一種用於車削類電主軸的內嵌式永磁同步電的製造方法
2023-06-01 16:48:11 2
一種用於車削類電主軸的內嵌式永磁同步電的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種用於車削類電主軸的內嵌式永磁同步電機，包括轉軸、前軸承、前端蓋、後軸承、後端蓋、光電編碼器、轉子以及定子，其中，轉子為分段式斜極結構，包括軸向間隔分布的多個轉子鐵心，沿轉子鐵心周向設置的多極磁極，每級磁極由呈V型結構排列並內嵌於對應的永磁體槽內；每極磁極與轉子鐵心外圓周之間對應設置多個磁體通孔；定子包括位於定子外壁上的冷卻管道槽、具備多個定子齒的定子鐵心以及在相鄰定子齒間形成的定子槽。本發明的內嵌式永磁同步電機既具有高轉矩密度、高功率密度、響應快的優點，又具有氣隙磁場諧波小、反電勢正弦度高和轉矩波動小的優點，還具有調速比寬的特點，適合應用於高檔數控工具機用車削類電主軸系統。
【專利說明】-種用於車削類電主軸的內嵌式永磁同步電機
【技術領域】
[0001] 本發明涉及電機【技術領域】，具體涉及一種用於車削類電主軸的永磁同步電機。
【背景技術】
[0002] 車削類電主軸電機主要應用於車削類數控工具機。車削加工是工件旋轉做主運動， 車刀作進給運動的切削加工方法。現代車削加工對加工精度要求高，這要求電主軸電機的 控制精度高、電機振動小、轉矩脈動低、調速範圍寬。
[0003] 現有的車削類電主軸電機主要分為兩種，分別為異步主軸電機和永磁電主軸電 機。
[0004] 在現有技術中，異步主軸電機轉子會產生損耗，電機效率低，轉子發熱嚴重，縮短 軸承壽命，最終造成電機壽命縮短。異步主軸電機的功率因數較低，驅動裝置容量大，成本 非常高。異步主軸轉矩密度、功率密度低，電機體積重量較大，不利於快速啟動和準停，電機 響應慢。異步主軸電機轉矩脈動大，電機轉速波動大，運行狀況平穩度低。異步主軸電機控 制複雜，不容易實現高精度控制。
[0005] 現有技術中用於電主軸的永磁同步電機，一般設計成"一"型永磁體結構，此類電 機的凸極比小，磁阻轉矩小，轉矩密度較低，電機體積大，轉動慣量大，運行時響應速度慢， 不適合應用於要求快速啟停、轉速快速改變的車削類電主軸；且此類電機的凸極比小，電機 調速比小，很難實現高速運行。
【發明內容】
[0006] 針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種用於車削類電主軸的內 嵌式永磁同步電機，既具有高轉矩密度、高功率密度、響應快的優勢，也具有氣隙磁場諧波 小、反電勢正弦度高和轉矩波動小的優點，還具有調速範圍寬、散熱快的特點，尤其適用於 高檔數控工具機用車削類電主軸系統。
[0007] 為實現上述目的，本發明提供了一種用於車削類電主軸的內嵌式永磁同步電機， 該電機包括：由轉軸、前軸承、前端蓋、後軸承、後端蓋以及機殼共同構成的電機外殼、固定 在機殼內壁的定子以及套設於轉軸上並與定子相對間隔設置轉子，其中，
[0008] 所述轉子為分段式斜極結構，包括沿轉軸軸向間隔分布的3個轉子鐵心，且各個 轉子鐵心與其相鄰的前一轉子鐵心按順時針方向旋轉3°機械角布置，每個轉子鐵心中心 位置設有允許轉軸貫穿的軸孔，遠離軸孔外側並沿轉子鐵心周向均勻間隔設置多極磁極， 每級磁極各自由一對長方體結構且嵌入在永磁體槽內的永磁體組成，且每一對永磁體形成 張角為150度機械角且開口向外的V型結構；此外，在每極磁極與轉子鐵心外圓周之間還對 應設置多個磁體通孔，各個磁體通孔均沿周向間隔排列；
[0009] 所述定子包括定子鐵芯，該定子鐵芯的外壁上形成有多個冷卻管道槽，這些冷卻 管道槽為矩形螺旋槽並用於嵌入冷卻銅管；定子鐵芯的內壁上具備多個沿其周向排列的定 子齒，每個定子齒的弧形端面上設置兩個圓弧輔助槽；相鄰定子齒間形成的定子槽；三相 繞組嵌放於定子槽內，用於感應電勢、產生電磁轉矩，以實現能量轉換。
[0010] 作為進一步優選地，所述永磁體的充磁方向為平行充磁。
[0011] 作為進一步優選地，所述磁體通孔的半徑為3?4_，相鄰兩磁體通孔圓心距離為 9 ?12mm〇
[0012] 可根據實際需要調整磁體通孔的位置和大小，達到調整電機的凸極率，增加調速 範圍的目的。
[0013] 作為進一步優選地，所述圓弧輔助槽的半徑為4. 8?5. 2mm，且圓弧輔助槽徑向中 心線與定子齒弧形端面徑向中心線呈2. 8°?3. 2°機械角度。
[0014] 作為進一步優選地，所述用於車削類電主軸的內嵌式永磁同步電機為6極27槽結 構。
