CN107529682A - 一种宽恒功率调速范围的高速电主轴用永磁同步电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种宽恒功率调速范围的高速电主轴用永磁同步电机，包括定子组件、转轴及转子铁芯，转轴转动安装于定子组件，转子铁芯固定安装于转轴，宽恒功率调速范围的高速电主轴用永磁同步电机还包括若干固定于转子铁芯的永磁体，若干永磁体的数量为偶数个，每2n个永磁体形成一磁极，2n个永磁体之间存在由转子铁芯形成的磁桥使每一磁极形成分段结构，2n个永磁体排列成∧形，增加永磁体的磁通面积来增加电机的ψf，又保证交轴磁路宽度，提高Lq；同时，∧形的设计解决了传统内置永磁电机对转子铁芯空间的要求，使得转子铁芯内孔得以放大，以满足电主轴轴心安放拉刀机构的需求。

Description

一种宽恒功率调速范围的高速电主轴用永磁同步电机

技术领域

本发明涉及电机，尤其是涉及一种宽恒功率调速范围的高速电主轴用永磁同步电机。

背景技术

电主轴正在朝宽恒功率调速范围的方向发展，以满足客户在低转速大转矩粗加工，高转速高恒功率精密加工的需求。目前电主轴所采用的内装式异步电机依然占据主流，但异步电机固有存在的以下特性制约着其向更高的阶层发展：1.低速时转子发热严重，由此产生的转轴热伸长将直接影响机床的加工精度；2.转子参数随温度而变化，易产生控制误差，影响电机的控制精度；3.功率因素和效率低，要求配置较大的逆变器容量；4.功率(转矩)密度低，电机体积大；5.响应时间慢，加减速时间长，影响机床加工效率。针对以上问题，亟需一种新结构的电机来解决。永磁同步电机具有结构简单、损耗小、功率因素高、效率高、响应速度快等一系列优点，可完美解决上述感应电机的不足。

但是，现有的永磁同步电机具存在以下缺陷：

永磁同步电机的磁场由永磁体产生的而无法调节，永磁同步电机具有反电势基本上和转速成正比的特性，当U＝U_lim时，由于逆变器容量的限制，电机绕组不能再输入电流。要想继续升高转速，只有靠调节i_d和i_q来实现，通过增加电机i_d分量和减小i_q分量，以维持电压平衡关系。但是电机能够承受的电流是有极限的，增加去磁电流分量而同时保证电枢电流不超过电流极限值，转矩电流就相应减小，因而无法在高速时维持恒功率运行。永磁同步电机的这一缺陷严重限制了它的进一步应用。因此，如何扩展永磁同步电机的恒功率运行范围，已经成为永磁同步电机的一个重要课题。另外，永磁同步电机的转矩波动会引起电主轴的振动和噪声，进而影响机床的加工质量，对于要求工作在高速、高精密状态下的电主轴需要极力抑制其转矩波动。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种宽恒功率调速范围的高速电主轴用永磁同步电机。

本发明的目的采用以下技术方案实现：

一种宽恒功率调速范围的高速电主轴用永磁同步电机，包括定子组件、转轴及转子铁芯，所述转轴转动安装于所述定子组件，所述转子铁芯固定安装于所述转轴，所述宽恒功率调速范围的高速电主轴用永磁同步电机还包括若干固定于所述转子铁芯的永磁体，所述若干永磁体的数量为偶数个，每2n个所述永磁体形成一磁极，所述2n个永磁体之间存在由所述转子铁芯形成的磁桥使每一所述磁极形成分段结构，所述2n个永磁体排列成∧形。

进一步地，每一所述磁极对应的2n个永磁体具有一极弧，所述极弧的圆心与所述定子组件的内圆圆心不重合，使所述极弧与所述定子组件的内圆存在气隙，所述气隙沿极弧中心线两侧至所述极弧末端逐渐增大。

