大小齿结构的方波三相无刷永磁直流电机制造技术

本实用新型专利技术涉及一种大小齿结构的方波三相无刷永磁直流电机，其中转子铁芯上的磁极数为２Ｐ，定子铁芯的槽数为Ｚ，定子的Ｚ个齿中包括Ｚ／２个大齿、Ｚ／２个小齿，在相邻两个大齿之间的轭部各设有一个锲入槽，每个小齿铁芯通过其尾部锲入其中一个锲入槽而形成小齿；优选方案中，每个大齿占圆周电角度１５０°～２３４°，每个小齿加上其两侧槽口占圆周电角度９０°～６°，且一个大齿与一个小齿的电角度之和等于２４０°；三相绕组分别绕在Ｚ／２个大齿上，每相有Ｚ／６个集中绕组；装配时先在大齿上绕制各个绕组，再嵌入小齿；这种电机具有集中绕组的绕制非常方便等优点，可用作伺服电动机或力矩电动机。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及大直径永磁电机，更具体地说，涉及一种大小齿结构的方波三相无刷永磁直流电机。这种电机可用作伺服电动机、力矩电动机。
技术介绍
永磁电动机根据驱动电流及反电势波形可分为正弦波和方波两大类。一般将正弦 波永磁电动机称为永磁同步电动机(PMSM)，或称为正弦波交流伺服电动机。另一类方波永 磁电动机则称为方波无刷直流电动机(BLDCM)。永磁电机是可逆的既可用作电动机也可用作发电机。方波永磁发电机的出力比正 弦波永磁发电机大η /2，即1. 57倍。80年代期间，方波永磁电动机获得了普遍应用，方波永磁电动机的外特性和有刷 直流电动机基本相同，控制比较简单，但其最大的缺点是存在较大的原理性换向力矩波动， 对此，研究人员提出了多种补偿措施，但实际应用效果不理想。由于正弦波永磁电动机的力矩波动则远小于方波永磁电动机，90年代期间，在精 密伺服驱动应用场合，方波永磁电动机逐渐被正弦波永磁电动机所替代，目前已经成为现 今工业应用的主流。然而，正弦波永磁电动机会导致控制系统复杂性大幅增高和成本大幅 增加，更重要的是电动机的力能指标大幅下降。另一方面，传统方波无刷直流电动机及其控制技术被公认已经成熟，由于前述缺 陷，导致其被限定在要求不高的场合应用，国内外对其研究已经很少。理想电动机应具有体积小、力矩大且力矩波动小、效率高且成本低等特点。但是现 实世界中，往往只能兼顾并不能全面满足这种理念。通常设计高性能伺服电动机时，优先顺 序为运动控制性能、功率、尺寸、效率和价格。伺服电动机必须克服齿槽效应，具有小的定位 力矩、力矩波动或者速度波动，能在低速、大力矩下连续平稳驱动。产生的力矩波动的原因很多。一般认为，主要原因是齿槽效应产生的定位力矩， 气隙磁场的非正弦分布和三相电流非正弦。齿槽效应直接产生与齿、槽数相关的定位力矩 波动；气隙磁场的非正弦分布产生反电势(MMF)谐波与电流谐波产生谐波力矩；因此，伺服 电动机的力矩波动是由各次定位力矩和谐波力矩构成的。其主要谐波次数与齿数、槽数、 极数及其互乘数、倍乘数、差拍数有关。本技术涉及的大极电机又叫集中绕组电机，它具有绕组端部小、铜耗小、结构 简单、生产成本低等特点，近十年内发展很快。通常定义每极每相槽数q = S/(2Pm)的值小 于或等于1/2的电机为大极电动机或集中绕组电机，其中S是槽数，m是相数，P是极对数。 如图1所示是一个8极9槽大极三相永磁无刷电动机。其中有4个N极、4个S极间隔排 列，共8个极；对应设有9个槽，每个槽中装有相邻两个绕组的各一半。例如最上部的N极 正对一个齿，其左侧是A+绕组、右侧是A-绕组。