[0015] 作為進一步優選地，所述每極磁極與轉子鐵心外圓周之間對應設置3個磁體通 孔。
[0016] 作為進一步優選地，所述三相繞組5為分數槽繞組分布，節距為4。
[0017] 總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，本發明所取得的 有益效果如下：
[0018] (1)轉子採用分段式斜極結構，各轉子鐵心間隔排列，減小了電機的氣隙磁場諧 波，增加電機氣隙磁場的正弦度，進一步削弱了電機的轉矩波動，提高了車削類數控工具機的 加工精度；
[0019] (2)轉子磁極採用內嵌式V形結構，提高了電機的轉矩密度、功率密度和效率，增 大了電機的調速比；
[0020] (3)通過採用轉子鐵心的磁體通孔結構，一方面可調整電機的凸極率，增加電機的 調速範圍，滿足車削類永磁電主軸電機調速範圍寬和高速運行工況的要求，另一方面為轉 子提供通風口，加快轉子鐵心和永磁體散熱，減小轉子過熱和軸承過熱的風險，提高永磁體 抗不可逆退磁的能力，提高了電主軸系統的壽命；
[0021] (4)通過在定子外壁上設置水冷卻管道槽，一方面增大與定子鐵心接觸的冷卻面 積，另一方面將冷卻銅管嵌於水冷卻管道槽內，水流在冷卻銅管中流通，帶走定子熱量；且 結構簡單，加工簡單且成本低，提高電機轉矩密度和功率密度的同時，加快了電機的散熱， 提1? 了電機的壽命；
[0022] (5)定子齒端面採用雙圓弧輔助槽結構，提高電機轉矩密度的同時，削弱了電機的 齒槽轉矩，減小了電機的氣隙磁場諧波，提高了氣隙磁場和反電勢的正弦度，減小了電機的 轉矩波動和轉速波動，提高了車削類數控工具機的加工精度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023] 圖1是本發明的整體結構示意圖；
[0024] 圖2是本發明的轉子結構示意圖；
[0025] 圖3是本發明的轉子鐵心橫截面結構示意圖；
[0026] 圖4是本發明的定子結構示意圖；
[0027] 圖5是本發明的定子鐵心結構示意圖；
[0028] 圖6為本發明的水冷卻管道槽結構示意圖。
[0029] 在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中：1 一刀具接 口、2 -轉軸、3 -前軸承、4 一前端蓋、5 -三相繞組、6 -定子、7 -冷卻管道槽、8 -機殼、 9 一轉子、10 -後端蓋、11 一後軸承、12 -光電編碼器、13 -永磁體、14 一永磁體槽、15 - 圓弧輔助槽、16 -磁體通孔、17 -後端蓋空心孔、18 -轉子鐵心、19 一定子齒、20 -定子軛 部、21 -絕緣層、22 -定子槽、23-軸孔
【具體實施方式】
[0030] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並 不用於限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要 彼此之間未構成衝突就可以相互組合。
[0031] 如圖1所示，用於車削類電主軸的內嵌式永磁同步電機包括：刀具接口 1、轉軸2、 前軸承3、前端蓋4、後軸承11、後端蓋10、光電編碼器12、轉子9、定子6,其中，刀具接口 1 位於轉軸2的最前端，用於連接車削類數控工具機的刀具；前端蓋4通過前軸承3安裝在轉軸 2的前端,後端蓋10通過後軸承11安裝在轉軸2的後端上，且前端蓋4和後端蓋10分別與 機殼8的前、後端固連，共同構成電機的外殼；光電編碼器12固定在後端蓋10與後軸承11 之間，定子6固定在機殼8內壁上，轉子9套設於轉軸2上並與定子6相對間隔設置。
[0032] 如圖2所示，用於車削類電主軸的內嵌式永磁同步電機的轉子9為分段式斜極結 構，包括沿轉軸軸向間隔分布的3個轉子鐵心，且各個轉子鐵心與其相鄰的前一轉子鐵心 按順時針方向旋轉3°機械角布置，每個轉子鐵心中心位置設有允許轉軸貫穿的軸孔2,遠 離軸孔2外側並沿轉子鐵心周向均勻間隔設置多極磁極13,其中，永磁體13的充磁方向為 平行充磁，每級磁極各自由一對長方體結構且嵌入在永磁體槽14內的永磁體13組成，且每 一對永磁體13形成張角為150度機械角度且開口向外的V型結構；此外，在每極磁極與轉 子鐵心18外圓周之間對應設置多個磁體通孔16,各個磁體通孔均沿轉子鐵心18周向間隔 排列，磁體通孔的半徑為3?4_，相鄰兩磁體通孔圓心距離為9?12mm，可根據實際需要 調整磁體通孔的位置和大小，達到調整電機的凸極率，增加調速範圍的目的。