进一步地，所述极弧的圆心与所述定子组件的内圆圆心距离为3mm-8mm。

进一步地，相邻两极弧之间由圆弧连接，所述圆弧的圆心与所述定子组件的内圆圆心重合。

进一步地，每一所述磁极由两所述永磁体组成，所述两永磁体之间的距离为所述磁桥的宽度，所述磁桥宽度为0.5mm至所述永磁体宽度的三分之一。

进一步地，每一所述永磁体靠近所述极弧中心线一端与所述转轴边缘的距离即为所述磁桥的高度，所述磁桥高度为1-3mm。

进一步地，所述两磁极之间的磁桥宽度为1.5mm-3mm，所述磁桥高度为1.8mm-2.5mm。

进一步地，所述转子铁芯设有安装孔，每一所述永磁体通过胶水固定安装于所述安装孔。

进一步地，所述胶水为高强度双组分环氧粘接胶水。

进一步地，所述永磁体与所述安装孔的空隙处采用环氧树脂真空灌封。

相比现有技术，本发明宽恒功率调速范围的高速电主轴用永磁同步电机具有以下有益效果：

(1)每2n个永磁体形成一磁极，2n个永磁体之间存在由转子铁芯形成的磁桥使每一磁极形成分段结构，2n个永磁体排列成∧形，增加永磁体的磁通面积来增加电机的ψf，又保证交轴磁路宽度，提高Lq；同时，∧形的设计解决了传统内置永磁电机对转子铁芯空间的要求，使得转子铁芯内孔得以放大，以满足电主轴轴心安放拉刀机构的需求；

(2)通过不均匀气隙的设计改善了气隙磁场的波形，使得永磁体在气隙中形成的磁场近似为正弦性，大大削弱了各种谐波磁场，降低了电动机的电磁噪声，降低了由谐波磁场引起的铁耗，降低了电动机的温升，保证了电动机的高性能。

(3)在永磁体与永磁体安装孔的空隙处运用真空灌封工艺浇铸环氧树脂以进一步固定永磁体，防止永磁体在高速运行时出现蠕动而导致粘接失效并传导永磁体产生的热量以及消除转子高速旋转引起气体啸叫。

附图说明

图1为本发明宽恒功率调速范围的高速电主轴用永磁同步电机的一结构示意图；

图2为本发明宽恒功率调速范围的高速电主轴用永磁同步电机的另一结构示意图；

图3为矩形波的气隙磁场示意图；

图4为梯形波的气隙磁场示意图。

图中：100、宽恒功率调速范围的高速电主轴用永磁同步电机；1、转轴；2、转子铁芯；3、永磁体；4、安装孔；5、环氧树脂；6、定子组件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1至图2，一种宽恒功率调速范围的高速电主轴用永磁同步电机100包括转轴1、转子铁芯2、若干永磁体3及定子组件6。转子铁芯2上设有若干安装孔4，安装孔4的数量与永磁体3的数量相同为2P×2n个，其中P为电机的极对数，n为自然数。若干安装孔4沿转子铁芯2的周向方向排列。转子铁芯2固定于转轴1。永磁体3的截面呈矩形。每个平行充磁的矩形截面的永磁体3对应嵌于转子铁芯2所开设的每一个安装孔4内，并采用高强度双组分环氧粘接胶水与转子铁芯2粘接固定，同时在永磁体3与安装孔4的空隙处运用真空灌封工艺浇铸环氧树脂5以进一步固定永磁体3，防止永磁体3在高速运行时出现蠕动而导致粘接失效并传导永磁体3产生的热量以及消除转子高速旋转引起气体啸叫；转子的每个磁极由2n块永磁体3排列成∧形的磁极形式，∧形磁极间采用磁桥1隔离，使每磁极形成分段结构；转子的每个磁极均匀分布在转子铁芯的圆周上，∧形磁极的两排永磁体3之间所形成的夹角的顶点背向对准转子铁芯2的中心。

