三相對稱印製繞組的製作方法
2023-04-30 02:22:21 1
三相對稱印製繞組的製作方法
【專利摘要】本實用新型的三相對稱印製繞組，應用於高精度、高動態性能的伺服驅動電機。由4M（M為正整數）片的包含3N（N為≥4的正整數）根導體的導體片重疊而成，各片之間由絕緣坯布粘結，相鄰的兩片構成一組，每組中兩片導體片中的導體的外端頭相互均勻交叉錯開；一組中的兩片導體片中的導體的兩兩對齊的內端頭聯通，兩組中導體片中的導體的兩兩對齊的外端頭聯通；根據60°相帶三相繞組的規律在最上層和最下層的各6根導體斷開後獲得的6個分布式繞組，記為U+，U-，V+，V-，W+，W-，U+與U-相串聯得到U相繞組，V+與V-相串聯得到V相繞組，W+與W-相串聯得到W相繞組，三個相繞組的末端連接在一起。
【專利說明】三相對稱印製繞組
【技術領域】
[0001 ] 本實用新型涉及三相永磁同步電機,具體是三相永磁同步電機的三相對稱印製繞組。
【背景技術】
[0002]目前，公知的有齒有槽三相永磁同步電機由於定位轉矩和氣隙磁密畸變等先天缺陷，會使電機轉矩波動，產生振動和噪聲，出現轉速波動，使電機不能平穩運行，影響電機的性能。同時使電機產生不希望的振動和噪聲。在變速驅動中，當轉矩脈動頻率與定子或轉子的機械共振頻率一致時，定位轉矩產生的振動和噪聲將被放大。定位轉矩的存在同樣影響了電機在速度控制系統中的低速性能和位置控制系統中的高精度定位。
[0003]有齒有槽三相永磁同步電機的定位轉矩主要包括齒槽定位轉矩、定轉子雙凸極結構產生的定位轉矩等。永磁同步電機的電樞鐵心為了安放定子繞組必定存在齒槽，由於齒槽的存在，引起氣隙的不均勻，一個齒距內的磁通相對集中於齒部，使得氣隙磁導不是常數。當採用定轉子雙凸極結構時也會導致氣隙磁導不是常數的後果。當轉子旋轉時，氣隙磁場的貯能就發生變化，產生齒槽轉矩，這個轉矩是不變的，它與轉子位置有關，因而隨著轉子位置發生變化，就引起轉矩脈動。它與轉子的結構尺寸、定子齒槽的結構、氣隙的大小、磁極的形狀和磁場分布等有關,而與繞組如何放置在槽中和各相繞組中饋入多少電流等因素無關。齒槽轉矩是有齒有槽永磁電機的固有現象，它是在電樞繞組不通電的狀態下，由永磁體產生的磁場同電樞鐵心的齒槽作用在圓周方向產生的轉矩。它的產生來自於永磁體與電樞齒之間的切向力，使永磁電動機的轉子有一種沿著某一特定方向與定子對齊的趨勢，試圖將轉子定位在某些位置，由此趨勢產生的一種振蕩轉矩。
[0004]在永磁同步電動機中，公知的理論是:當電樞電流波形是正弦波，電動機反電動勢波形也設計為正弦波形，產生的電磁轉矩就是恆定的，不存在電磁轉矩的任何波動。因此電動機的性能在很大程度上取決於每相反電動勢波形，而反電動勢波形則最終由氣隙磁場波形所確定。為提高電機系統的效率、比功率，減小轉矩波動，一般將電動機氣隙磁場波形設計為正弦波。因此在電動機本體的設計中，首先存在的問題就是電動機氣隙磁場的正弦化設計問題。
[0005]但是由於定子開槽，永磁磁極產生的氣隙磁場波形會發生畸變，每相繞組反電動勢由放置在槽中的、數量較少的導體切割氣隙磁場而感應產生的反電動勢線性相加得到，導致每相繞組反電動勢波形包含較大的諧波分量，這些諧波分量與正弦波的電樞電流相互作用會產生電磁轉矩的較大波動。
[0006]目前，用來解決轉矩波動的措施主要有採用斜槽或斜極、分數槽法、閉口槽法和磁鋼形狀優化法等，但是收效甚小且引起更複雜的製造工藝。目前一種新結構的永磁同步電動機是採用軸向磁場、繞線盤式三相繞組，避免了定子開槽，從而能較大程度地減少轉矩脈動。但是所採用的繞線盤式三相繞組是由數量為幾十個的、事先用線模集中繞制好的多匝線圈按一定規律連接並用塑料固封得到，其缺點是散熱性能差、工藝複雜。由於每相繞組包含的線圈數量少、導體的幾何位置不能按需做優化設計，導致繞線盤式三相繞組的每相繞組反電動勢包含較大的諧波分量，引起較大的轉矩脈動。
實用新型內容
