專利名稱：大極型方波三相無刷永磁直流電動機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及永磁直流電動機，更具體地說，涉及一種大極型方波三相無刷永
磁直流電動機，該電動機適用于直接驅(qū)動和位置、速率伺服控制應用。
背景技術(shù)：
永磁電動機根據(jù)驅(qū)動電流及反電勢波形可分為正弦波和方波兩大類。 一般將正弦 波永磁電動機稱為永磁同步電動機(PMSM)，或稱為正弦波交流伺服電動機。另一類方波永 磁電動機則稱為方波無刷直流電動機(BLDCM)。 80年代期間，方波永磁電動機獲得了普遍應用，方波永磁電動機的外特性和有刷 直流電動機基本相同，控制比較簡單，但其最大的缺點是存在較大的原理性換向力矩波動， 對此，研究人員提出了多種補償措施，但實際應用效果不理想。 由于正弦波永磁電動機的力矩波動則遠小于方波永磁電動機，90年代期間，在精 密伺服驅(qū)動應用場合，方波永磁電動機逐漸被正弦波永磁電動機所替代，目前已經(jīng)成為現(xiàn) 今工業(yè)應用的主流。然而，正弦波永磁電動機會導致控制系統(tǒng)復雜性大幅增高和成本大幅 增加，更重要的是電動機的力能指標大幅下降。 另一方面，傳統(tǒng)方波無刷直流電動機及其控制技術(shù)被公認已經(jīng)成熟，由于前述缺 陷，導致其被限定在要求不高的場合應用，國內(nèi)外對其研究已經(jīng)很少。 為解決上述技術(shù)問題，本專利的實用新型人此前申請了一項'方波三相無刷永磁 直流電動機'專利，公告號CN101371425A，其中公開了一種極數(shù)2P = 8的電機，但該電機高 速應用時仍有鐵損偏大的問題。
實用新型內(nèi)容本實用新型要解決現(xiàn)有方波永磁電動機和正弦波永磁電動機所存在的問題，提出 一種新原理、新結(jié)構(gòu)、高性能、低成本的2P = 4的大極方波永磁電動機。 本實用新型的技術(shù)方案是，提供一種大極型方波三相無刷永磁直流電動機，所述 電動機的轉(zhuǎn)子鐵芯上裝有多對永磁體，定子槽中裝有三相繞組，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子鐵芯 上的磁極數(shù)2P = 4 ;所述定子鐵芯的槽數(shù)Z = 6，相應有6個齒，所述6個齒中包括三個大 齒、三個小齒；所述三相繞組為集中繞組，分別繞在三個大齒上，每相僅有一個繞組；所述 繞組和齒的排列次序是大齒上A相繞組一小齒一大齒上B相繞組一小齒一大齒上C相繞 組一小齒；其A表示A相繞組的一個集中繞組，B表示B相繞組的一個集中繞組，C表示C相 繞組的一個集中繞組。 本實用新型中，所述定子鐵芯包括大齒鐵芯和三個小齒鐵芯；在所述大齒鐵芯上 設有三個大齒，相鄰兩個大齒之間的軛部各設有一個鍥入槽，共有三個鍥入槽；每個所述小 齒鐵芯通過其尾部鍥入在所述大齒鐵芯的其中一個鍥入槽中。 本實用新型中，所述大齒鐵芯可以是一體式的整體大齒鐵芯，或者由三個單體大 齒鐵芯組成，此時相鄰兩個單體大齒鐵芯之間在該兩個大齒的定子槽中心線處相互拼接。[0011] 本實用新型中，所述大齒鐵芯和每一個小齒鐵芯均可由多層齒硅鋼片組成。具體 可通過盲孔鉚壓成整體結(jié)構(gòu)。其中，所述大齒鐵芯與各個小齒鐵芯最好具有相同的硅鋼片 層數(shù)；所述鍥入槽可為燕尾形結(jié)構(gòu)。 本實用新型中，所述定子鐵芯上相鄰大齒與小齒之間的槽的槽口 (5)寬度最好為 0. 1 3.0mm ;每個大齒占圓周75° 117°機械角度，即150。 234°電角度；每個小齒 占圓周45° 3°機械角度，即90。 6°電角度；且一個大齒與一個小齒的機械角度之和 等于120° ，電角度為PX12(T = 240° 。 本實用新型中，所述轉(zhuǎn)子鐵芯上各個永磁體N、 S磁極相間排列，所述永磁體是 徑向充磁的瓦形磁鋼、或者是平行充磁的瓦形磁鋼；所述定子與轉(zhuǎn)子之間的物理氣隙為 0. 2 3mm ;所述轉(zhuǎn)子鐵芯上的永磁體的極距為(1 0. 8) X ji D/4，其中D是轉(zhuǎn)子外徑。永 磁體的極距是電機極距D/4的(1 0. 8)倍，隨著此倍數(shù)的減小電機的氣隙磁場將向正 弦波變化，當此倍數(shù)的減小為(0. 8 0. 6)倍時，氣隙磁場將更近似正弦波。 