[0033] 如圖3所示，本實施例中有6極磁極，每極磁極由一對永磁體13組成，每一對永磁 體13形成張角為150度機械角度且開口向外的V型結構，此外，每極磁極與轉子鐵心外圓 周之間對應設置3個磁體通孔。
[0034] 如圖4所示，定子6包括定子鐵芯，該定子鐵芯的外壁上形成有多個冷卻管道槽7， 這些冷卻管道槽為矩形螺旋槽並用於嵌入冷卻銅管；定子鐵芯的內壁上具備多個沿其周向 排列的定子齒19,每個定子齒19的弧形端面上設置兩個圓弧輔助槽15 ;相鄰定子齒19間 形成定子槽22,用於嵌入三相繞組5,其中，定子槽22優選為27個，形成27槽結構。
[0035] 如圖5所示，定子齒19位於定子內壁並沿其周向排列，每個定子齒19的弧形端面 上設置兩個圓弧輔助槽15 ;圓弧輔助槽的半徑為4. 8?5. 2mm，且圓弧輔助槽徑向中心線與 定子齒弧形端面徑向中心線呈2. 8°?3. 2°機械角度；三相繞組5嵌放於定子槽內，用於 感應電勢、產生電磁轉矩，以實現能量轉換；嵌放於冷卻管道7的冷卻銅管和三相繞組5出 線端從後端蓋10中的後端蓋空心孔17接出，三相繞組5出線端與電機控制器連接。
[0036] 如圖6所示，冷卻管道槽7為矩形螺旋槽，冷卻銅管嵌於冷卻管道槽內，水流在冷 卻銅管中流通，帶走定子熱量。
[0037] 本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以 限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含 在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1. 一種用於車削類電主軸的內嵌式永磁同步電機，該電機包括：由轉軸（2)、前軸承 (3)、前端蓋（4)、後軸承（11)、後端蓋（10)以及機殼（8)共同構成的電機外殼、固定在機殼 (8)內壁的定子￠)以及套設於轉軸（2)上並與定子（6)相對間隔設置轉子（9)，其特徵在 於， 所述轉子（9)為分段式斜極結構，包括沿轉軸軸向間隔分布的多個轉子鐵心，且各個 轉子鐵心（18)與其相鄰的前一轉子鐵心（18)按順時針方向旋轉3°機械角布置，每個轉子 鐵心中心位置設有允許轉軸貫穿的軸孔（23)，遠離軸孔（23)外側並沿轉子鐵心周向均勻 間隔設置多極磁極，每級磁極各自由一對長方體結構且嵌入在永磁體槽（14)內的永磁體 (13)組成，且每一對永磁體形成張角為150度機械角且開口向外的V型結構；此外，在每極 磁極與轉子鐵心（18)外圓周之間還對應設置多個磁體通孔（16)，各個磁體通孔均沿周向 間隔排列； 所述定子（6)包括定子鐵芯，該定子鐵芯的外壁上形成有多個冷卻管道槽（7)，這些冷 卻管道槽為矩形螺旋槽並用於嵌入冷卻銅管；定子鐵芯的內壁上具備多個沿其周向排列的 定子齒（19)，每個定子齒（19)的弧形端面上設置兩個圓弧輔助槽（15);相鄰定子齒（19) 間形成定子槽（22)，用於嵌入三相繞組（5)。
2. 如權利要求1所述的用於車削類電主軸的內嵌式永磁同步電機，其特徵在於，所述 永磁體的充磁方向為平行充磁。
3. 如權利要求1或2所述的用於車削類電主軸的內嵌式永磁同步電機，其特徵在於，所 述磁體通孔的半徑為3?4_，相鄰兩磁體通孔圓心距離為9?12_。
4. 如權利要求1或2所述的用於車削類電主軸的內嵌式永磁同步電機，其特徵在於，所 述圓弧輔助槽的半徑為4. 8?5. 2mm，且圓弧輔助槽徑向中心線與定子齒弧形端面徑向中 心線呈2. 8°?3. 2°機械角度。
5. 如權利要求1-4任意一項所述的用於車削類電主軸的內嵌式永磁同步電機，其特徵 在於，所述用於車削類電主軸的內嵌式永磁同步電機為6極27槽結構。
6. 如權利要求1-5任意一項所述的用於車削類電主軸的內嵌式永磁同步電機，其特徵 在於，所述每極磁極與轉子鐵心外圓周之間對應設置3個磁體通孔。
7. 如權利要求1-6任意一項所述的用於車削類電主軸的內嵌式永磁同步電機，其特徵 在於，所述三相繞組5為分數槽分布繞組，節距為4。
【文檔編號】H02K1/20GK104113154SQ201410242514
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年6月3日 優先權日:2014年6月3日
【發明者】楊凱, 潘志城 申請人:華中科技大學