CN104167892A - 三相双排集中绕组永磁电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及有永久磁体的同步电机领域，具体为一种三相双排集中绕组永磁电机。一种三相双排集中绕组永磁电机，包括电机轴(1)、辐射环(2)、电机定子铁心(3)和电机电枢绕组(4)，其特征是：辐射环(2)由10块辐射磁瓦(21)依次拼合而成，辐射环(2)为圆环型，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，导线逐匝地绕在绕组槽(31)内形成12个电机电枢绕组(4)。本发明额定输出功率高，生产过程自动化程度高，生产效率高，适用范围广。

Description

三相双排集中绕组永磁电机

技术领域

本发明涉及有永久磁体的同步电机领域，具体为一种三相双排集中绕组永磁电机。

背景技术

永磁电机属于三相同步电机门类，其转子磁场不由直流电励磁的绕组建立，而直接由高磁能积永磁材料提供，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极电机定子槽数选为18槽或36槽或27槽（q=3/2的分布绕组），对应的绕组形式是三相分布绕组。对q=2的电机而言，分布绕组的跨距为1～6。定子绕组电阻的50%以上由绕组端部连线构成，而定子绕组的I²r发热损耗约占电机总损耗的对电机温升起着决定性的影响。电机的额定输出功率由电机温升限值决定，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，本发明公开了一种三相双排集中绕组永磁电机。

本发明通过如下技术方案达到发明目的：

一种三相双排集中绕组永磁电机，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：

辐射环由块辐射磁瓦依次拼合而成，相邻的2块辐射磁瓦在同一端的磁极相异，每块辐射磁瓦其截面的圆心角都为36°，辐射环为圆环型，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12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12个绕组槽把电机定子铁心内孔的截面平均分成12段，导线逐匝地绕在绕组槽内形成12个电机电枢绕组，每个电机电枢绕组有2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～12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1端；3号电机电枢绕组的b端和9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；

4号电机电枢绕组的b端和9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；5号电机电枢绕组的b端和10号电机电枢绕组的a端依次连接；本组连接作为V相的第2端；

5号电机电枢绕组的a端和12号电机电枢绕组的b端依次连接；本组连接作为W相的第1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；

9号电机电枢绕组的b端、10号电机电枢绕组的a端和1号电机电枢绕组的b端依次连接作为星点；

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。

所述的三相双排集中绕组永磁电机，其特征是：辐射磁瓦辐射环采用具有高磁能积的铁钕硼永磁材料烧结而成，辐射磁瓦采用粘接剂粘接固化成辐射环。

所述的三相双排集中绕组永磁电机，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：

三相双排集中绕组永磁电机电枢反应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 $F\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& 0\&le;x\&le;\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}\\ -1& \frac{\mathrm{\&pi;}}{2}<x\&le;\mathrm{\&pi;}\end{array}\right.,$ 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： $a_v=\frac{2}{\mathrm{\&pi;}}{\&Integral;}_0^{\mathrm{\&pi;}}F\left(x\right)\cos \mathrm{vxdx},$ 于是可以得出： $a_1=\frac{4}{\mathrm{\&pi;}},a_5=\frac{4}{5\mathrm{\&pi;}},a_7=\frac{4}{7\mathrm{\&pi;}},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;$

三相合成后的基波磁势幅值以下式表示：

式中各参数的含义如下：

m——电机相数，

w——每项绕组串联匝数，

——基波绕组系数，

I——星接时的相电流（单位A.，有效值），

P——磁极对数，

普通三相同步电机有害的谐波磁场强度数百倍于永磁电机，所以在永磁电机上可以采用多极少槽集中绕组的设计方案。

本发明中绕组基本参数为：z=12，2p=10，m=3，则：

槽电角度α=150°，此槽电角度对于5、7次谐波有极强的削弱能力，因为5、7次的绕组系数的数值很小，如下所示：

对5次谐波，即v=5时，

对7次谐波，即v=7时，

本发明由脉冲宽度调波（即Pulse Width Modulation，简称PWM）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。

本发明中的定子采用先进的注塑工艺，环保和节能的等级得到提升，专用的注塑材料具有良好的机械强度和导热性能。

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是本发明中电机电枢绕组的接线展开示意图；

图5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

一种三相双排集中绕组永磁电机，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4所示，具体结构是：

辐射环2由10块辐射磁瓦21依次拼合而成，相邻的2块辐射磁瓦21在同一端的磁极相异，每块辐射磁瓦21其截面的圆心角都为36°，辐射环2为圆环型，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12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12个绕组槽31把电机定子铁心3内孔的截面平均分成12段，导线逐匝地绕在绕组槽31内形成12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～12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4所示，具体如下所述：

