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CN108880009A - 一种不等齿永磁力矩电机的定子 - Google Patents

一种不等齿永磁力矩电机的定子 Download PDF

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Abstract

一种不等齿永磁力矩电机的定子，电枢齿采用有取向硅钢片自铆叠压而成，保证有取向硅钢片的轧制方向与定子径向方向相同，剪切方向与定子周向方向相同。电枢齿缠绕单齿集中线圈。在初步设计时，将电枢齿的齿顶宽度x 2接近极距τ与极弧系数α的乘积，然后再通过仿真软件调整齿身宽度x 1。不等齿结构设计，使电枢齿齿部磁密最大化，配合单齿集中绕组，在简化绕线工艺的同时提高了槽满率。

Description

一种不等齿永磁力矩电机的定子
技术领域
本发明属于电机技术领域，具体涉及一种不等齿永磁力矩电机的定子
背景技术
近极槽永磁力矩电机以其效率高、转矩密度大、转矩波动低等优势，广泛地应用于工业装备自动化机器人、多轴联动数控机床等直接驱动领域中。由这类电机直接驱动负载，取消了传统的机械传动链，将“机+电”解决的问题直接用“电”来解决，有效地消除了由机械传动链反向间隙而引起的位置误差，有效地提高了定位精度、重复定位精度和系统的快速响应能力。
近年来，国内外学者和西门子、法拉克等知名企业也相继推出近极槽电机产品，转矩密度是研究的热点问题。目前多采用永磁体作为磁极材料，以提高电机转矩密度，并采用优化极弧系数、调整齿宽、采用集中绕组等方式提高转矩密度。但效果均不理想。
发明内容
发明目的：
本发明提出了一种不等齿永磁力矩电机的定子，其目的是解决以往所存在的问题，其将电枢齿采用有取向硅钢片叠压制成，将定子冲片的其余部分采用无取向硅钢片叠压制成，并配合结构设计，形成了电机定子的整体和性能优化。与传统不等齿结构相比，提高了电枢齿磁密，提高了转矩密度，并抑制了齿局部饱和现象，降低了转矩波动。
技术方案：
不等齿近极槽永磁力矩电机的前期研究基础表明，不等齿结构中，大齿的齿磁密高于小齿，适合将绕组设计成只在大齿上缠绕绕组，而小齿无绕组，这里称缠绕绕组的大齿为“电枢齿”，而没有绕组的小齿为“辅助齿”。
电枢齿采用有取向硅钢片自铆叠压而成，保证有取向硅钢片的轧制方向与定子径向方向相同，剪切方向与定子周向方向相同。电枢齿缠绕单齿集中线圈。在初步设计时，将电枢齿的齿顶宽度x2接近极距τ与极弧系数α的乘积，然后再通过仿真软件调整齿身宽度x1。
辅助齿和定子轭部采用无取向硅钢片自铆叠压而成，作为电枢齿的支撑架，定子轭部开有梯形槽，便于电枢齿嵌入其中。近极槽电机，定子轭部磁密处于不饱和状态，因此，定子轭部高度设计时只需满足机械强度即可。定子轭部外圆开有焊接沟。
电机定子的槽数和极数接近(这种定子适用于槽数和极数接近的电机)，该定子由定子主体和上下两个压板组成；定子主体由电枢齿、辅助齿、定子轭和电枢绕组组成，电枢齿和辅助齿不等宽，电枢绕组只套于电枢齿上；电枢齿和辅助齿交替设置在定子轭内圆。
在定子轭内圆设置有梯形槽，在定子轭和上下两个压板的外圆设置有贯通的焊接沟；辅助齿、定子轭、梯形槽和焊接沟构成支撑架，支撑架由无取向硅钢片材料单片冲剪成形，然后自铆叠压而成。压板高度与定子轭部高度相同。
电枢齿由有取向硅钢片单片冲剪，然后自铆叠压而成，有取向硅钢片的轧制方向(A)与定子径向方向(C)保持一致。