其中，槽距电角度为<formula>formula see original document page 5</formula>反相接线后为20°，分布系数为<formula>formula see original document page 5</formula>节距系数为<formula>formula see original document page 5</formula>绕组系数kwl = KdlKpl = 0. 946主要定位力矩次数<formula>formula see original document page 5</formula>上述公式中，C是极、槽数的最小公约数。该次数Kc与极数的比是8/72 = 1/9，即 定位力矩的次数为基波的9倍。一般认为各次定位力矩的幅值与次数的数值成反比，或认 为各次定位力矩的幅值不大于每相基波力矩的1/9。因此齿槽配合的设计原则是要求最 低次定位力矩的次数相对于基波力矩的次数尽可能大。齿槽配合还会影响电机的材料利用 率，即绕组系数，要求绕组系数接近1。几种“大极电机”的绕组系数和定位力矩次数<table>table see original document page 5</column></row><table>公开号CN101030721A的专利申请中，公开了极、槽数值没有公约数的齿槽配合方 案(例如21槽26极，33槽38极或40极)。另外申请人科勒摩根公司的公开号CN1856921A 专利申请公开了槽与磁极的比值大于0. 75且小于1. 0的永磁电动机(例如36槽46极， 30槽38极)。这类永磁电动机以获得正弦型气隙磁场和较小的定位力矩为目标，可惜这类 仅仅利用齿槽配合的方法效果很有限，其齿槽效应产生的定位力矩仍比较大，一般只能达 到额定力矩的(5 1)%水平。上述“大极电机”已经在不同场合获得应用。然而单纯通过齿槽配合来减小定位 力矩的作用仍不能满足伺服电机的要求。于是又产生了大量通过均勻化气隙磁阻来进一步 减小定位力矩的方法，包括1)无铁芯永磁电机；2)无齿槽永磁电机；3)定子斜槽或永磁 转子斜极；4)减小定子槽口 ；5)永磁体表面削角、正弦化、不均勻气隙、永磁体短距等导致 气隙磁场正弦化；6)定子的齿槽不等距分布；7)定子采用每极每相分数槽；8)增加每极槽 数；9)加大气隙；10)降低磁负荷。上述方法都有其利弊，例如加大气隙、降低磁负荷、采用无铁芯永磁电机和无齿槽永磁电机的方法，导致电机电磁负荷和功率密度下降，并导致气隙磁场正弦化；采用定子斜槽或永磁转子斜极或定子采用每极每相分数槽方法，使生产成本提高，材料利用率下降， 并导致气隙磁场正弦化。减小定子槽口使漏磁增加导致损耗变大。采用永磁体表面削角、 正弦化、不均勻气隙、永磁体短距等导致气隙磁场正弦化。通常采用定子的齿槽不等距分布 的目的也是使得气隙磁场正弦化，上述方法对正弦波伺服电机是传统的有效方法。但传统 的方法均不适用于方波伺服电机。专利ZL 200720070700. 3中，公开一种不等宽结构的低波动永磁无刷电机，其中， 定子齿的齿宽大于或小于相邻齿的齿宽或者所述定子槽的槽宽大于或小于相邻槽的槽宽； 或者所述转子铁芯的磁极宽度大于或小于相邻磁极的宽度或者所述转子铁芯磁极间的间 距大于或小于相邻磁极间的间距。一般来讲采用不同的大小齿(不等宽齿)定子铁芯设计， 可能对定位力矩的次数和幅值产生影响，设计不当，将反而导致更大的定位力矩。该专利还 附加转子铁芯磁极不等宽方法，其代价是产生了电机反电势不对称。该专利还附加定子铁 芯的齿内表面为偏心的方法，其代价也是产生了电机反电势不对称。电机反电势不对称对 于伺服电机是致命缺陷，该专利的目标是性能较低的小功率调速驱动电机。