本實用新型中采用霍爾位置傳感器作為轉(zhuǎn)子位置傳感器，所述霍爾位置傳感器 的磁敏感方向與轉(zhuǎn)子法線方向相一致，安裝于定子支架上，并與轉(zhuǎn)子永磁體外圓之間保持 1 3mm的氣隙。 由上述技術(shù)方案可知，本實用新型的大極方波三相無刷永磁直流電動機的磁極數(shù) 為2P = 4，其中采用磁極覆蓋技術(shù)，使其氣隙磁場具有120°電角度以上的平頂區(qū)；采用非 均勻齒槽和磁平衡小齒，使定位力矩減至最小。該電動機每相僅有一個集中繞組，結(jié)構(gòu)簡 單，生產(chǎn)成本很低。由于小齒是嵌入式的，先不裝小齒，留出空間使集中繞組的繞制非常方 便，即使機器自動繞線也能保證85%以上的槽滿率。該電動機的出力比傳統(tǒng)正弦波永磁伺 服電機大33%，繞組端部比傳統(tǒng)分布式繞組的正弦波永磁伺服電機小3倍以上，所以銅耗 大幅度減少。該方波三相無刷永磁直流電動機采用三相方波電流驅(qū)動時，能產(chǎn)生平穩(wěn)的力 矩，其力矩波動指標與正弦波永磁伺服電機相當。
下面將結(jié)合附圖及實施例對本實用新型作進一步說明，附圖中 圖1是本實用新型一個優(yōu)選實施例中電動機的定、轉(zhuǎn)子剖面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本實用新型一個優(yōu)選實施例中電動機總裝結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是圖1所示實施例中的定子齒槽角度分布示意圖； 圖4是圖1中的單個大齒硅鋼片的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5是圖1中的單個小齒硅鋼片的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6是由圖5所示多個小齒硅鋼片組成一個小齒鐵芯的立體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖7是一個大齒鐵芯與三個小齒鐵芯組成定子鐵芯的示意圖； 圖8是由三個大齒鐵芯與三個小齒鐵芯組成定子鐵芯的示意圖。 圖中，1是轉(zhuǎn)子鐵芯，2是永磁體，3是軛部，4是定子槽，5是槽口 ， 6是大齒，7是單
體大齒鐵芯，8是小齒，9是整體大齒鐵芯，10是小齒硅鋼片，11是鍥入槽，12是定位盲孔，
13是小齒硅鋼片的尾部，201是轉(zhuǎn)軸，202是轉(zhuǎn)子，203是定子，204是物理氣隙，205是定子支架。
具體實施方式
本實用新型的一個優(yōu)選實施例如圖1至圖7所示。從圖2中可以看出這種三相無 刷永磁直流電動機的大致結(jié)構(gòu)，其主要部件包括轉(zhuǎn)軸201、轉(zhuǎn)子202、定子203等，轉(zhuǎn)子202 與定子203之間的物理氣隙204為0. 2 3mm。其中采用霍爾位置傳感器作為轉(zhuǎn)子位置傳 感器，霍爾位置傳感器的磁敏感方向與轉(zhuǎn)子法線方向相一致，安裝在定子支架205上，并與 轉(zhuǎn)子磁鋼(即永磁體)外圓之間保持1 3mm的氣隙。 從圖1中可以看出，在轉(zhuǎn)子鐵芯1上裝有2對4個永磁體，4個磁極N、S相間排列， 也就是說，轉(zhuǎn)子的磁極數(shù)2P = 4，這些永磁體產(chǎn)生氣隙磁場。具體實施時，永磁體2可以是 徑向充磁的瓦形磁鋼、或者是平行充磁的瓦形磁鋼。轉(zhuǎn)子鐵芯上的永磁體的極距為(l 0. 8) X Ji D/4，其中D是轉(zhuǎn)子外徑。 同時，定子鐵芯的槽數(shù)Z = 6，對應有6個槽、6個齒；定子槽4的槽口 5的寬度為 0. 1 3mm ;6個齒中包括三個大齒、三個小齒，并在圓周內(nèi)按大齒一小齒一大齒一小齒的次 序循環(huán)排布。 本實施例中，三相繞組為集中繞組，分別用繞線機(定子繞組內(nèi)繞機)直接繞在絕 緣處理后的大齒上，繞組和齒的排列次序是大齒上A相繞組一小齒一大齒上B相繞組一小 齒一大齒上C相繞組一小齒；其A表示A相繞組的一個集中繞組，B表示B相繞組的一個集 中繞組，C表示C相繞組的一個集中繞組。