CN116599255B - 一种电机转子结构及高性能伺服电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电机转子结构及高性能伺服电机，属于电机技术领域，转子结构包括转子冲片，转子冲片中心设有与电机转轴相配合的转轴孔，在转子冲片外周均匀等角度间隔布置有凸圆磁钢槽，在凸圆磁钢槽内对应嵌设有凸圆磁钢，本发明的电机转子采用双面凸圆结构的凸圆磁钢和凸圆磁钢槽，可以通过调整凸圆磁钢轮廓圆弧的曲率半径，使凸圆磁钢自身的磁动势更加接近正弦分布，同时优化每极转子外圆偏心弧，两个圆弧的协同调整，使气隙磁场更好的趋向于正弦波磁场，减少气隙磁密的高次谐波尤其减少nZ/2p次谐波，从而减少电机的齿槽转矩，同时，有利于空载反电势波形更加接近正弦波，使得电机的附加损耗更低，效率更高，温升更低，转矩波动更小。
Description
技术领域
本发明涉及电机技术领域，具体涉及一种电机转子结构及高性能伺服电机。
背景技术
在工业制造领域，工业机器人具有技术要求高，应用场景广泛，增长速度快等特点。其中，伺服电机作为机器人的核心部件，其性能决定了机器人动作的精确性、稳定性和生产效率。所以必须要求伺服电机具有转矩波动小、调速范围宽、效率高、转矩密度大和过载能力强等能力。为了实现电机齿槽转矩和转矩波动小，现有的主要技术是优化定子内圆齿靴偏心弧或转子外圆偏心弧的形状，虽然能够减小转矩波动，但是却降低了电机转矩的输出能力。
其中专利一：CN110022044A公开车载空调压缩机用低转矩波动永磁同步电机。
该发明通过对定子齿部和转子外圆的优化设计，改变定子齿靴部弧线形状，同时对转子外圆进行优化设计，达到了降低转矩波动，进而降低压缩机振动噪音的目的。但只考虑了优化转矩波动和气隙磁密谐波，没有考虑优化后的电机输出性能是否下降的。
专利二：CN112928842A公开一种转子冲片、转子、永磁同步电机及车辆。
该发明的目的是提供一种转子冲片，采用“V”+“一”型布置，增加磁通面积，并且“一”字第二永磁体采用弧面结构，减少了永磁体到转子外圆磁通路径，降低磁阻，提升输出转矩。但只考虑通过优化磁路提高转矩输出的能力，并未考虑磁路变化对其他电机特性的影响，如转矩波动变大了、气隙谐波损耗的变化情况等。
发明内容
技术目的：针对现有电机转子结构优化存在的不足，本发明公开了一种可以在减小转矩波动和齿槽转矩的同时，提高转矩输出能力，增加电机过载运行范围的电机转子结构及高性能伺服电机。
技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：
一种电机转子结构，包括转子冲片，转子冲片中心设有与电机转轴相配合的转轴孔，在转子冲片外周均匀等角度间隔布置有凸圆磁钢槽，在凸圆磁钢槽内对应嵌设有凸圆磁钢，所述转子冲片外周设有与凸圆磁钢槽相对应的偏心圆弧曲面，在偏心圆弧曲面与凸圆磁钢槽的上表面之间形成极靴，极靴的厚度自中心向两端逐渐减小。
优选的，本发明的凸圆磁钢采用对称结构，包括对称设置的磁钢上圆弧曲面和磁钢下圆弧曲面，凸圆磁钢槽与凸圆磁钢的形状相匹配，磁钢上圆弧曲面和磁钢下圆弧曲面之间使用竖直平面连接过渡；所述偏心圆弧曲面的曲率半径小于磁钢上圆弧曲面的曲率半径。
优选的，本发明的极靴的两端在凸圆磁钢槽外侧形成自凸圆磁钢端部向外侧连续收敛的隔磁桥。
优选的，本发明的凸圆磁钢槽包括磁钢槽上圆弧曲面和磁钢槽下圆弧曲面，偏心圆弧曲面轮廓线的圆心为Q1，曲率半径为R1；磁钢槽上圆弧曲面轮廓线的圆心为Q2，曲率半径为R2，0＜(R2-R1)/T1＜1，T1为圆心Q1和Q2之间的距离。