[0007]解決永磁同步電動機的轉矩脈動問題的關鍵是採用軸向磁場，同時採用無需定子開槽的、每相反電動勢的諧波分量很小的三相對稱繞組。該三相對稱繞組必須是由數量很多的、空間位置不同且容易優化導體坐標(對導體的形狀即空間坐標進行優化)的導體構成。顯然現有的繞線盤式三相繞組不能滿足這些要求。為了解決現有技術不能解決的問題，本實用新型提供一種三相對稱印製繞組，以滿足上述要求。
[0008]本實用新型的三相對稱印製繞組，其由4M片的包含3N根導體的導體片重疊而成，各片之間由絕緣坯布粘結，相鄰的兩片構成一組，每組中兩片導體片中的導體的外端頭相互均勻交叉錯開；一組中的兩片導體片中的導體的兩兩對齊的內端頭聯通，依次兩組導體片中的分屬於不同組的導體的兩兩對齊的外端頭聯通；根據60°相帶三相繞組的規律在最上層和最下層的各6根導體斷開後獲得的6個分布式繞組，記為U+，U-, V+，V-, W+，W-,U+與U-相串聯得到U相繞組，V+與V-相串聯得到V相繞組，W+與W-相串聯得到W相繞組，三個相繞組的末端連接在一起；
[0009]N為大於等於4的正整數；
[0010]M為正整數。
[0011]作為優選，N為21?91，M為I?3。
[0012]所述的導體片中的3N根導體，形狀相同且繞軸心均勻分布。
[0013]所述的導體片中的導體的形狀由銜接的五段構成:從內向外依次為直線段一漸開線或圓弧段一直線段一漸開線或圓弧段一直線段。此外，導體的形狀還可以是其它各種形狀，只要確保每組中兩片導體片中的導體的外端頭相互均勻交叉錯開即可。導體的形狀最簡單的一種就是為偏離軸心的直線段。
[0014]導體的形狀經過按照使得反電動勢諧波分量產生的轉矩脈動降為最小的要求進行的優化。對導體形狀的優化設計方法包括公知的各種成熟的最優化設計理論:如罰函數法或複合形法。
[0015]所述的導體片中的導體材料選用為厚度為0.1mnT0.5mm的銅、鋁、銅合金或鋁合金。
[0016]上述三相對稱印製繞組的特點是:
[0017]1.每相繞組的導體數量多，例如導體片上導體數等於3N=153，即N=51，採用4層結構，則每相繞組的導體數為3NX 4 (層)/3-12/3=4 (N-1) =200，每極每相導體數為多達5 ；
[0018]2.上述構成每相繞組的導體的空間位置都互不相同，是真正意義上的分布式繞組；
[0019]3.由於上述2個特點，很容易通過對導體的形狀(包括對配套的電機圓柱永磁體磁極半徑、磁極分布半徑等)參數進行優化來達到每相反電動勢諧波分量最小的目標；
[0020]4.因為導體片上的導體數為3N，所製作的三相印製繞組不論在空間上還是在電氣上都是嚴格對稱的；
[0021]5.因為多層導體片是利用絕緣坯布粘接成型，並且所有導體都是均勻分布而非集中，所以本實用新型的三相印製繞組更有利於散熱，具有更高的功率體積比。
[0022]本實用新型的三相印製繞組的每相反電動勢中引起轉矩波動的諧波分量總和可控制在0.5%(相對於基波)以內，由此引起的轉矩波動可控制在0.65%以內，遠遠小於其它類型繞組的3%?10%的轉矩波動。即使不進行優化，其產生轉矩脈動的反電動勢諧波分量總和為3.728%，也只是其它類型繞組的轉矩波動的下限值。經過優化設計後，產生轉矩脈動的反電動勢諧波分量總和降為0.4496%。
[0023]採用本實用新型三相對稱印製繞組的永磁同步電動機，由於轉矩脈動非常小，保證了電機在速度控制系統中的低速性能和位置控制系統中的高精度定位。
[0024]本實用新型製作的三相對稱印製繞組將廣泛應用於高精度、高動態性能的伺服驅動應用領域，具有很好的應用前景。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1是印製繞組衝片圖。
[0026]圖2是衝片與坯布示意圖。
[0027]圖3是組片製作示意圖。
[0028]圖4是繞組連接規律示意圖。
【具體實施方式】
