CN109412301A - 一种低惯量内置Flat型永磁伺服电机 - Google Patents

一种低惯量内置Flat型永磁伺服电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低惯量内置Flat型永磁伺服电机，所述电机的转子铁芯沿转子铁芯断面圆周方向均匀设置若干孔槽，各孔槽内均设置一个永磁体；所述转子侧永磁体是由底面、两个侧面、两个端面和表面构成的多棱柱。所述转子侧永磁体的表面是由两个或两个以上左右对称的平面构成的折曲面，折曲面全部的折边以及表面与两侧面的共同边在转子侧永磁体的横断面上共圆，并且与转子铁芯表面同圆心，所述两个侧边等高。本发明电机，转子侧永磁体表面采用多平面共圆折曲面，可进一步提高电机的转矩密度和过载能力，能使气隙磁密更趋向于正弦，电机转子侧易于装配。

Description

一种低惯量内置Flat型永磁伺服电机
技术领域
本发明涉及一种低惯量内置Flat型永磁伺服电机，尤其是一种转子侧永磁体表面为多折面的低惯量内置Flat型永磁伺服电机。
背景技术
由于具有较高的功率密度和功率因数，永磁电机在伺服、交通和家用电器中已获得广泛应用。表贴式永磁(Surface-mounted Permanent Magnet，SPM)电机，结构灵活简单，易于自动化生产，并且转矩脉动小，控制精度高。然而在转子永磁体表面，经常要采用不锈钢套管或者高强度纤维，其定转子之间气隙相对较大。为了进一步提高电机的转矩密度和过载能力，一些高端伺服产品开始逐渐采用内置式永磁(Interior Permanent Magnet，IPM)电机设计方案。该类电机不仅气隙相对较小，而且具有磁阻转矩，具有更高的转矩密度和恒功率速度范围。作为内置串联式磁路典型拓扑，Flat型转子侧相邻的两磁极永磁体串联提供每极磁通，并且转子侧极弧系数较高。
中国永磁电机专家唐任远院士于1997年***提出内置Flat型IPM电机，该电机转子侧永磁体在二维空间为矩形截面（三维空间为长方体），其磁路为串联式结构，两个磁极通过永磁体串联提供一对极的磁动势，每极磁通由一个磁极的永磁体面积提供，气隙磁密相对较低，电机转子铁心可不采用隔磁措施或转轴无需采用非导磁材料。该种拓扑结构的电机不仅漏磁系数小，转轴制作成本低，极弧系数易于控制，而且转子冲片机械强度高，安装永磁体后转子铁心不易变形等优点。
在伺服电机领域，目前转子侧主流设计方案依然是SPM方案，然而日本某知名电机企业近年来逐渐推出几乎全系列Flat型IPM电机最新产品，其定子侧采用12槽模块化分数槽集中绕组设计方案，转子侧采用5对Flat型永磁转子，永磁体在转子的二维截面中为矩形。与同规格其他SPM产品相比，该种产品定子与转子之间气隙相对较小，电机轴向长度相对较小，并且通过输出电机的磁阻转矩，电机的过载能力进一步提升，在同类产品中具有较高的转矩密度和显著竞争力。然而，对于低惯量IPM电机，由于矩形永磁体的运用，相对减小了电机的极弧系数，电机功率密度和过载能力提升效果有限，因而通过改变永磁体结构拓扑，该类电机转子还可以进一步改善，从而提高电机的转矩密度。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有技术存在的缺陷，提出了一种低惯量内置Flat型永磁伺服电机，其转子侧永磁体表面为折面，断面为五边形或五边以上的多边形。能解决现有低惯量Flat型IPM电机存在的过载能力弱和转矩密度低等缺陷。
本发明低惯量内置Flat型永磁伺服电机，包括电机转子，所述电机转子的转子铁芯沿转子铁芯断面圆周方向均匀设置若干孔槽，各孔槽内均设置一个转子侧永磁体。所述转子侧永磁体是由底面、两个侧面、两个端面和表面构成的多棱柱。其特征是：所述转子侧永磁体的表面是由两个或两个以上的平面构成的折曲面，折曲面的全部折边以及表面与两侧面的共同边在转子侧永磁体的横断面（与侧面垂直的断面）上共圆，并且与转子铁芯表面同圆心。所述两个侧边等高。
优选方案之一：所述转子侧永磁体的表面是由两个平面构成的折曲面，两个平面宽度（平面在转子侧永磁体横断面上的长度）相等。所述平面宽度是指平面在转子侧永磁体横断面上的长度。该永磁体横断面呈五边形。
优选方案之二：所述转子侧永磁体的表面是由三个平面构成的折曲面，其中两个靠近侧面的平面宽度相等。该永磁体横断面呈六边形。
优选方案之三：所述转子侧永磁体的表面是由四个平面构成的折曲面，其中两个靠近侧面的平面宽度相等，两个中间的平面宽度相等。该永磁体横断面呈七边形。
优选方案之四：所述转子侧永磁体的表面是由五个平面构成的折曲面，其中两个靠近侧面的平面宽度相等，两个与中间平面邻接的平面宽度相等。该永磁体横断面呈八边形。
本发明低惯量内置Flat型永磁伺服电机与Flat型矩形结构永磁体IPM电机相比，转子侧永磁体表面采用多平面交线共圆的折曲面，可进一步提高电机的转矩密度和过载能力，能使气隙磁密更趋向于正弦，并且电机转子侧易于装配。
附图说明
图1是本发明低惯量内置Flat型永磁伺服电机剖面示意图。
图2是本发明优选方案之一：电机转子及转子侧永磁体断面示意图。其中，a图是转子断面示意图，b图是转子侧永磁体断面示意图，表达了折曲面的全部折边以及表面与两侧面的共同边在转子侧永磁体的横断面上共圆。c图是转子侧永磁体断面示意图。
