一種二極永磁交流伺服電機的內嵌式轉子的製作方法

2023-05-27 13:17:36 1

本發明涉電機領域，尤其涉及永磁交流伺服電機，具體地說是一種二極永磁交流伺服電機的內嵌式轉子。

背景技術：

現代交流伺服電機結構，包括機殼、端蓋、定子和轉子。其轉子結構如圖1所示，包括永磁體1、導磁體2和轉軸3。通常永磁體放在轉子上。大部分伺服電機採用外貼式結構，即將永磁體1放在導磁2外表面。永磁體1可採用瓦形磁鋼(如圖1和圖2所示)或環形磁鋼(如圖3和圖4所示)。前者磁場較強但磁鋼外表面須加固；後者磁鋼外表面不需加固，但磁場相對較弱。

另一種轉子結構為內嵌式結構，此時將永磁體1放置在導磁體2的內部，如如圖5和圖6所示。

永磁交流伺服電機的常用極數為4、6、8、10極，極數越多則轉速越低。因而上述轉子結構的伺服電機的通常應用於不大於10000rpm場合，否則電機會產生很高的溫升，無法正常運行。理論上說，採用二極伺服電機則有利於提高轉速。然而，二極永磁交流伺服電機的氣隙磁場的優化又相當困難，因此很少有二極永磁交流伺服電機。

技術實現要素：

本發明要解決的是現有技術存在的問題，旨在提供一種二極永磁交流伺服電機的內嵌式轉子，通過優化永磁體的排列、優化導磁體內部放置永磁體的扁平容置槽的幾何尺寸，使氣隙磁場接近正弦。

為解決上述問題，本發明採用以下技術方案：一種二極永磁交流伺服電機的內嵌式轉子，包括永磁體、導磁體和轉軸，其特徵在於所述的導磁體包括兩個半圓柱體和一個寬度與半圓柱體的直徑相同的長方體，所述兩個半圓柱體的底平面分別與長方體的上下表面連接；每個半圓柱體上對稱開設有一個三段式結構容置槽，包括頂部的水平段、兩側的第一斜面段和第二斜面段，所述的永磁體與所述的容置槽的結構相同並置於所述的容置槽內；並且：

容置槽的第一斜面段和第二斜面段的夾角為120±20度；

永磁體的水平段頂部與半圓柱體的底平面之間的距離與半圓柱體的底平面半徑(R)之比為0.88～0.92；

半圓柱體的底平面的半徑與長方體的高度之比為6～10；

半圓柱體的底平面的半徑與永磁體的兩個斜面段的長度之比為0.78～1.28；

半圓柱體的底平面的半徑與永磁體的兩個斜面段的厚度之比為8～12；

永磁體的頂部水平段的厚度等於或略小於兩個斜面段的厚度。

本發明的一種二極永磁交流伺服電機的內嵌式轉子，優化永磁體的排列，同時優化導磁體內部放置永磁體的扁平容置槽的幾何尺寸，通過有限元的分析和計算，大大抑制了五次以上的高次諧波，使氣隙磁場接近正弦。由於本發明的交流伺服電機為二極結構，因而可應用於高速轉動的場合，拓展了伺服電機的應用領域。

進一步地，所述的永磁體可以為整體式結構，也可以為分體式結構。當採用後者結構時，至少其中一個斜面段為獨立的單元。

一個優選的實施方式，所述的永磁體的頂部水平段和兩個斜面段分別為獨立的單元。各獨立單元可以分別裝入導磁體上的容置槽內，相鄰單元之間不留空隙。各獨立單元也可以先粘接成一體，而後裝入導磁體上的容置槽內。

進一步地，所述半圓柱體兩個斜面段底部還留有缺口，用於阻止上半圓柱體永磁體二個斜面的磁通不經過氣隙直接跑到下半圓柱體的永磁體。所述的缺口能夠增加上下半圓內的永磁體之間的磁阻，使一個磁極的盡能多的磁力線均經由電機的氣隙和定子然後返回到轉子，從而轉子在轉動時對磁力線產生有效切割，提高電機的效率。

所述缺口與半圓柱體的半圓柱體的之間距離越小，則磁阻越大，從一個磁極的磁通不經過氣隙直接流到另一個磁極的磁通越少。但是，如果該距離太小，則不利於加工。所述缺口與半圓柱體的半圓柱體的之間的最短距離優選為0.3～0.8mm。