[0029]下面結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。
[0030]本例的三相對稱印製繞組，由4片(4M中的M=I)包含63 (3N中的N=21)根導體的導體片重疊而成。
[0031 ] 為了詳細準確地描述產品，本例從產品製作的角度進行說明。
[0032]一、製作衝片:如圖1所示，在一張厚度0.3mm的均勻的銅合金片上，利用衝模或化學腐蝕製作衝片1001。衝片1001上均勻分布有數量為3N的衝槽1002，這些衝槽1002繞軸心均勻分布、形狀完全相同。3個小直徑的定位孔1010、1011和1012位於左下角，3個大直徑的定位孔1020、1021和1022位於右上角。衝槽1002的形狀由銜接的五段構成:從內向外依次為直線段一漸開線段一直線段一漸開線段一直線段。
[0033]每張衝片1001中的兩個衝槽1002之間的剩餘部分稱為導體。
[0034]所謂衝片即在一張導電材料的金屬片上製作出衝槽後得到的導體片。
[0035]二、製作組片:如圖2所示，將一片衝片1001翻轉，此時的衝槽1002與圖1的衝槽1002是互為鏡像的。衝片1001的定位孔1010、1020套進夾具的定位銷後呈水平放置，在該衝片上定位並放置絕緣坯布2001。如圖3所示，再將一片圖1的衝片1001的定位孔1010、1020套進定位銷，利用夾具加壓加熱保溫，利用絕緣坯布2001的粘接作用將兩片衝片1001粘接在一起。此時兩片衝片1001的導體內端頭3001是兩兩對齊的(由於翻轉疊放，漸開線或圓弧段的方向恰好相反，所以外端頭3002並沒有重疊對齊，而是相互均勻交叉錯開)，利用夾具或衝模將導體內端頭3001以內的部分去除，再將兩兩對齊的導體內端頭(共有6N根導體1003內外端頭)焊接起來，得到的部件稱為組片。
[0036]三、製作閉合的印製繞組:在圖3中，組片中兩片衝片由於第一片是翻轉的，所以兩片衝片的外端頭3002並沒有重疊對齊，而是相互均勻交叉錯開，組片在外端部共有6N個外端頭3002。
[0037]取兩個組片，在兩個組片之間放置絕緣坯布，通過定位孔套入定位銷使兩個組片的外端頭重疊對齊，利用夾具加壓加熱保溫，利用絕緣坯布的粘接作用將兩個組片粘接在一起。利用夾具或衝模將導體外端頭3002以外的部分去除，再將兩兩對齊的導體外端頭3002焊接起來，得到的部件稱為閉合的印製繞組。
[0038]這樣的閉合的印製繞組由4片衝片1001構成，共有12N根導體1003通過內外端頭的焊接串聯起來。為了弄清楚這個閉合的印製繞組中導體的連接規律，假設3N=63(N=21)，如圖4所示，從繞組最上層起編號為第I層到第4層共4層。逆時針對第I層的3N=63根導體從01到63進行編號，與第I層某編號導體相連接的其它各層導體的編號後2位與第I層導體編號相同。如圖4，不妨假設從第I層第63根導體63開始，通過外端頭與第4層的導體4463連接，然後通過內端頭與第3層的導體4363連接，再通過外端頭與第2層的導體4263連接，最後通過內端頭與第I層的導體25連接，接下來依次相連的導體為4425、4325、4225、50、4450、4350、4250、12、4412、4312、4212、37、4437、4337、4237、62，由此可見從第I層的第63根導體63開始，經過2個圓周回到與之相鄰的第I層第62根導體62，不斷地重複這種規律，直到將所有的導體都串聯起來，形成一個閉合的印製繞組。