图3是本发明优选方案之二：电机转子及转子侧永磁体断面示意图。其中，a图是转子断面示意图，b图是转子侧永磁体断面示意图，表达了折曲面的全部折边以及表面与两侧面的共同边在转子侧永磁体的横断面上共圆。c图是转子侧永磁体断面示意图。
图4是本发明优选方案之三：电机转子及转子侧永磁体断面示意图。其中，a图是转子断面示意图，b图是转子侧永磁体断面示意图，表达了折曲面的全部折边以及表面与两侧面的共同边在转子侧永磁体的横断面上共圆。c图是转子侧永磁体断面示意图。
图5是本发明优选方案之四：电机转子及转子侧永磁体断面示意图。其中，a图是转子断面示意图，b图是转子侧永磁体断面示意图，表达了折曲面的全部折边以及表面与两侧面的共同边在转子侧永磁体的横断面上共圆。c图是转子侧永磁体断面示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图，对本发明的技术方案做进一步详细的说明。
图1表示的是本发明低惯量内置Flat型永磁伺服电机剖面。其中：转子铁心1的表面均匀连续的设置了若干转子侧永磁体2；3为电机定子铁心，4为电枢绕组，5为电机转轴。
实施例1
如图2（a）所示， Flat型IPM电机转子侧永磁体2横断面呈现为五边形，由底面9、两个侧面（6，8）和表面构成。如图2（b）所示，转子侧永磁体2表面由两个平面折曲构成，转子侧永磁体2表面的A、B、C三点共圆并且与转子表面7同圆心。如图2（c）所示，两个平面的宽度尺寸分别为a 1和a 2（图中表示出的a 1和a 2只是一个位置示意，不是表示宽度的投影），满足a 1＝a 2。转子侧永磁体的两个侧边高度尺寸分别为b 1和b 2，满足b 1＝b 2。
如图2（a）所示， Flat型IPM电机转子铁心1设置若干孔槽，孔槽沿转子铁芯圆周方向均匀分布，并且形状与永磁体结构适配，用于放置不同磁化方向的转子侧永磁体2。两个孔槽之间靠近转子表面的部分为转子铁心筋部，为非工作磁通路径。
实施例2
如图3（a）所示，Flat型IPM电机转子侧永磁体2横断面呈现为六边形，由底面9、两个侧面（6，8）和表面构成。如图3（b）所示，转子侧永磁体2表面由三个平面折曲构成，转子侧永磁体2表面的A、B、C和D四点共圆并且与转子表面7同圆心。三个平面的宽度尺寸分别为a 1，a 2和a 3（图中表示出的a 1和a 2只是一个位置示意，不是表示宽度的投影），满足a 1＝a 2， a 1＜a 3或a 1＝a 3或a 1＞a 3，图3（c）所示的是a 1＝a 2＜a 3。转子侧永磁体的两个侧边高度尺寸分别为b 1和b 2，满足b 1＝b 2，因此本实施例共有三种拓扑选择方案。
如图3（a）所示， Flat型IPM电机转子铁心1设置若干孔槽，孔槽沿转子铁芯圆周方向均匀分布，并且形状与永磁体结构适配，用于放置不同磁化方向的转子侧永磁体2。两个孔槽之间靠近转子表面的部分为转子铁心筋部，为非工作磁通路径。
实施例3：
如图4（a）所示，Flat型IPM电机转子侧永磁体2横断面呈现为七边形，由底面9、两个侧面（6，8）和表面构成。如图4（b）所示，转子侧永磁体2表面由四个平面折曲构成，转子侧永磁体2表面的A、B、C、D和E五点共圆并且与转子表面7同圆心。四个平面的宽度尺寸分别为a 1，a 2，a 3和a 4（图中表示出的a 1，a 2，a 3和a 4只是一个位置示意，不是表示宽度的投影），，满足a 1＝a 2，a 3＝a 4，其中a 1与a 3之间满足关系a 1＜a 3或a 1＝a 3或a 1＞a 3，如图4（c）所示。转子侧永磁体的两个侧边高度尺寸分别为b 1和b 2，满足b 1＝b 2，因此本实施例共有三种典型拓扑选择方案。
如图4（a）所示，Flat型IPM电机转子铁心1设置若干孔槽，孔槽沿转子铁芯圆周方向均匀分布，并且形状与永磁体结构适配，用于放置不同磁化方向的转子侧永磁体2。两个孔槽之间靠近转子表面的部分为转子铁心筋部，为非工作磁通路径。
实施例4：
如图5（a）所示，Flat型IPM电机转子侧永磁体2横断面呈现为八边形，由底面9、两个侧面（6，8）和表面构成。如图5（b）所示，转子侧永磁体2表面由五个平面折曲构成，转子侧永磁体2表面的A、B、C、D、E和F六点共圆并且与转子表面7同圆心。五个平面的宽度尺寸分别为a 1，a 2，a 3，a 4和a 5（图中表示出的a 1，a 2，a 3和a 4只是一个位置示意，不是表示宽度的投影），满足a 1＝a 2，a 3＝a 4，其中a 1与a 3之间满足关系a 1＜a 3或a 1＝a 3或a 1＞a 3，a 1与a 3之间满足关系a 1＜a 5或a 1＝a 5或a 1＞a 5，其中a 3与a 5之间满足关系a 3＜a 5或a 3＝a 5或a 3＞a 5，图5（c）所示的是a 1＝a 2＝a 3＝a 4＝a 5。转子侧永磁体的两个侧边高度尺寸分别为b 1和b 2，满足b 1＝b 2，因此本实施例共有九种典型拓扑选择方案。
如图5（a）所示，Flat型IPM电机转子铁心1设置若干孔槽，孔槽沿转子铁芯圆周方向均匀分布，并且形状与永磁体结构适配，用于放置不同磁化方向的转子侧永磁体2。两个孔槽之间靠近转子表面的部分为转子铁心筋部，为非工作磁通路径。
上述实施例所述的Flat型永磁体结构设计方案，不仅可应用于旋转内转子永磁电机中，也可应用于外转子永磁电机中，还可应用于直线电机或者轴向磁场电机中。在这些类型的电机中或这些类型的转子中，应用本发明转子侧永磁体结构，均属于本发明保护范围。