请继续参阅图2，每对永磁体3对应的极弧半径做成小于定子组件6的内圆半径，而且两圆弧的圆心O，O'不重合，从而使极弧中心处具有最小气隙δ_min，沿极弧中心线两侧方向气隙逐渐增大至δ_max，相邻极弧之间的圆弧圆心和定子内圆圆心重合。

其中：

D_i1—定子组件6内径；

D₂—转子铁芯2内径；

δ_max—最大气隙；

δ_min——最小气隙；

O——定子组件6圆心；

O′——偏心圆圆心；

t——偏心距；

θ_e——磁极半跨距角；

b1——磁桥1宽；

b2——磁桥1高；

b3——磁桥2宽；

b4——磁桥2高。

在本实施例中，永磁体3的数量为8，磁极数量为4。转子整体形成了4极的结构；所述定子组件6类同于普通三相异步电机，采用了36槽的形式，绕组形式为双层短距叠绕设计；所述电机整体形成4极36槽的整数槽形式。

请继续参阅图3及图4，永磁同步电机工作时原理如下：

第一:永磁同步电机实现弱磁控制的原理。

永磁同步电机的电压方程式如下：

式中:U——极限电压；

ω——电角速度；

Lq——交轴电感；

Iq——电流交轴分量；

Ld——直轴电感；

Id——为电流直轴分量；

Ψf——永磁磁链。

当永磁同步电机弱磁运行时，在端电压达到极限值、电流达到极限值的情况下，它可以运行到任意高速的的条件是：ψf＝Ld*i_lim[2]式中:i_lim——电流极限值。

实际上，由于永磁同步电机直轴磁路上存在磁阻较大的永磁体，使得电机的直轴电感不能做大，因此[2]式的关系难以达成。对于实际的永磁同步电机，通常ψf>>Ld*i_lim，由此可以看出，提高永磁同步电机的最高转速可采取的主要方法有：减小磁链ψf；增大i_lim；增大Ld；提高电机极限电压u；采用前四种方法的组合；

而提高电机的极限电压和极限电流势必会增加***中逆变器的容量，从而提高***的制造成本。因此采用某种方式来减小永磁磁链ψf并增大直轴电感Ld，使之满足或接近式[2]所示的关系，是比较理想的永磁同步电机“弱磁”扩速措施。

第二：反电势正弦性的要求来源和齿槽转矩抑制的原理。

调速永磁同步电机都采用变频器供电，而现代变频器几乎全部采用SPWM(正弦波脉宽调制)的电压输出波形，它是利用标准正弦波与三角波经调制而成，SPWM输出电压波形中的低次谐波之和为零，即SPWM的输出电压是一个标准的正弦波。如果能够保证电机在变速过程中，其反电势始终与SPWM保持良好的贴近度(其谐波含量之和相对基波的畸变率控制在5％以内)，即可保证电枢电流的正弦比，这就解决了永磁同步电机的转矩脉动问题。

从电磁感应定律可知，要使电机反电势波形正弦，其实就是如何使产生反电势的磁场波形正弦的问题。对于永磁同步电机，主要可归纳为转子永磁体结构形式的选择；主磁极极弧系数的选择；不均匀气隙等几个方面。

2.1永磁同步电机转子永磁体结构形式选择：

永磁同步电机的磁极形式多种多样，按永磁体激励的方向分为经向结构和切向结构，按安装形式分为表贴式和内置式，

本实施方案选择径向内置式的结构形式，该结构的永磁体3嵌于转子铁芯2内部，转子铁芯2天然对永磁体3进行了高速运转的离心保护，使电机实现高速成为可能；同时该结构应用在磁极数较少的场合，能够提供较高的磁通面积，从而提高了磁场的储能，电机功率密度得到提升；另外，径向内置式一般会造成电机的Lq＞Ld，根据[1]式的理论，当电机运行在基速以下时，控制电枢绕组中电流的相位，使磁桥中磁通的方向与其相邻永磁体中磁通的方向相同，这样也可以增加ψf，从而达到提升转矩的作用，也即发挥内置永磁电机的磁阻转矩。

