集中绕组永磁电机
技术领域
本发明涉及有永久磁体的同步电机领域,具体为一种集中绕组永磁电机。
背景技术
永磁电机是一种三相同步电机,包括定子、用永久磁钢制成的转子等部件,永磁电机无电励磁绕组,具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高、功率因数高等优点,主要用于要求响应快速、调速范围宽、定位准确的高性能伺服传动***中。永磁电机设计沿用常规三相同步电机的设计方法,采用每极每相槽数q为整数的多槽分布绕组设计,以减少电枢反应磁场中的谐波磁场在转子磁极表面产生的附加涡流损耗和磁滞损耗。例如:6极电机定子槽数选定为18槽或36槽或27槽(q取分布绕组的3/2)。采用分布绕组设计的永磁电机绕组跨距多为1~5,定子绕组电阻值的50%~80%由绕组端部连线引起,永磁电机总损耗的大约2/3为绕组电阻发热损耗。电机内部损耗值决定了电机温升,也就限制了电机的额定输出功率。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷,提供一种额定输出功率高,生产过程自动化程度高,生产效率高的电机,本发明公开了一种集中绕组永磁电机。
本发明通过如下技术方案达到发明目的:
一种集中绕组永磁电机,包括作为电机转子磁轭的电机轴、辐射环、电机定子铁心和电机电枢绕组,其特征是:
辐射环箍在电机轴外,电机定子铁心套在辐射环外,电机定子铁心和辐射环之间留有间隙,电机轴、辐射环和电机定子铁心这三者的中心轴线重合,电机定子铁心的内侧壁上开有和电机定子铁心中心轴线平行的绕组槽,绕组槽的数量为9个,绕组槽沿着电机定子铁心内孔截面的圆周方向平均分布,即9个绕组槽把电机定子铁心内孔的截面平均分成9段,导线逐匝地绕在绕组槽内形成9个电机电枢绕组,每个电机电枢绕组有个接线端,各绕组槽内电机电枢绕组的绕向都相同,任选一个电机电枢绕组设为1号,按给定的编号方向将各个电机电枢绕组依次设为1号~9号,编号方向为顺时针方向或逆时针方向,每个绕组槽内的一个电机电枢绕组都有电流流入端a端和电流流出b端,各个电机电枢绕组的接线方式为:
1号电机电枢绕组的a端、4号电机电枢绕组的a端和7号电机电枢绕组的a端依次连接;本组连接作为U相的第1端;2号电机电枢绕组的b端、5号电机电枢绕组的b端和8号电机电枢绕组的b端依次连接;本组连接作为U相的第2端;
2号电机电枢绕组的a端、5号电机电枢绕组的a端和8号电机电枢绕组的a端依次连接;本组连接作为V相的第1端;3号电机电枢绕组的b端、4号电机电枢绕组的b端和6号电机电枢绕组的b端依次连接;本组连接作为V相的第2端;
3号电机电枢绕组的a端、6号电机电枢绕组的a端和9号电机电枢绕组的a端依次连接;本组连接作为W相的第1端;4号电机电枢绕组的b端、7号电机电枢绕组的b端和1号电机电枢绕组的b端依次连接;本组连接作为W相的第2端;
2号电机电枢绕组的b端、5号电机电枢绕组的b端、8号电机电枢绕组的b端、3号电机电枢绕组的b端、4号电机电枢绕组的b端、6号电机电枢绕组的b端、4号电机电枢绕组的b端、7号电机电枢绕组的b端和1号电机电枢绕组的b端依次连接作为星点;
1号电机电枢绕组的a端、2号电机电枢绕组的a端、3号电机电枢绕组的a端作为接线端子;
相邻的电机电枢绕组之间衬有缘层;
电机轴、辐射环,电机定子铁心和电机电枢绕组都设于机壳内,机壳的两端各设一个端盖,电机轴的两端通过轴承设于两个端盖的中心处,端盖和机壳之间,以及电机轴和两个端盖之间都予以密封。
所述的集中绕组永磁电机,其特征是:辐射环采用具有高磁能积的铁钕硼永磁材料烧结而成。
所述的集中绕组永磁电机,其特征是:还包括传感器,传感器选用增量式编码器、绝对值型编码器和旋转变压器中的任意一种,传感器设于机壳内,传感器的转轴和电机轴以中心轴线重合的方式固定连接,传感器的外侧用外盖板盖住。
本发明的工作原理如下:
永磁电机同属于三相同步电机类,但是集中绕组不能应用于普通的三相同步电机上,这是因为集中绕组电枢反应磁势波形含有丰富的谐波磁势,这些谐波磁势除了偶数次、三次和三的整数倍数次不存在以外,其余谐波如:5、7、11、13、17、19、23、25、29、31、35、37等次数的谐波均存在于电机的气隙中。