优选的，本发明的极靴中心位置厚度为H3，两端隔磁桥的厚度为L1, 0.9＜L1＜1.2，H3=2.6*L1。
优选的，本发明的凸圆磁钢的中间厚度为H2，端部厚度为H1，2.5*H1＜H2＜3*H1，且H1>2.2*Gair，Gair为转子与定子之间气隙长度的平均值。
优选的，本发明的凸圆磁钢充磁方向为平行充磁。
优选的，本发明的转子冲片在转轴孔和凸圆磁钢槽之间的区域均匀布置有减重孔。
本发明还提供一种高性能伺服电机，使用上述的电机转子结构，伺服电机包括定子和转子，转子同心设置在定子内圈，在转子外周与定子之间形成气隙，定子包括叠压的定子冲片和位于定子冲片上的绕组，绕组位于定子冲片的定子槽内。
有益效果：本发明所提供的一种电机转子结构及高性能伺服电机具有如下有益效果：
1、本发明的电机转子结构采用双面凸圆结构的凸圆磁钢和凸圆磁钢槽，可以通过调整凸圆磁钢轮廓圆弧的曲率半径，使凸圆磁钢自身的磁动势更加接近正弦分布，同时优化每极转子外圆偏心弧，两个圆弧的协同调整，使气隙磁场更好的趋向于正弦波磁场。可以减少气隙磁密的高次谐波尤其可以减少nZ/2p次谐波，从而减少电机的齿槽转矩，通过仿真对比，齿槽转矩可以减少32%。同时，有利于空载反电势波形更加接近正弦波，使得电机的附加损耗更低，效率更高，温升更低，转矩波动更小。
2、本发明偏心圆弧曲面与磁钢槽上圆弧曲面之间形成厚度从中心向两端逐渐收敛减小的极靴，可以减少磁场漏磁率，增加凸圆磁钢磁场的利用率。
3、本发明双面凸圆结构的凸圆磁钢形式，可以增加凸圆磁钢中间磁场的磁动势，在相同凸圆磁钢材料用量的前提下，可以提供更高的磁动势，与传统“一”字型凸圆磁钢电机相比，能够提供更高的转矩，转矩提升2.5%，转矩波动降低19.7%。同时，在电机过载时，能够抵抗更高的电枢电流退磁场，抗退磁能力强，使电机最大工作区间范围更广。
4、本发明的隔磁桥为转子的偏心圆弧曲面和磁钢槽上圆弧曲面形成，隔磁桥的两侧均是圆弧结构，相较于传统“一”字型凸圆磁钢转子的折线隔磁桥结构，在不增加隔磁桥厚度的情况下，圆弧隔磁桥使得在隔磁桥处的应力集中降低，从而提高电机转子结构的稳定性，使电机能够在更高的转速下运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。
图1为本发明伺服电机整体结构图；
图2为本发明电机转子凸圆磁钢槽部分局部放大图；
图3为本发明电机转子凸圆磁钢结构示意图；
图4为本发明中“一”字型凸圆磁钢电机结构示意图；
图5为本发明隔磁桥与现有隔磁桥结构对比图；
图6为本发明电机气隙波形图；
图7为本发明电机与“一”字型凸圆磁钢电机齿槽转矩数值对比图；
图8为本发明电机与“一”字型凸圆磁钢电机空载反电势波形对比图；
图9为本发明电机与“一”字型凸圆磁钢电机转矩波动数值对比图；
图10为本发明电机与“一”字型凸圆磁钢电机最大工作区间T-N曲线图；
其中，1-转子冲片、2-转轴孔、3-凸圆磁钢槽、4-凸圆磁钢、5-磁钢上圆弧曲面、6-磁钢下圆弧曲面、7-竖直平面、8-偏心圆弧曲面、9-极靴、10-隔磁桥、11-磁钢槽上圆弧曲面、12-磁钢槽下圆弧曲面、13-减重孔、14-定子、15-定子冲片、16-绕组、17-定子槽。
实施方式
下面通过一较佳实施例的方式并结合附图来更清楚完整地说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