2.2永磁同步电机主磁极极弧系数的选择：

根据电机学理论，图3所示矩形波磁场分布用Fourier级数分解成各次谐波的数学表达式为：

式中：

B_m——气隙磁密幅值；

k——奇数；

通过选择适当的极弧系数来消除某次谐波对反电势波形的影响，是永磁同步电机的一大优点。通过调整漏磁的大小和选择合适的极弧系数，使气隙磁场波形呈图3所示的准梯形波分布时，则用Fourier级数分解成空间各次谐波的数学表达式变为：

式中：α----主磁极极距短距角的一半，α≠0；

通过比较[3]和[4]发现，[4]是[3]的倍，也就是说基波仅仅削弱了倍，在时其近似为1，而对各次谐波却减小为[3]式的1/k倍，并且完全可以通过令kα＝π来消除某一特定的谐波。

从电机理论可知，能被3整除的奇次谐波可以通过三相对称绕组的联结消除，在电机的设计中最关心的是5次和7次谐波的治理，因此，理想的选择是：α＝π/5～π/7[5]

针对永磁同步电机，与α对应的还可以有另外的一种表达形式：式中：

b_i—主磁极极弧宽度；

τ—极距，

α_i—计算极弧系数；

D_i1—定子内径；

P—电机极对数；

由[5]可知：

2.3不均匀气隙

永磁同步电机反电势正弦化的实现方法还有斜槽或斜极，内置式一般多选择斜槽的方式，但是斜槽增加了制造工艺的难度，同时会引起输出转矩的下降，本实施方案采用不均匀气隙，通过改变气隙的磁导使图3中的矩形波气隙磁场趋向于正弦化。

基于以上理论分析，为获得适用于高速高精密电主轴工况需求的宽恒功率调速范围的永磁同步电机，本实施方案把常规的每磁极由一整块永磁体3构成的方式进行了改变，整体永磁体3分割成2n块永磁体3，永磁体3之间设有可导磁的磁桥，其宽度为b1，(b1＝0.5mm～L/3mm之间，其中L为每块矩形截面永磁体3的宽度)。磁桥具有两个作用，一是提高转子的结构强度，二是调整从磁桥通过的磁通，进而调整电机的弱磁控制范围；此处n并非越大越好，如本例中当n＞3时，弱磁宽度增幅趋缓，而电机输出扭矩却迅速衰减。

本实施方案把每极永磁体排成∧形，通过增加永磁体3的磁通面积来增加电机的ψf，又保证交轴磁路宽度，提高Lq；同时，∧形的设计解决了传统内置永磁电机对转子铁芯2空间的要求，使得转子铁芯2内孔D2得以放大，以满足电主轴轴心安放拉刀机构的需求，此处尺寸b2的设计十分关键，对电机性能的影响十分显著，本案中b2＝1mm～3mm之间；

本实施方案通过控制主磁极极弧宽度b_i消除气隙磁场的5次和7次谐波，使得反电势趋于正弦化。在实施中，θ_e与b_i有严格的对应关系，本案通过控制θ_e的张角来实现b_i的优选，θ_e＝30°～40°；

本实施方案通过不均匀气隙的设计改善了气隙磁场的波形，使得永磁体在气隙中形成的磁场近似为正弦性，大大削弱了各种谐波磁场，降低了电动机的电磁噪声，降低了由谐波磁场引起的铁耗，降低了电动机的温升，保证了电动机的高性能。根据上图2各量之间的几何关系，可以得出气隙磁场正弦分布时的偏心距t的数学表达式[9]：

现代电机设计针对t的取值多通过电磁场有限元精确计算而得出，本案中t＝3mm～8mm之间；b3的取值主要从考虑转子结构强度的角度出发，本案中b3＝1.5mm～3mm之间；b4的取值十分讲究，其既关系到电机的电磁性能，又关系到电机的机械强度，本案中b4＝1.8mm～2.5mm之间；上述尺寸的控制范围均受转子铁芯内孔D2和的限制，本案中D2＝36，之间。