设:电枢反应磁势 且可用傅里叶级数表示为:则以上各次谐波对应磁势分量幅值可用下式表示: 于是可以得出: ……电机气隙中各次谐波磁通密度与电机气隙密度的倒数成正比,即式中μ0为空气磁导率(高斯制中μ0=1),δ为电机气隙值。
基波与转子同步旋转,在转子上不会产生任何损耗,其他谐波均会在转子表面上产生损耗,损耗的数值大小与气隙值平方的倒数成正比,本发明中的辐射环采用高磁能积永磁材料的制成,其回复磁导率μd=1.05,只比空气的磁导率高5%,在工程上,可以作为气隙近似计算。电枢反应磁场对应磁通密度计算时,必须计及永磁材料的厚度,本发明中的此项计算采用的气隙值是对应的普通三相同步电机气隙值得15倍,而转子表面的发热损耗是对应的普通三相同步电机的此外,本发明中的辐射环所采用的高磁能积永磁材料的电阻率是普通钢材的15倍,在同样谐波磁通密之下的损耗也只有普通三相同步电机的因而,集中绕组在永磁电机上的使用,其谐波磁场在转子表面和在永磁材料实体内引起的损耗在工程允许范围之内,不会影响永磁电机的正常使用。
本发明中,电机电枢绕组电阻值是分布绕组电机的甚至更低,因而影响电机温升的主要损耗是电机电枢绕组4的I2r,损耗降低至分布绕组电机的一半甚至更少,因此在相同温升限制的条件下,输出功率得到显著提高。
本发明由脉冲宽度调制(即Pulse Width Modulation,简称PWM)波驱动器供电,电机定子须有良好的接地螺钉,以提高电机安全运行的等级。
本发明中的辐射环采用的高磁能积永磁材料在专用充磁工具的配合下完成3对磁极的整体充磁操作。
本发明采用先进的注塑工艺,环境保护和节约能源的等级得到提升。
本发明中的电机电枢绕组采用高效率自动绕线机作业,提高了劳动生产率,降低了制造材料成本。
本发明中机壳和端盖之间设有O形密封圈和骨架径向密封圈,防护等级为IP65、IP67或IP68,满足了有冷却液喷射环境下的数控机床的使用要求,扩大了应用范围。
本发明还可根据不同需求安装各种不同的反馈元件。如:增量式编码器、绝对值型编码器、旋转变压器等。
本发明的有益效果是:额定输出功率高,生产过程自动化程度高,生产效率高,适用范围广。
附图说明
图1是本发明的截面示意图;
图2是本发明的主视方向的半剖视图;
图3是本发明的左视图;
图4是本发明的右视图;
图5是本发明中电机电枢绕组的接线展开示意图;
图6是带有传感器的本发明的主视方向的半剖视图。
具体实施方式
以下通过具体实施例进一步说明本发明。
实施例1
一种集中绕组永磁电机,包括作为电机转子磁轭的电机轴1、辐射环2、电机定子铁心3和电机电枢绕组4,如图1~图5所示,具体结构是:
辐射环2箍在电机轴1外,电机定子铁心3套在辐射环2外,电机定子铁心3和辐射环2之间留有间隙,电机轴1、辐射环2和电机定子铁心3这三者的中心轴线重合,电机定子铁心3的内侧壁上开有和电机定子铁心3中心轴线平行的绕组槽31,绕组槽31的数量为9个,绕组槽31沿着电机定子铁心3内孔截面的圆周方向平均分布,即9个绕组槽31把电机定子铁心3内孔的截面平均分成9段,导线逐匝地绕在绕组槽31内形成9个电机电枢绕组4,每个电机电枢绕组4有2个接线端,各绕组槽31内电机电枢绕组4的绕向都相同,任选一个电机电枢绕组4设为1号,按给定的编号方向将各个电机电枢绕组4依次设为1号~9号,编号方向为顺时针方向或逆时针方向,每个绕组槽31内的一个电机电枢绕组4都有电流流入端a端和电流流出b端,各个电机电枢绕组4的接线方式如图5所示,具体如下所述:
1号电机电枢绕组4的a端、4号电机电枢绕组4的a端和7号电机电枢绕组4的a端依次连接;本组连接作为U相的第1端;2号电机电枢绕组4的b端、5号电机电枢绕组4的b端和8号电机电枢绕组4的b端依次连接;本组连接作为U相的第2端;
2号电机电枢绕组4的a端、5号电机电枢绕组4的a端和8号电机电枢绕组4的a端依次连接;本组连接作为V相的第1端;3号电机电枢绕组4的b端、4号电机电枢绕组4的b端和6号电机电枢绕组4的b端依次连接;本组连接作为V相的第2端;
3号电机电枢绕组4的a端、6号电机电枢绕组4的a端和9号电机电枢绕组4的a端依次连接;本组连接作为W相的第1端;4号电机电枢绕组4的b端、7号电机电枢绕组4的b端和1号电机电枢绕组4的b端依次连接;本组连接作为W相的第2端;