套有绕组的电枢齿嵌于支撑架的梯形槽中，压板在定子轴向方向上置于定子主体的上下两侧，通过氩弧焊将定子主体和压板在焊接沟处焊接形成整体。
定子上下设有两个压板，压板高度h1与定子轭部高度h2相同。压板的外圆与定子轭部外圆对应位置开有相同尺寸的焊接沟，以便安装后焊接成一体。
电枢齿与辅助齿结构参数设计方法：
设电机的极数是2p，槽数是Q，定子内圆半径为R2，则电机的极距τ为
假设τ对应的圆心角为θ弧度。设极弧系数为α，则电枢齿的齿顶宽x2为θ×α弧度在定子内圆对应的宽度。
因为电机的齿距角α1为
设槽口为平行槽，槽口宽度b1对应的圆心角为θb1，则辅助齿的齿顶宽y2对应的圆心角为2α1-2θb1-θ×α。以此推断y2的宽度。
电枢齿和辅助齿均采用平行齿结构，平行齿结构齿身宽度一致。因此，在确定电枢齿的齿顶宽x2和辅助齿的齿顶宽y2的基础上，借用有限元分析软件ANSOFT来准确确定电枢齿的齿身宽度x1和辅助齿的齿身宽度y1。在空载条件下，在齿部画一个辅助圆，计算辅助圆上的电枢齿和辅助齿的齿磁密，通过调整电枢齿的齿身宽和辅助齿的齿身宽，使电枢齿齿身磁密接近有取向硅钢片磁化曲线膝点，辅助齿齿身磁密接近无取向硅钢片磁化曲线膝点。通常有取向硅钢片的磁化特性曲线膝点为1.8T左右，无取向硅钢片的磁化特性曲线膝点为1.6T左右。膝点的具体数值与选取的硅钢片型号有关。(膝点的具体数值与型号之间的关系属于现有技术，属于公知的隐含特征，这里不再赘述！)。
优点效果：
本发明优点：不等齿结构设计，使电枢齿齿部磁密最大化，配合单齿集中绕组，在简化绕线工艺的同时提高了槽满率。将电枢齿用高导磁率的有取向硅钢片，并保证有取向硅钢片的轧制方向与定子电枢齿径向方向一致，进一步地提高了齿磁密的饱和点，改善了负载条件下电机的局部饱和问题，在提供转矩密度的同时，降低了转矩波动。另外，在有取向硅钢片轧制方向与定子电枢齿径向方向一致的情况下，自然其剪切方向就与齿顶漏磁方向一致，因此，这种结构还有效地抑制了齿顶漏磁，对增加转矩密度、降低转矩波动起到积极作用。
附图说明
图1是本发明实施例的定子整体三维结构示意图；
图2是本发明实施例的定子主体的剖面示意图；
图3是本发明实施例的支撑架结构示意图；
图4是本发明实施例的电枢齿结构示意图；
图5是本发明实施例的电枢齿和辅助齿齿宽与齿顶宽以及轭部宽度示意图；
图6是本发明实施例的压板结构示意图；
图7是本发明实施例对应电机与传统电机输出转矩的仿真对比图。其中1为传统的等齿电机输出转矩波形，2为不等齿无取向硅钢片电机输出转矩的波形，3为本发明电机的输出转矩波形。
图中1.不等齿永磁力矩电机的定子，2.压板，3.电枢齿，4.辅助齿，5定子轭部，6.绕组，7.梯形槽，8.焊接沟，A.轧制方向，B.剪切方向，C定子径向方向，D定子周向方向，x1.电枢齿齿宽，x2.电枢齿齿顶宽，y1.辅助齿齿宽，y2.辅助齿齿顶宽，h1压板高度，h2定子轭部高度，b1定子槽口宽。
具体实施方式
一种不等齿永磁力矩电机的定子，电机定子的槽数和极数接近(这种定子适用于槽数和极数接近的电机)，该定子由定子主体1和上下两个压板2组成；定子主体1由电枢齿3、辅助齿4、定子轭5和电枢绕组6组成，电枢齿3和辅助齿4不等宽，电枢绕组6只套于电枢齿3上；电枢齿3和辅助齿4交替设置在定子轭5内圆。
在定子轭5内圆设置有梯形槽7，在定子轭5和上下两个压板2的外圆设置有贯通的焊接沟8；辅助齿4、定子轭5、梯形槽7和焊接沟8构成支撑架，支撑架由无取向硅钢片材料单片冲剪成形，然后自铆叠压而成；压板2高度h1与定子轭部高度h2相同。
电枢齿3由有取向硅钢片单片冲剪，然后自铆叠压而成，有取向硅钢片的轧制方向A与定子径向方向C保持一致。