Claims (6)

1.一种低惯量内置Flat型永磁伺服电机，包括电机转子，所述电机转子的转子铁芯沿转子铁芯断面圆周方向均匀设置若干孔槽，各孔槽内均设置一个转子侧永磁体；所述转子侧永磁体是由底面、两个侧面、两个端面和表面构成的多棱柱；其特征是：所述转子侧永磁体的表面是由两个或两个以上的平面构成的折曲面，折曲面的全部折边以及表面与两侧面的共同边在转子侧永磁体的横断面上共圆，并且与转子铁芯表面同圆心；所述两个侧边等高，在转子排布时相邻两个永磁体的侧边平行。
2.根据权利要求1所述的一种低惯量内置Flat型永磁伺服电机，其特征是：所述转子侧永磁体的表面是由两个平面构成的折曲面，两个平面宽度相等。
3.根据权利要求1所述的一种低惯量内置Flat型永磁伺服电机，其特征是：所述转子侧永磁体的表面是由三个平面构成的折曲面，其中两个靠近侧面的平面宽度相等。
4.根据权利要求1所述的一种低惯量内置Flat型永磁伺服电机，其特征是：所述转子侧永磁体表面由四个平面构成的折曲面，其中两个靠近侧面的平面宽度相等，中间的两个平面宽度相等。
5.根据权利要求1所述的一种低惯量内置Flat型永磁伺服电机，其特征是：所述转子侧永磁体的表面是由五个平面构成的折曲面，其中两个靠近侧面的平面宽度相等，两个与中间平面邻接的平面宽度相等。
6.根据权利要求1所述的一种低惯量内置Flat型永磁伺服电机，所述电机转子，为内转子或外转子。
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