可見，該電動機僅有三個集中繞組，電動機的繞組 總數(shù)非常少，大大簡化了電動機結(jié)構(gòu)，降低了成本，同時繞組端部減少到傳統(tǒng)電動機小3倍 以上，達到了最小化，于是銅耗大幅下降。 從圖3可以看出，每個大齒占圓周75° 117°機械角度，即150。 234°電角 度；每個小齒占圓周45。 3°機械角度，即90。 6°電角度；且一個大齒與一個小齒的 機械角度之和等于120。，電角度為PX120。 = 240° 。其中每個齒所占圓周機械角度包含 槽口寬度。 如圖4至圖7所示，其中的定子鐵芯包括一個整體結(jié)構(gòu)的大齒鐵芯9和三個小齒 鐵芯8 ;在大齒鐵芯上設有三個大齒6，相鄰兩個大齒之間的軛部3各設有一個鍥入槽11， 共有三個鍥入槽；每個小齒鐵芯8通過其尾部鍥入在大齒鐵9的其中一個鍥入槽11中。 具體實施時，大齒鐵芯9由多層大齒硅鋼片組成，每一層大齒硅鋼片的軛部和齒 部設有定位盲孔12，多層大齒硅鋼片通過這些盲孔鉚壓成整體結(jié)構(gòu)。同樣，每一個小齒鐵芯 8由多層小齒硅鋼片組成；每一層小齒硅鋼片IO上也設有定位盲孔12，多層小齒硅鋼片通 過這些盲孔鉚壓成整體結(jié)構(gòu)。本實施例中，大齒鐵芯9與各個小齒鐵芯8具有相同的硅鋼 片層數(shù)。 從圖4、圖7中可以看出，其中的鍥入槽ll為內(nèi)部大、口部小的燕尾形結(jié)構(gòu)；相應 地，每個小齒硅鋼片10的尾部13也為燕尾形結(jié)構(gòu)，最終組成的小齒鐵芯的尾部可正好與鍥 入槽11咬合。 具體裝配時，在制成所述大齒鐵芯后，先對大齒做絕緣處理，再用繞線機在三個大 齒上繞制A、 B、 C三相繞組，然后將三個小齒鐵芯8分別嵌入大齒鐵芯9的三個鍥入槽11 中，即構(gòu)成具三相繞組的定子鐵芯。 為了使三相繞組的繞線更加方便，在圖8所示的實施例中，將具有三個大齒的整 體大齒鐵芯9，以相鄰兩個大齒之間的定子槽中心線為基準切分成三個部分，成為三個單體大齒鐵芯7，分別對這三個單體大齒鐵芯做絕緣處理，再用繞線機分別在三個單體大齒鐵芯 上繞制A、B、C三相繞組，然后將三個大齒鐵芯與三個小齒鐵芯，按A相單體大齒鐵芯一小齒 鐵芯一B相單體大齒鐵芯一小齒鐵芯一C相單體大齒鐵芯一小齒鐵芯，構(gòu)成具有三相繞組 的定子鐵芯。 其中，三個單體大齒鐵芯的結(jié)構(gòu)完全相同，便于加工生產(chǎn)，然后可任選三個單體 大齒鐵芯通過設置凸臺、凹孔的方式扣合成一個完整的大齒鐵芯，例如采用前述公告號為 CN101371425A的專利中圖6所示的卡扣結(jié)構(gòu)。 由上述實施例可以看出，本實用新型的大極方波三相無刷永磁直流電動機的磁極 數(shù)為2P = 4，其中采用磁極覆蓋技術(shù)，使其氣隙磁場具有120°電角度以上的平頂區(qū)；采用 非均勻齒槽和磁平衡小齒，使定位力矩減至最小。該電動機每相僅有一個集中繞組，結(jié)構(gòu)簡 單，生產(chǎn)成本很低。 重要的是，由于其中的小齒鐵芯是鍥入式的，繞線之前可先不裝小齒，留出空間使 集中繞組的繞制非常方便，即使機器自動繞線也能保證85%以上的槽滿率。 該電動機的出力比傳統(tǒng)正弦波永磁伺服電機大33 % ，繞組端部比傳統(tǒng)正弦波永磁 伺服電機小3倍以上，所以銅耗大幅度減少。 該方波三相無刷永磁直流電動機采用三相方波電流驅(qū)動時，能產(chǎn)生平穩(wěn)的 力矩，其力矩波動指標與正弦波永磁伺服電機相當。具體可采用國際申請?zhí)枮镻CT/ CN2007/000178、名稱為"無刷直流電動機控制系統(tǒng)及其控制方法"的實用新型專利中所公 開的控制系統(tǒng)及方法進行驅(qū)動控制。
權(quán)利要求一種大極型方波三相無刷永磁直流電動機，所述電動機的轉(zhuǎn)子鐵芯(1)上裝有多對永磁體(2)，定子槽(4)中裝有三相繞組，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子鐵芯上的磁極數(shù)2P＝4；所述定子鐵芯的槽數(shù)Z＝6，相應有6個齒，所述6個齒中包括三個大齒(6)、三個小齒(8)；所述三相繞組為集中繞組，分別繞在三個大齒上，每相僅有一個繞組；所述繞組和齒的排列次序是大齒上A相繞組→小齒→大齒上B相繞組→小齒→大齒上C相繞組→小齒；其A表示A相繞組的一個集中繞組，B表示B相繞組的一個集中繞組，C表示C相繞組的一個集中繞組。