套有绕组6的电枢齿3嵌于支撑架的梯形槽7中，压板2在定子轴向方向上置于定子主体1的上下两侧，通过氩弧焊将定子主体1和压板2在焊接沟8处焊接形成整体。
电枢齿与辅助齿结构参数设计方法如下：
设电机的极数是2p，槽数是Q，定子内圆半径为R2，则电机的极距τ为
假设τ对应的圆心角为θ弧度。设极弧系数为α，则电枢齿的齿顶宽x2为θ×α弧度在定子内圆对应的宽度。
因为电机的齿距角α1为
设槽口为平行槽，槽口宽度b1对应的圆心角为θb1，则辅助齿的齿顶宽y2对应的圆心角为2α1-2θb1-θ×α。以此推断y2的宽度。
电枢齿和辅助齿均采用平行齿结构，平行齿结构齿身宽度一致。因此，在确定电枢齿的齿顶宽x2和辅助齿的齿顶宽y2的基础上，借用有限元分析软件ANSOFT来准确确定电枢齿的齿身宽度x1和辅助齿的齿身宽度y1。在空载条件下，在齿部画一个辅助圆，计算辅助圆上的电枢齿3和辅助齿4的齿磁密，通过调整电枢齿3的齿身宽x1和辅助齿4的齿身宽y1，使电枢齿3齿身磁密接近有取向硅钢片磁化曲线膝点，辅助齿4齿身磁密接近无取向硅钢片磁化曲线膝点。膝点的具体数值与选取的硅钢片型号有关。(膝点的具体数值与型号之间的关系属于现有技术，属于公知的隐含特征，这里不再赘述！)。
定子轭部高度只需满足机械强度要求即可。
实施例：
下面结合附图对本发明一种实施例做进一步说明。发明所涉及的定子，即可设计成内定子，也可设计成外定子，本实施例以外定子为例进行说明。
不等齿永磁力矩电机的定子总体结构如图1所示，其中1为定子主体，2为压板，8为焊接沟，压板2放置在定子主体1的轴向的两侧，用于固定电枢齿3与支撑架，定子主体1与压板2的轴向都开有焊接沟8，通过氩弧焊将定子主体1和压板2在焊接沟8处焊接形成整体。
图2所示为不等齿永磁力矩电机定子的定子主体1的剖面图形。所发明的定子结构只有电枢齿3上套有电枢绕组6，整体形成三相对称绕组，辅助齿4无绕组。辅助齿4与定子轭5以及焊接沟8组成了支撑架。C为定子的径向方向与电枢齿3的轧制方向A重合，而定子的周向方向D与电枢齿3的剪切方向相同。
支撑架整体结构如图3所示，其中4为定子的辅助齿，5为定子轭部，7为梯形槽，8为焊接沟。图3a为支撑架单片冲片，支撑架单片冲片经自铆叠压后形成图3b。
电枢齿3冲片结构如图4a所示，电枢齿由有取向硅钢片按照其轧制方向A经自铆叠压后形成的电枢齿如图4b所示。其剪切方向B与其轧制方向A垂直。
图5是电枢齿和辅助齿的齿身宽与齿顶宽的局部示意图；其中电枢齿3齿宽为x1，齿顶宽为x2。辅助齿4齿宽为y1，齿顶宽为y2。定子轭部高度为h2结构参数的具体设计方法参见发明内容。
图6是压板结构示意图；其中压板高度为h1。压板的高度h1与定子轭部的高度h2相同。
以18槽12极电机为例，分析本发明实施例所涉及的电机与单一材料的不等齿电机以及传统电机的转矩性能区别。电机基本结构参数如表1所示。
表1两种电机参数对比
有限元软件ANSOFT的仿真结果如图7所示，由图7可以看出，
采用本发明定子的电机表现出更高的平均转矩，在相同负载电流下，三种电机的平均转矩分别为246.80Nm、275.16Nm、287.86Nm，从计算结果上看，不等齿结构相比于等齿结构转矩提高了11.5％。电机磁场的增强，线性地增大了电机的平均转矩。但是不等齿机构电机的转矩脉动也明显高于传统电机。对比发明所述结构与单一材料的不等齿结构，在转矩波动基本相同的情况下，平均转矩提高了4.6％。
本发明针对不等齿结构磁路的特殊性，通过结构设计使齿磁密进一步提高，从而实现了提高转矩密度。