如图1-图10所示为本发明所公开的一种电机转子结构，包括转子冲片1，转子冲片1中心设有与电机转轴相配合的转轴孔2，在转子冲片1外周均匀等角度间隔布置有凸圆磁钢槽3，在凸圆磁钢槽3内对应嵌设有凸圆磁钢4，所述转子冲片1外周设有与凸圆磁钢槽3相对应的偏心圆弧曲面8，在偏心圆弧曲面8与凸圆磁钢槽3的上表面之间形成极靴9，极靴9的厚度自中心向两端逐渐减小，极靴9的两端在凸圆磁钢槽3外侧形成自凸圆磁钢4端部向外侧连续收敛的隔磁桥10。
凸圆磁钢4采用对称结构，包括对称设置的磁钢上圆弧曲面5和磁钢下圆弧曲面6，凸圆磁钢槽3与凸圆磁钢4的形状相匹配，磁钢上圆弧曲面5和磁钢下圆弧曲面6之间使用竖直平面连接过渡；所述偏心圆弧曲面8的曲率半径小于磁钢上圆弧曲面5的曲率半径。
隔磁桥10的上下边为偏心弧曲面和磁钢槽上圆弧曲面，如图5所示，将本发明的凸圆磁钢槽的隔磁桥结构与现有“一”字型凸圆磁钢电机的隔磁桥结构进行对比，本发明中由圆滑过度的内外圆弧形成的结构，相较于传统“一”字形凸圆磁钢槽的折线隔磁桥，在不增加隔磁桥厚度的情况下，圆弧隔磁桥使得在隔磁桥处的应力集中降低，从而提高电机转子结构的稳定性，使电机能够在更高的转速下运行，提升电机的性能。
本发明极靴的收敛结构可以减少磁场的漏磁率，增加凸圆磁钢磁场的利用率；转子外周偏心弧结构设计可以与电机定子之间形成不等气隙，磁极中间处的气隙较小，两侧处的气隙较大，使每极转子外圆的气隙磁通密度分布接近正弦分布，有利于降低齿槽转矩和转矩波动。
具体的，如图2和图3所示，本发明的凸圆磁钢槽3包括磁钢槽上圆弧曲面11和磁钢槽下圆弧曲面12，偏心圆弧曲面8轮廓线的圆心为Q1，曲率半径为R1；磁钢槽上圆弧曲面11轮廓线的圆心为Q2，曲率半径为R2，R1＜R2，0＜（R2-R1）/T1＜1，T1为圆心Q1和Q2之间的距离，凸圆磁钢4的中间厚度为H2，端部厚度为H1，2.5*H1＜H2＜3*H1，且H1＞2.2*Gair，Gair为转子与定子之间气隙长度的平均值，凸圆磁钢4充磁方向为平行充磁，通过上述结构可以使得凸圆磁钢内部的磁动势趋向于正弦分布；极靴9中心位置厚度为H3，两端隔磁桥10的厚度为L1, 0.9＜L1＜1.2，H3=2.6*L1。
为降低转子的重量，提升电机的性能，本发明的转子冲片1还在转轴孔2和凸圆磁钢槽3之间的区域均匀布置有减重孔13。
本发明还提供一种高性能伺服电机，使用上述的电机转子结构，伺服电机包括定子14和转子，转子同心设置在定子14内圈，在转子外周与定子14之间形成气隙18，定子14包括叠压的定子冲片15和位于定子冲片15上的绕组16，绕组16位于定子冲片15的定子槽17内。
本发明伺服电机的转子冲片和凸圆磁钢结构，可以在设计尺寸内利用有限元的方法进行优化，寻求最佳匹配尺寸，使转子每极气隙磁通密度分布更接近如图6所示的正弦分布，同时能够更好的减少气隙磁密高次谐波，尤其是nZ/2p次谐波分量，该次谐波是产生齿槽转矩的主要谐波，其中Z为定子齿数，2p为极数，n为使nZ/2p的值为整数的整数，降低nZ/2p次谐波幅值可以降低齿槽转矩，以本发明提供的极槽配合的形式举例，极数2p为10，槽数为12，得n为5的整数倍时，nZ/2p的值为整数，即nZ/2p=6的整数倍次谐波。下表1为两种转子结构形式的6的整数倍次气隙谐波幅值表，如下表及图7所示，使用本发明双面凸圆结构转子的6的整数倍次谐波的幅值都降低了，使得电机的齿槽转矩减少32%。
| 气隙谐波次数 | “一”字型凸圆磁钢结构转子 | 本发明双面凸圆磁钢结构转子 |
