专利名称：一种无刷永磁交流伺服电动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种永磁电动机，特别是一种磁路经过特殊设计的具有新颖磁路结构的无刷永磁交流伺服电动机。
目前，由于变频器供电电流波形大都是矩形波，永磁电动机的磁场及反电势也容易制成矩形波，控制系统也比较简单，因而早期的调速电动机及其系统采用矩形波。国外习惯上把这类电动机称作无刷直流电动机，用量很大。但由于电动机中的理想波形是正弦波，采用矩形波后使磁通密度谐波和电流谐波的分量增大，增加了该种电机的功率损耗、振动和噪声，从而降低了其位置控制精度和效率，使之不能用于要求高精度的调速系统中。
近年来，电力电子元件和技术的迅猛发展，变频器提供正弦波电流已不困难，而且价格大幅降低。这就要求永磁电动机的磁场和反电动势波形也是正弦波。为区别计，这类电机称作永磁无刷交流伺服电动机，有时又简称为无刷交流伺服电动机或永磁同步电动机。
无刷交流伺服电动机由于其高效、节能、功率密度高、转矩密度高，而在电动车驱动领域及其他调速驱动领域得到了广泛应用。现有无刷交流伺服电动机的转子内置永磁体磁路结构主要分为径向式结构、切向式结构和混合式结构，由于在永磁体槽和转子表面之间的磁导相对比较大，所以从转子表面看永磁磁密波形为梯形波，从而增加了该种电动机的功率损耗及振动和噪声，使该种电动机的优势性能还不能充分发挥出来。
在研究中发现，传统的永磁体磁路结构经过改进虽然也有作到正弦波的，但是其还存在对磁路结构的尺寸等参数限制过多、增加制造工艺难度、磁场幅值低于永磁材料的剩余磁感应强度(Br)等诸多问题，远不能满足大量推广应用的要求。例如，本申请人设计的实用新型专利“正弦永磁磁密波形永磁同步电动机(ZL00252876.2)”，曾采用偏心结构，使转子铁心外圆周的弧度和定子内圆周的弧度不相同，形成不均匀气隙，以提高电动机性能。该设计虽然改善了磁场波形，但制造工艺比较麻烦，磁场波形正弦性畸变率仍较高，未能从根本上解决问题。
本发明的目的是这样实现的该装置包括机座及组装其上的定子和由转轴、铁心、永磁体组成的转子。其中组成转子的特殊磁路结构的提供正弦规律分布永磁磁密波形的永磁体，采用分体式或整体式各向异性的永磁构件。
磁密按正弦分布的分体式各向异性的永磁构件，每极下的各向异性永磁体的数量一般选择2～5块。
磁密按正弦分布的整体式各向异性的永磁构件，可以制成环状、管状或筒状等形状。
由于本发明采用特殊磁路结构的能够提供正弦规律分布永磁磁密波形的分体式或整体式各向异性的永磁构件，所以很容易完成提供正弦规律分布的永磁磁密波形的任务，同时使电动机性能得到很大的改善。该装置永磁构件采用的特殊磁路结构设计与普通永磁体结构的磁路设计相比，具有实质性特点和显著的进步，它无需现有技术的斜槽和重叠绕组的结构，不仅可以充分发挥交流伺服电动机的高效节能作用，而且降低了制造成本；同时由于磁通密度的谐波分量较少，减少了功率损耗，大大降低了振动和噪声，提高了伺服电动机的位置控制精度和效率；并且可以使转矩密度提高。因此，本发明将在数控机床、机器人、电动车、电梯等要求高精度、高效的调速传动系统中，得到越来越广泛的应用。为保证电动机有良好的永磁磁密波形，在分体式各向异性的永磁构件中，每极下的各向异性永磁体的数量一般选择2～5块是最为合适的，这既可以保证其性能，又可以使其成本最小。为得到更好的永磁磁密波形，也可以合理增加分体式块状各向异性永磁构件每极下各向异性永磁体的数量。在磁密按正弦分布的整体式各向异性的永磁构件中，可以根据实际需要直接做出磁密按正弦规律分布的各向异性的环状、管状或筒状等形状的整体式永磁构件，能使磁密波形成为理想的正弦波。
图1是本发明转子具有分体式各向异性永磁构件的一种结构示意图。
图2是本发明转子具有整体式各向异性永磁构件的一种结构示意图。
图3是分体式构件每极2块各向异性永磁体结构的气隙磁密波形图。
图4是分体式构件每极3块各向异性永磁体结构的气隙磁密波形图。
图5是分体式构件每极4块各向异性永磁体结构的气隙磁密波形图。
图6是分体式构件每极5块各向异性永磁体结构的气隙磁密波形图。
图7是整体式各向异性永磁构件结构的气隙磁密波形图。
图8是现有永磁体径向结构磁路设计电动机的气隙磁密波形图。
为保证电动机有良好的永磁磁密波形，在分体式各向异性的永磁构件2中，应使每极下的各向异性永磁体的数量保持在一定范围内，一般情况下选择每极2～5块各向异性永磁体是最为合适的，这既可以保证其性能又可以使其成本最小。为得到更好的永磁磁密波形，可以合理增加分体式块状各向异性永磁构件2每极下各向异性永磁体的数量；整体式各向异性的永磁构件2中的永磁磁密波形是在制造工艺中给予保证的，可以根据实际需要直接做出所需环状、管状、筒状等形状的整体式永磁构件2，使磁密波形成为理想的正弦波。
采用本发明结构制造出一台样机，该样机为1.1kW 3000r/min(调速范围0～6000r/min)永磁交流伺服电动机。检测结果表明它与相同容量普通永磁体结构磁路设计的交流伺服电动机相比，重量由普通永磁体结构磁路设计的交流伺服电动机的18kg减少到13.5kg，效率由普通永磁体结构磁路设计的交流伺服电动机的77％提高到82％，噪声由普通永磁体结构磁路设计的交流伺服电动机的71dB降到60dB，其控制精度可达到0.05％最高转速，低速转矩脉动由普通永磁体结构磁路设计的交流伺服电动机的≤10％额定转矩降到≤4％额定转矩。
权利要求
1.一种无刷永磁交流伺服电动机，包括机座及组装其上的定子和由转轴、铁心、特殊磁路结构的永磁体组成的转子，其特征在于组成转子的特殊磁路结构的提供正弦规律分布永磁磁密波形的永磁体，采用分体式或整体式各向异性的永磁构件。
2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于磁密按正弦分布的分体式各向异性的永磁构件，每极下的各向异性永磁体的数量为2～5块。
3.根据权利要求1所述的电机，其特征在于磁密按正弦分布的整体式各向异性的永磁构件，制成环状、管状、筒状。
全文摘要
一种无刷永磁交流伺服电动机,包括机座及组装其上的定子和由转轴、铁心、特殊磁路结构的永磁体组成的转子,其中组成转子的特殊磁路结构的提供正弦规律分布永磁磁密波形的永磁体,采用分体式或整体式各向异性的永磁构件。它可以提供正弦规律分布的永磁磁密波形,从而无需现有结构的斜槽和重叠绕组,简化了结构,降低了制造成本;同时提高了伺服电动机的位置控制精度和效率,降低了振动噪声,并且可以使转矩密度提高。
文档编号H02K1/27GK1348246SQ0112825
公开日2002年5月8日 申请日期2001年10月9日 优先权日2001年10月9日
发明者唐任远 申请人:沈阳工业大学