕组5薄片牢固地粘接到导磁轭板3上，必要时还可以再用环氧树脂将整个三相对称印制绕组5薄片固封起来提高粘接的可靠性。根据不同的需要，粘接在前端盖1及后端盖2的两个三相对称印制绕组5可以采用相绕组串联以增大电机的额定电压，或采用并联的方式以增大电机的额定电流。定子的机壳4材料为铝合金，批量生产采用带有散热加强筋的铝合金型材。转盘6左端面和右端面上的永磁磁极7与导磁轭板3上的三相对称印制绕组5之间均为气隙，即所谓的双气隙结构。

推力轴承10安装在定子的前端盖1、后端盖2上，与转子的转轴9连接，用于支承转轴9，使得转子可以旋转。

当三相对称印制绕组通入三相对称的电流时，就会在电动机的三相对称印制绕组中形成旋转磁场，由于在转子上安装了永磁体，永磁体的磁极是固定的，根据磁极的同性相吸异性相斥的原理，在定子中产生的旋转磁场带动转子进行旋转，最终达到转子的旋转速度与定子中产生的旋转磁极的转速相等。

图1中的三相对称印制绕组5为公开号为：CN104218711A的实用新型专利，它采用60°相带，将闭合的印制绕组通过剪断去除最上层和最下层的各6根导体，获得6个分布式绕组，记为U+，U-，V+，V-，W+，W-。将U+与U-相串联得到U相绕组，将V+与V-相串联得到V相绕组，将W+与W-相串联得到W相绕组，将三相绕组的末端连接在一起，即可得到星形连接的三相对称印制绕组5。

图2是本实用新型采用的永磁体转子的示意图，在转轴9上安装有一个能导磁的转盘6，并用螺钉11或采用其它方式来紧固。在转盘6两端面相同直径的圆上粘接有均匀分布的2P(本例P=3)个永磁磁极7，P是电机的极对数。在转盘6两端面上相同位置上的永磁磁极7的极性是相反的，此时转盘两端面上的永磁磁极7共同叠加作用获得一个磁场。如果转盘6轴向尺寸较大，也可以采用相同的极性获得两个独立而不是叠加的磁场。由于转子是高速旋转体，为了提高可靠性，利用如图2的磁极固定环8通过螺钉紧固，对永磁体起到固定的作用。磁极固定环8的材料为不导磁的铝合金或其它不导磁的金属或非金属材料如塑料、不锈钢等。

Claims (5)

1.一种三相对称印制绕组永磁同步电机，其特征在于：包括定子、转子和推力轴承；

所述定子包括前端盖、后端盖、导磁轭板和机壳，导磁轭板设置在前后端盖上；

所述转子包括转盘、永磁磁极、磁极固定环和转轴，转盘设置在转轴上，永磁磁极设置在转盘的两个端面上，并以磁极固定环对永磁磁极加固与定位；

所述定子还包括两个三相对称印制绕组，三相对称印制绕组与导磁轭板通过绝缘坯布粘接；

所述推力轴承固定在定子的前端盖、后端盖上，与转子的转轴连接。

2.根据权利要求1所述的三相对称印制绕组永磁同步电机，其特征在于：所述导磁轭板为圆环状扁平无开槽的卷绕铁芯。

3.根据权利要求1所述的三相对称印制绕组永磁同步电机，其特征在于：所述导磁轭板由0.2mm-0.5mm的硅钢薄片卷绕得到。

4.根据权利要求1所述的三相对称印制绕组永磁同步电机，其特征在于：所述三相对称印制绕组和导磁轭板与绝缘坯布之间通过加压加热固化方式粘接。

5.根据权利要求1所述的三相对称印制绕组永磁同步电机，其特征在于：所述两个三相对称印制绕组为串联或并联。