| 6 | 0.0228 | 0.0181 |
| 12 | 0.0133 | 0.0126 |
| 18 | 0.0061 | 0.0055 |
| 总值 | 0.0422 | 0.0362 |
同时本发明双面凸圆磁钢结构电机的空载反电势波形更加接近正弦波，如图8所示，两种电机空载反电势波形对比，本发明的转子结构使得电机的附加损耗更低，效率更高，温升更低，转矩波动更小。
如图9-图10所示，本发明双面凸圆磁钢的结构形式，增加了凸圆磁钢中间磁场的磁动势，在相同凸圆磁钢材料用量的前提下，能够提供更高的磁动势，与传统“一”字型凸圆磁钢电机相比，能够提供更高的转矩，转矩提升2.5%，转矩波动降低19.7%，同时，在电机过载时，双面凸圆结构凸圆磁钢能够抵抗更高的电枢电流退磁场，抗退磁能力强，过载能力更强，使电机最大工作区间范围更广。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种电机转子结构，其特征在于，包括转子冲片（1），转子冲片（1）中心设有与电机转轴相配合的转轴孔（2），在转子冲片（1）外周均匀等角度间隔布置有凸圆磁钢槽（3），在凸圆磁钢槽（3）内对应嵌设有凸圆磁钢（4），所述转子冲片（1）外周设有与凸圆磁钢槽（3）相对应的偏心圆弧曲面（8），在偏心圆弧曲面（8）与凸圆磁钢槽（3）的上表面之间形成极靴（9），极靴（9）的厚度自中心向两端逐渐减小；
凸圆磁钢（4）采用对称结构，包括对称设置的磁钢上圆弧曲面（5）和磁钢下圆弧曲面（6），凸圆磁钢槽（3）与凸圆磁钢（4）的形状相匹配，
所述凸圆磁钢槽（3）包括磁钢槽上圆弧曲面（11）和磁钢槽下圆弧曲面（12），偏心圆弧曲面（8）轮廓线的圆心为Q1，曲率半径为R1；磁钢槽上圆弧曲面（11）轮廓线的圆心为Q2，曲率半径为R2，0＜(R2-R1)/T1＜1，T1为圆心Q1和Q2之间的距离。
2.根据权利要求1所述的一种电机转子结构，其特征在于，所述磁钢上圆弧曲面（5）和磁钢下圆弧曲面（6）之间使用竖直平面连接过渡；所述偏心圆弧曲面（8）的曲率半径小于磁钢上圆弧曲面（5）的曲率半径。
3.根据权利要求1所述的一种电机转子结构，其特征在于，所述极靴（9）的两端在凸圆磁钢槽（3）外侧形成自凸圆磁钢（4）端部向外侧连续收敛的隔磁桥（10）。
4.根据权利要求1所述的一种电机转子结构，其特征在于，所述极靴（9）中心位置厚度为H3，两端隔磁桥（10）的厚度为L1, 0.9＜L1＜1.2，H3=2.6*L1。
5.根据权利要求1所述的一种电机转子结构，其特征在于，所述凸圆磁钢（4）的中间厚度为H2，端部厚度为H1，2.5*H1＜H2＜3*H1，且H1＞2.2*Gair，Gair为转子与定子之间气隙长度的平均值。
6.根据权利要求1所述的一种电机转子结构，其特征在于，所述凸圆磁钢（4）充磁方向为平行充磁。
7.根据权利要求1所述的一种电机转子结构，其特征在于，所述转子冲片（1）在转轴孔（2）和凸圆磁钢槽（3）之间的区域均匀布置有减重孔（13）。
8.一种高性能伺服电机，使用权利要求1-7任一所述的一种电机转子结构，其特征在于，包括定子（14）和转子，转子同心设置在定子（14）内圈，在转子外周与定子（14）之间形成气隙（18），定子（14）包括叠压的定子冲片（15）和位于定子冲片（15）上的绕组（16），绕组（16）位于定子冲片（15）的定子槽（17）内。
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