本发明采用上述设计，带来如下有益效果：

1.本发明将永磁同步电机应用与电主轴上，替代了传统电主轴采用异步电机作为驱动源的方案，解决了电主轴采用异步电机低速时转子发热严重，由此产生的转轴热伸长将直接影响机床的加工精度；转子参数随温度而变化，易产生控制误差，影响电机的控制精度；功率因素和效率低，要求配置较大的逆变器容量；功率(转矩)密度低，电机体积大；响应时间慢，加减速时间长，影响机床加工效率等一系列问题；

2.本发明创造性的采用∧形的磁极布置形式，既保证了永磁体3可提供足够的磁通面积，又满足了电主轴用电机转子需要较大孔径安放拉刀机构的需求；

3.本发明依据理论分析，结合电磁场有限元分析确定了最优的主磁极极弧宽度和偏心距，使电机的反电势趋于正弦化，从而抑制了电机的转矩波动，保证了电主轴的加工精度。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种宽恒功率调速范围的高速电主轴用永磁同步电机，包括定子组件、转轴及转子铁芯，所述转轴转动安装于所述定子组件，所述转子铁芯固定安装于所述转轴，其特征在于：所述宽恒功率调速范围的高速电主轴用永磁同步电机还包括若干固定于所述转子铁芯的永磁体，所述若干永磁体的数量为偶数个，每2n个所述永磁体形成一磁极，所述2n个永磁体之间存在由所述转子铁芯形成的磁桥使每一所述磁极形成分段结构，所述2n个永磁体排列成∧形。

2.根据权利要求1所述的宽恒功率调速范围的高速电主轴用永磁同步电机，其特征在于：每一所述磁极对应的2n个永磁体具有一极弧，所述极弧的圆心与所述定子组件的内圆圆心不重合，使所述极弧与所述定子组件的内圆存在气隙，所述气隙沿极弧中心线两侧至所述极弧末端逐渐增大。

3.根据权利要求2所述的宽恒功率调速范围的高速电主轴用永磁同步电机，其特征在于：所述极弧的圆心与所述定子组件的内圆圆心距离为3mm-8mm。

4.根据权利要求2所述的宽恒功率调速范围的高速电主轴用永磁同步电机，其特征在于：相邻两极弧之间由圆弧连接，所述圆弧的圆心与所述定子组件的内圆圆心重合。

5.根据权利要求2所述的宽恒功率调速范围的高速电主轴用永磁同步电机，其特征在于：每一所述磁极由两所述永磁体组成，所述两永磁体之间的距离为所述磁桥的宽度，所述磁桥宽度为0.5mm至所述永磁体宽度的三分之一。

6.根据权利要求5所述的宽恒功率调速范围的高速电主轴用永磁同步电机，其特征在于：每一所述永磁体靠近所述极弧中心线一端与所述转轴边缘的距离即为所述磁桥的高度，所述磁桥高度为1-3mm。

7.根据权利要求5所述的宽恒功率调速范围的高速电主轴用永磁同步电机，其特征在于：所述两磁极之间的磁桥宽度为1.5mm-3mm，所述磁桥高度为1.8mm-2.5mm。

8.根据权利要求1所述的宽恒功率调速范围的高速电主轴用永磁同步电机，其特征在于：所述转子铁芯设有安装孔，每一所述永磁体通过胶水固定安装于所述安装孔。

9.根据权利要求8所述的宽恒功率调速范围的高速电主轴用永磁同步电机，其特征在于：所述胶水为高强度双组分环氧粘接胶水。

10.根据权利要求9所述的宽恒功率调速范围的高速电主轴用永磁同步电机，其特征在于：所述永磁体与所述安装孔的空隙处采用环氧树脂真空灌封。