[0039]四、製作三相對稱印製繞組:根據60°相帶三相繞組的規律，一對磁極下的導體依次屬於U+, W-, V+, U-, W+, V-,共有6個相帶。把屬於U+(或U-)的導體從閉合的繞組中分離出來即可得到U+(或U-)線圈，再把U+、U-線圈串聯起來即可得到三相繞組的U相繞組。V相、W相與U相在空間上對稱分布,從閉合的繞組中分尚出來並連接的方法與U相的相同。對於本例一層導體數量為3N=63，磁極的極對數為5，則每極每相導體數為2。如圖4中，第I層的第62根導體62、第61根導體61屬於U+相帶，為了把U+的導體從閉合的繞組中分離出來，需要剪斷第I層的第63根導體63，並從與之連接的第4層導體4463的外端頭引出作為U+線圈的首端4001，圖4中屬於U+的第I層導體有25、50、15、37、62、24、49、14、36、61，其規律是按跨距為25根進行連接，最後從第I層的第61根導體61的外端頭引出作為U+線圈的末端4002，並把與之連接的第4層導體4461剪斷，至此得到了 U+線圈。運用同樣的方法，剪斷第I層導體編號為3N/3=63/3=21的導體，並從與之連接的第4層導體的外端頭引出作為V+線圈的首端，從第I層導體編號為19的外端頭引出作為V+線圈的末端，並剪斷與之連接的第4層導體，即可得到V+線圈；剪斷第I層導體編號為6N/3=42的導體，並從與之連接的第4層導體的外端頭引出作為W+線圈的首端，從第I層導體編號為40的外端頭引出作為W+線圈的末端，並剪斷與之連接的第4層導體，即可得到W+線圈。
[0040]根據相帶的順序，V+之後就是U-，V+的末端是第I層編號為19的導體，繞組跨距為25，所以剪斷第I層編號為19+25=44的導體，並從與之連接的第4層導體的外端頭引出作為U-線圈的末端，由於U-之後是W+，第I層導體編號為42的導體已被剪斷，因此從第I層編號為42-25=17的導體(同時剪斷與之相連的第4層導體)引出作為U-的首端；運用同樣的方法，剪斷第I層編號為2的導體，並從與之連接的第4層導體的外端頭引出作為V-線圈的末端，從第I層編號為38的導體(同時剪斷與之相連的第4層導體)引出作為V-的首端；剪斷第I層編號為23的導體，並從與之連接的第4層導體的外端頭引出作為W-線圈的末端，從第I層編號為59的導體(同時剪斷與之相連的第4層導體)引出作為W-的首端。
[0041]至此通過剪斷第I層和第4層共12根導體，獲得了 U+，W-，V+，U-, W+，V-共6個線圈，將U+線圈的末端和U-線圈的首端連接得到U相繞組，同法獲得V相、W相繞組，最後將U、V、W連接成星形連接，得到對稱的三相印製繞組。
【權利要求】
1.三相對稱印製繞組，其特徵是:其由41片的包含3^根導體的導體片重疊而成，各片之間由絕緣坯布粘結，相鄰的兩片構成一組，每組中兩片導體片中的導體的外端頭相互均勻交叉錯開；一組中的兩片導體片中的導體的兩兩對齊的內端頭聯通，依次兩組導體片中的分屬於不同組的導體的兩兩對齊的外端頭聯通；根據60。相帶三相繞組的規律在最上層和最下層的各6根導體斷開後獲得的6個分布式繞組，記為肝，[-，^+, I，1+，1-，肝與口-相串聯得到I相繞組，乂+與乂-相串聯得到乂相繞組，1+與1-相串聯得到評相繞組，三個相繞組的末端連接在一起； ?為大於等於4的正整數； 1為正整數。
2.根據權利要求1所述的三相對稱印製繞組，其特徵是:所述的導體片中的3^根導體，形狀相同且繞軸心均勻分布。
3.根據權利要求1或2所述的三相對稱印製繞組，其特徵是4為21?91，1為1?3。
4.根據權利要求1所述的三相對稱印製繞組，其特徵是:所述的導體片中的導體的形狀由銜接的五段構成:從內向外依次為直線段一漸開線或圓弧段一直線段一漸開線或圓弧段一直線段。
5.根據權利要求1所述的三相對稱印製繞組，其特徵是:所述的導體片中的導體的形狀為偏離軸心的直線段。
6.根據權利要求1所述的三相對稱印製繞組，其特徵是:所述的導體片中的導體材料選用為厚度為0.1111111^0.5臟的銅、招、銅合金或招合金。
【文檔編號】H02K3/26GK204168030SQ201420507668
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年9月4日 優先權日:2014年9月4日
【發明者】黃植功 申請人:廣西師範大學