1号电机电枢绕组4的a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1端；3号电机电枢绕组4的b端和9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；

4号电机电枢绕组4的b端和9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；5号电机电枢绕组4的b端和10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2端；

5号电机电枢绕组4的a端和12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1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；

9号电机电枢绕组4的b端、10号电机电枢绕组4的a端和1号电机电枢绕组4的b端依次连接作为星点；

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，辐射磁瓦21辐射环2采用具有高磁能积的铁钕硼永磁材料烧结而成，辐射磁瓦21采用粘接剂粘接固化成辐射环2。

本实施例的工作原理如下：

三相双排集中绕组永磁电机电枢反应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 $F\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& 0\&le;x\&le;\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}\\ -1& \frac{\mathrm{\&pi;}}{2}<x\&le;\mathrm{\&pi;}\end{array}\right.,$ 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： $a_v=\frac{2}{\mathrm{\&pi;}}{\&Integral;}_0^{\mathrm{\&pi;}}F\left(x\right)\cos \mathrm{vxdx},$ 于是可以得出： $a_1=\frac{4}{\mathrm{\&pi;}},a_5=\frac{4}{5\mathrm{\&pi;}},a_7=\frac{4}{7\mathrm{\&pi;}},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;$

三相合成后的基波磁势幅值以下式表示：

式中各参数的含义如下：

m——电机相数，

w——每项绕组串联匝数，

——基波绕组系数，

I——星接时的相电流（A，有效值）

P——磁极对数，

普通三相同步电机有害的谐波磁场强度数百倍于永磁电机，所以在永磁电机上可以采用多极少槽集中绕组的设计方案。

本实施例中绕组基本参数为：z=12，2p=10，m=3，则：

槽电角度α=150°，此槽电角度对于5、7次谐波有极强的削弱能力，因为5、7次的绕组系数的数值很小，如下所示：

对5次谐波，即v=5时，

对7次谐波，即v=7时，

本实施例由脉冲宽度调制（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。

本实施例中的定子采用先进的注塑工艺，环保和节能的等级得到提升，专用的注塑材料具有良好的机械强度和导热性能。

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

一种三相双排集中绕组永磁电机，包括作为电机转子磁轭的电机转轴1、辐射环2、电机定子铁心3和电机电枢绕组4，

一种三相双排集中绕组永磁电机，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4所示，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5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

一种三相双排集中绕组永磁电机，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

一种三相双排集中绕组永磁电机，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。

Claims (3)

1.一种三相双排集中绕组永磁电机，包括电机轴(1)、辐射环(2)、电机定子铁心(3)和电机电枢绕组(4)，其特征是：

辐射环(2)由10块辐射磁瓦(21)依次拼合而成，相邻的2块辐射磁瓦(21)在同一端的磁极相异，每块辐射磁瓦(21)其截面的圆心角都为36°，辐射环(2)为圆环型，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12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12个绕组槽(31)把电机定子铁心(3)内孔的截面平均分成12段，导线逐匝地绕在绕组槽(31)内形成12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～12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)的接线方式为：

1号电机电枢绕组(4)的a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1端；3号电机电枢绕组(4)的b端和9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；

4号电机电枢绕组(4)的b端和9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；5号电机电枢绕组(4)的b端和10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2端；

5号电机电枢绕组(4)的a端和12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1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；

9号电机电枢绕组(4)的b端、10号电机电枢绕组(4)的a端和1号电机电枢绕组(4)的b端依次连接作为星点；

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(5)内，机壳(5)的两端各设一个端盖(6)，电机轴(1)的两端通过轴承设于两个端盖(6)的中心处，端盖(6)和机壳(5)之间，以及电机轴(1)和两个端盖(6)之间都予以密封。

2.如权利要求1所述的三相双排集中绕组永磁电机，其特征是：辐射磁瓦(21)辐射环(2)采用铁钕硼永磁材料烧结而成，辐射磁瓦(21)采用粘接剂粘接固化成辐射环(2)。

3.如权利要求1或2所述的三相双排集中绕组永磁电机，其特征是：还包括传感器(7)，传感器(7)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(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。