技术实现思路
本技术要解决现有方波永磁电动机和正弦波永磁电动机所存在的问题，提出 一种新原理、新结构、高性能、低成本的大极方波永磁电机。本技术的技术方案是，提供一种大小齿结构的方波三相无刷永磁直流电机， 所述电动机的转子铁芯上装有多对永磁体，定子的槽中装有三相绕组，其中，定子铁芯上的 槽数Z、转子铁芯上的磁极数2P之间有下表所示的对应关系，对应于Z个定子槽，相应有Z 个齿，其中包括Z/2个大齿、1/2个小齿<table>table see original document page 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大小齿结构的方波三相无刷永磁直流电机，电动机的转子铁芯上装有多对永磁体，定子的槽中装有三相绕组，其特征在于，　　其中，定子铁芯上的槽数Ｚ、转子铁芯上的磁极数２Ｐ之间有下表所示的对应关系，对应于Ｚ个定子槽，相应有Ｚ个齿，其中包括Ｚ／２个大齿、Ｚ／２个小齿，且所述大齿、小齿之间间隔排列：　　槽数Ｚ　１８　２４　３０　３６　　磁极数２Ｐ　１２　１６　２０　２４　　所述三相绕组包括Ｚ／２个集中绕组，分别绕在Ｚ／２个大齿上，每相有Ｚ／６个集中绕组，所述集中绕组和齿的排列次序是：大齿上Ａ相集中绕组→小齿→大齿上Ｂ相集中绕组→小齿→大齿上Ｃ相集中绕组→小齿，依此类推；　　其中，所述定子铁芯中包括大齿铁芯和Ｚ／２个独立的小齿铁芯，每相邻两个大齿之间的轭部设有一个锲入槽，共有Ｚ／２个锲入槽，每个所述小齿铁芯通过其尾部锲入在所述大齿铁芯的其中一个锲入槽中，进而形成Ｚ／２个小齿。

【技术特征摘要】
一种大小齿结构的方波三相无刷永磁直流电机，电动机的转子铁芯上装有多对永磁体，定子的槽中装有三相绕组，其特征在于，其中，定子铁芯上的槽数Z、转子铁芯上的磁极数2P之间有下表所示的对应关系，对应于Z个定子槽，相应有Z个齿，其中包括Z/2个大齿、Z/2个小齿，且所述大齿、小齿之间间隔排列 槽数Z 18 24 30 36 磁极数2P 12 16 20 24 所述三相绕组包括Z/2个集中绕组，分别绕在Z/2个大齿上，每相有Z/6个集中绕组，所述集中绕组和齿的排列次序是大齿上A相集中绕组→小齿→大齿上B相集中绕组→小齿→大齿上C相集中绕组→小齿，依此类推；其中，所述定子铁芯中包括大齿铁芯和Z/2个独立的小齿铁芯，每相邻两个大齿之间的轭部设有一个锲入槽，共有Z/2个锲入槽，每个所述小齿铁芯通过其尾部锲入在所述大齿铁芯的其中一个锲入槽中，进而形成Z/2个小齿。2.根据权利要求1所述的大小齿结构的方波三相无刷永磁直流电机，其特征在于，所 述大齿铁芯是一体式的整体大齿铁芯；或者，所述大齿铁芯由Z/2个相同结构的单体大齿 铁芯组成，相邻两个单体大齿铁芯之间在该两个大齿的定子槽中心线处相互拼接。3.根据权利要求2所述的大小齿结构的方波三相无刷永磁直流电机，其特征在于，所 述定子铁芯上相邻大齿与小齿之间的槽的槽口宽度为0. 1 3. Omm ；每个大齿占圆周电角 度150° 234°，每个小齿加上其两侧槽口占圆周电角度90° 6°，且一个大齿与一个 小齿的电角度之和等于240°。4.根据权利要求2所述的大小齿结构的方波三相无刷永磁直流电机，其特征在于， 所述定子铁芯上相邻大齿与小齿之间的槽的槽口宽度为0. 1 3. Om...

【专利技术属性】
技术研发人员：李铁才，漆亚梅，
申请(专利权)人：深圳航天科技创新研究院，
类型：实用新型
国别省市：94[中国|深圳]