2号电机电枢绕组4的b端、5号电机电枢绕组4的b端、8号电机电枢绕组4的b端、3号电机电枢绕组4的b端、4号电机电枢绕组4的b端、6号电机电枢绕组4的b端、4号电机电枢绕组4的b端、7号电机电枢绕组4的b端和1号电机电枢绕组4的b端依次连接作为星点;
1号电机电枢绕组4的a端、2号电机电枢绕组4的a端、3号电机电枢绕组4的a端作为接线端子;
相邻的电机电枢绕组4之间衬有缘层,
电机轴1、辐射环2,电机定子铁心3和电机电枢绕组4都设于机壳内,机壳的两端各设一个端盖,电机轴1的两端通过轴承设于两个端盖的中心处,端盖和机壳之间,以及电机轴1和两个端盖之间都予以密封。
本实施例中,辐射环2采用高磁能积铁钕硼永磁材料烧结而成。
本实施例的工作原理如下:
永磁电机同属于三相同步电机类,但是集中绕组不能应用于普通的三相同步电机上,这是因为集中绕组电枢反应磁势波形含有丰富的谐波磁势,这些谐波磁势除了偶数次、三次和三的整数倍数次不存在以外,其余谐波如:5、7、11、13、17、19、23、25、29、31、35、37等次数的谐波均存在于电机的气隙中。
设:电枢反应磁势 且可用傅里叶级数表示为:则以上各次谐波对应磁势分量幅值可用下式表示: 于是可以得出: ……电机气隙中各次谐波磁通密度与电机气隙密度的倒数成正比,即式中μ0为空气磁导率(高斯制中μ0=1),δ为电机气隙值。
基波与转子同步旋转,在转子上不会产生任何损耗,其他谐波均会在转子表面上产生损耗,损耗的数值大小与气隙值平方的倒数成正比,本实施例中的辐射环2采用高磁能积永磁材料的制成,其回复磁导率μd=1.05,只比空气的磁导率高5%,在工程上,可以作为气隙近似计算。电枢反应磁场对应磁通密度计算时,必须计及永磁材料的厚度,本实施例中的此项计算采用的气隙值是对应的普通三相同步电机气隙值得15倍,而转子表面的发热损耗是对应的普通三相同步电机的此外,本实施例中的辐射环2所采用的高磁能积永磁材料的电阻率是普通钢材的15倍,在同样谐波磁通密之下的损耗也只有普通三相同步电机的因而,集中绕组在永磁电机上的使用,其谐波磁场在转子表面和在永磁材料实体内引起的损耗在工程允许范围之内,不会影响永磁电机的正常使用。
本实施例中,电机电枢绕组4电阻值是分布绕组电机的甚至更低,因而影响电机温升的主要损耗是电机电枢绕组4的I2r,损耗降低至分布绕组电机的一半甚至更少,因此在相同温升限制的条件下,输出功率得到显著提高。
本实施例中的辐射环2采用的高磁能积永磁材料在专用充磁工具的配合下完成3对磁极的整体充磁操作。
本实施例采用先进的注塑工艺,环境保护和节约能源的等级得到提升。
本实施例中的电机电枢绕组4采用高效率自动绕线机作业,提高了劳动生产率,降低了制造材料成本。
本实施例中机壳和端盖之间设有O形密封圈和骨架径向密封圈,防护等级为IP65、IP67或IP68,满足了有冷却液喷射环境下的数控机床的使用要求,扩大了应用范围。
实施例2
一种集中绕组永磁电机,包括作为电机转子磁轭的电机轴1、辐射环2、电机定子铁心3和电机电枢绕组4,还包括传感器7,本实施例中传感器7选用增量式编码器,如图6所示,传感器7设于机壳5内,传感器7的转轴和电机轴1以中心轴线重合的方式固定连接,传感器7的外侧用外盖板71盖住。其他结构都和实施例1同。
本实施例使用时,当电机运转时,可通过作为传感器7的增量式编码器的信号线输出的信号获知电机的一些运转参数。其他使用方法都和实施例1同。
实施例3
一种集中绕组永磁电机,包括作为电机转子磁轭的电机轴1、辐射环2、电机定子铁心3和电机电枢绕组4,还包括传感器7,本实施例中传感器7选用绝对值型编码器,传感器7设于机壳5内,传感器7的转轴和电机轴1以中心轴线重合的方式固定连接,传感器7的外侧用外盖板71盖住。其他结构都和实施例1同。
本实施例使用时,当电机运转时,可通过作为传感器7的增量式编码器的信号线输出的信号获知电机的一些运转参数。其他使用方法都和实施例1同。
实施例4
一种集中绕组永磁电机,包括作为电机转子磁轭的电机轴1、辐射环2、电机定子铁心3和电机电枢绕组4,还包括传感器7,本实施例中传感器7选用旋转变压器,传感器7设于机壳5内,传感器7的转轴和电机轴1以中心轴线重合的方式固定连接,传感器7的外侧用外盖板71盖住。其他结构都和实施例1同。
本实施例使用时,当电机运转时,可通过作为传感器7的增量式编码器的信号线输出的信号获知电机的一些运转参数。其他使用方法都和实施例1同。