Claims (6)

1.一种不等齿永磁力矩电机的定子，其特征在于：电机定子的槽数和极数接近，该定子由定子主体(1)和上下两个压板(2)组成；定子主体(1)由电枢齿(3)、辅助齿(4)、定子轭(5)和电枢绕组(6)组成，电枢齿(3)和辅助齿(4)不等宽，电枢绕组(6)只套于电枢齿(3)上；电枢齿(3)和辅助齿(4)交替分布在定子轭(5)内圆。
2.根据权利要求1所述的一种不等齿永磁力矩电机的定子，其特征在于：在定子轭(5)内圆设置有梯形槽(7)，在定子轭(5)和上下两个压板(2)的外圆设置有贯通的焊接沟(8)；辅助齿(4)、定子轭(5)、梯形槽(7)和焊接沟(8)构成支撑架，支撑架由无取向硅钢片材料单片冲剪成形，然后自铆叠压而成；压板(2)高度(h1)与定子轭部高度(h2)相同。
3.根据权利要求1所述的一种不等齿永磁力矩电机的定子，其特征在于：电枢齿(3)由有取向硅钢片单片冲剪，然后自铆叠压而成，有取向硅钢片的轧制方向(A)与定子径向方向(C)保持一致。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种不等齿永磁力矩电机的定子，其特征在于：套有绕组(6)的电枢齿(3)嵌于支撑架的梯形槽(7)中，压板(2)在定子轴向方向上置于定子主体(1)的上下两侧，通过氩弧焊将定子主体(1)和压板(2)在焊接沟(8)处焊接形成整体。
5.根据权利要求1所述一种不等齿永磁力矩电机的定子，其特征在于：电枢齿与辅助齿结构参数设计方法如下：
设电机的极数是2p，槽数是Q，定子内圆半径为R2，则电机的极距τ为：
假设τ对应的圆心角为θ弧度；设极弧系数为α，则电枢齿的齿顶宽x2为θ×α弧度在定子内圆对应的宽度；
因为电机的齿距角α1为
设槽口为平行槽，槽口宽度b1对应的圆心角为θb1，则辅助齿的齿顶宽y2对应的圆心角为2α1-2θb1-θ×α；以此推断y2的宽度；
电枢齿和辅助齿均采用平行齿结构，平行齿结构齿身宽度一致；因此，在确定电枢齿的齿顶宽x2和辅助齿的齿顶宽y2的基础上，借用有限元分析软件ANSOFT来准确确定电枢齿的齿身宽度x1和辅助齿的齿身宽度y1；在空载条件下，在齿部画一个辅助圆，计算辅助圆上电枢齿(3)和辅助齿(4)的齿磁密，通过调整电枢齿(3)的齿身宽x1和辅助齿(4)的齿身宽y1，使电枢齿(3)齿身磁密接近有取向硅钢片磁化曲线膝点，辅助齿(4)齿身磁密接近无取向硅钢片磁化曲线膝点；膝点的具体数值与选取的硅钢片型号有关。
6.根据权利要求5所述的电枢齿与辅助齿结构参数设计方法，其特征在于：定子轭部高度只需满足机械强度要求即可。
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