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大極型方波三相無刷永磁直流電動機，其特征在于， 所述定子鐵芯包括大齒鐵芯(9)和三個小齒鐵芯(8);在所述大齒鐵芯上設有三個大齒，相鄰兩個大齒之間的軛部各設有一個鍥入槽(11)， 共有三個鍥入槽；每個所述小齒鐵芯通過其尾部鍥入在所述大齒鐵芯的其中一個鍥入槽中。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的大極型方波三相無刷永磁直流電動機，其特征在于， 所述大齒鐵芯是一體式的整體大齒鐵芯；或者，所述大齒鐵芯由三個單體大齒鐵芯組成，相鄰兩個單體大齒鐵芯之間在該兩個 大齒的定子槽中心線處相互拼接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的大極型方波三相無刷永磁直流電動機，其特征在于，所述整 體大齒鐵芯或單體大齒鐵芯由多層大齒硅鋼片組成，所述多層大齒硅鋼片通過設于每一層 大齒硅鋼片之軛部和齒部的定位盲孔(12)鉚壓成整體結(jié)構(gòu)；每一個所述小齒鐵芯由多層 小齒硅鋼片組成，所述小齒硅鋼片通過設于每一層小齒硅鋼片的定位盲孔鉚壓成整體結(jié) 構(gòu)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的大極型方波三相無刷永磁直流電動機，其特征在于，所述大 齒鐵芯與各個小齒鐵芯具有相同的硅鋼片層數(shù)；所述鍥入槽為燕尾形結(jié)構(gòu)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2-5中任一項所述的大極型方波三相無刷永磁直流電動機，其特征在 于，所述定子鐵芯上相鄰大齒與小齒之間的槽的槽口 (5)寬度為O. 1 3.0mm;每個大齒 占圓周75° 117°機械角度，即150。 234°電角度；每個小齒占圓周45° 3°機械 角度，即90° 6°電角度；且一個大齒與一個小齒的機械角度之和等于120° ，電角度為 PX120° = 240° 。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述大極型方波三相無刷永磁直流電動機，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子 鐵芯上各個永磁體N、 S磁極相間排列，所述永磁體是徑向充磁的瓦形磁鋼、或者是平行充 磁的瓦形磁鋼；所述定子與轉(zhuǎn)子之間的物理氣隙為0. 2 3mm ;所述轉(zhuǎn)子鐵芯上的永磁體的極距為(1 0. 8) X Ji D/4，其中D是轉(zhuǎn)子外徑。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的大極型方波三相無刷永磁直流電動機，其特征在于，其中采 用霍爾位置傳感器作為轉(zhuǎn)子位置傳感器，所述霍爾位置傳感器的磁敏感方向與轉(zhuǎn)子法線方 向相一致，安裝于定子支架上，并與轉(zhuǎn)子永磁體外圓之間保持1 3mm的氣隙。
專利摘要本實用新型涉及一種大極型方波三相無刷永磁直流電動機，其中轉(zhuǎn)子鐵芯上的磁極數(shù)2P＝4，定子鐵芯的槽數(shù)Z＝6，定子的6個齒中包括三個大齒、三個小齒；一個大齒與一個小齒的機械角度之和等于120°，電角度為P×120°＝240°；三相集中繞組分別繞在三個大齒上，每相僅有一個繞組；其中定子鐵芯包括大齒鐵芯(9)和三個小齒鐵芯(8)；在大齒鐵芯上設有三個大齒，相鄰兩個大齒之間的軛部各設有一個鍥入槽(11)，共有三個鍥入槽；每個小齒鐵芯通過其尾部鍥入在大齒鐵芯的其中一個鍥入槽。這種電動機具有定位力矩小、結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)成本很低、繞組的繞制非常方便、銅耗少等優(yōu)點。
文檔編號H02K1/16GK201509142SQ20092013472
公開日2010年6月16日 申請日期2009年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月12日
發(fā)明者周兆勇, 廖志輝, 李詩念, 李鐵才, 漆亞梅, 藍維隆 申請人:深圳航天科技創(chuàng)新研究院