附圖說明

圖1是現有採用瓦形磁鋼的四極永磁交流伺服電機的外帖式轉子的結構示意圖。

圖2是圖1的A-A向剖視圖。

圖3是現有採用環形磁鋼的四極永磁交流伺服電機的外帖式轉子的結構示意圖圖。

圖4是圖3的B-B向剖視圖。

圖5和圖6是現有四極永磁交流伺服電機的內嵌式轉子的結構示意圖。

圖7是本發明一種二極永磁交流伺服電機的內嵌式轉子的結構示意圖。

圖8是本發明半圓柱體的結構示意圖。

圖9是本發明長方體的結構示意圖。

圖10是本發明永磁體的結構示意圖。

圖中，1-永磁體，2-半圓柱體，3-轉軸，4-長方體，101-永磁體的平面段，102-永磁體的第一斜面段，103-永磁體的第二斜面段，101-容置槽的平面段，202-容置槽的第一斜面段，203-容置槽的第二斜面段，204-半圓柱體的底平面，205-半圓柱體的的圓柱面，206-缺口。

具體實施方式

圖1-圖6是現有伺服電機的結構示意圖，其缺陷前面已經描述了，在此不再贅述。

參照圖7、圖8、圖9和圖10，本發明的一種二極永磁交流伺服電機的內嵌式轉子，包括永磁體1、導磁體和轉軸3，所述的導磁體包括兩個半圓柱體2和一個寬度與半圓柱體2的直徑相同的長方體4。所述兩個半圓柱體2的底平面204分別與長方體4的上下表面連接。

參照圖8，每個半圓柱體2上對稱開設有一個三段式結構容置槽，包括頂部的水平段201、兩側的第一斜面段202和第二斜面段20；這樣，整體容置槽形成面向底平面204的喇叭形結構。

參照圖10所述的永磁體1與所述的容置槽的結構相同，包括頂部的水平段101、兩側的第一斜面段102和第二斜面段103，並置於所述的容置槽內的相應位置處。

並且，本發明的參數滿足以下條件：

容置槽的第一斜面段202和第二斜面段203的夾角α為120±20度；

永磁體1的水平段101頂部與半圓柱體2的底平面204之間的距離G與半圓柱體的底平面半徑R之比為0.88～0.92；

半圓柱體2的底平面204的半徑R與長方體4的高度H之比為6～10；

半圓柱體2的底平面204的半徑R與永磁體1的兩個斜面段102，103的長度A之比為0.78～1.28；

半圓柱體2的底平面204的半徑R與永磁體1的兩個斜面段102，103的厚度B之比為8～12；

永磁體1的頂部水平段101的厚度F等於或略小於兩個斜面段102，103的厚度B。

所述的永磁體1可以為整體式結構，也可以為分體式結構。當採用後者結構時，至少其中一個斜面段102、103為獨立的單元。

一個優選的實施方式，所述的永磁體1的頂部水平段101和兩個斜面段102、103分別為獨立的單元。各獨立單元可以分別裝入導磁體上的容置槽內，相鄰單元之間不留空隙。各獨立單元也可以先粘接成一體，而後裝入導磁體上的容置槽內。所述的永磁體1為整體式結構。

各獨立單元可分別裝入導磁體上的容置槽內，相鄰單元之間不留空隙。

各獨立單元也可以粘接後裝入導磁體上的容置槽內。

在本實施方式中，永磁體1的三段結構均為獨立的單元，其中兩個斜面段102、103的橫截面為扁方形，水平段101的截面為梯形。

所述半圓柱體2兩個斜面段202，203底部還留有缺口206。該缺口206用於阻斷上下永磁體之間的短路，使所有磁力線均經由電機的氣隙和定子然後返回到轉子，從而轉子在轉動時對磁力線產生有效切割，提高電機的效率。所述缺口與半圓柱體的表面之間的最短距離為0.3～0.8mm。

在本實施例中，參數選擇如下：

永磁體的兩個斜面段的夾角α為120±20度

半圓柱體的半徑為R＝20±3mm，

長方體4的高度H＝4±2mm，

永磁體斜面段的長度A＝20±2mm，寬度B＝2±1mm，

永磁體水平段梯形上底長D＝8±3mm，下底長E＝10±2.5mm，高F＝2±1mm，

永磁體的水平段頂部與半圓柱體的底平面之間的距離G＝(0.88—0.92)*R；

缺口與永磁體外圓的最短距離C＝0.3～0.8mm。

經詳細的有限元分析，結果如表1所示：

表1

從表1可見，本發明的二極永磁交流伺服電機的內嵌轉子，導磁體的每個半圓柱體的容置槽中，每個兩個斜面段之間的夾角和頂部平面段的寬度對反電勢波形影響較大。採用本結構優化值尺寸後，反電勢波形的5次以上的高次諧波值達到比較理想結果。雖然其中的三次諧波仍較大，但是三相電機在實際使用時採用星形連接後，線電壓上的三次諧波被抵消，因而電機的整體波形非常接近正弦波。

應該理解到的是：上述實施例只是對本發明的說明，而不是對本發明的限制，任何不超出本發明實質精神範圍內的發明創造，均落入本發明的保護範圍之內。