一种车床用宽调速范围主轴同步电的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种车床用宽调速范围主轴同步电机，包括定子铁心、定子槽内三相绕组、转子铁心和内嵌于转子铁心中的结构特殊的永磁体。定子铁心和转子铁心由硅钢片叠压而成，用铆钉固定，定子槽内导体为三相对称绕组，永磁体采用分层、分段的结构，并在转子结构中插入细长的、宽度不均匀的空心孔形成双层磁障，该空心孔对称分布在每极凹形永磁体靠近转轴的底部的两侧，横插于交轴磁路中，靠近定子侧倒角较大，靠近转轴侧倒角较小。本发明提出一种选取定子导体数的新方法，并通过一种新型转子结构，提高电枢反应磁势，减小主磁通，优化了电机的输出特性，达到了增大弱磁、提高最高转速的效果，使得主轴同步电机的调速范围大大拓宽。
【专利说明】—种车床用宽调速范围主轴同步电机
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种永磁电机，具体是一种能够提高电机输出性能和弱磁性能、具有宽调速范围的车床用主轴同步电机，属于电机【技术领域】。
【背景技术】
[0002]永磁同步电机由于其结构简单、效率高、功率因数高的优点，在工业、民用和国防等领域都得到了广泛的应用。但由于其直轴电感小，电枢反应小，所以弱磁性能差，调速范围窄，这就限制了其在对转速要求很高、要求电机具有很宽调速范围的主轴机床中的应用。车床用主轴电机要求电机在低速时具有较大转矩，随着转速升高，在高速运行时，需要弱磁升速来满足机床负载要求。永磁同步电机是利用定子绕组中的电流作用在直轴电感上产生的电枢反应，即直轴电枢磁场的去磁作用进行弱磁升速的。
[0003]但是同步电机转子结构中的永磁体作为磁动势源总是直接串联在直轴磁路上的，也占据了一部分的交轴磁路,使得电机的直轴电感很小，电机的电枢反应也很小，当永磁体正常励磁时，直轴电枢反应产生的去磁磁通仅仅只能将主磁通很小的一部分消除掉。即由于主轴电机同时要求低速的转矩输出能力也即一定的空载永磁磁链，又要求高速宽广的调速范围即较大的直轴电枢去磁反应和相对较小的空载永磁磁链，这些要求对于采用永磁体励磁的永磁电机来说是相互矛盾的，也正是永磁电机弱磁扩速难所带来的难以解决的矛盾问题。这些都限制了同步电机在主轴机床中的应用。
【发明内容】
[0004]本发明需要解决的技术问题是，克服上述车床主轴同步电机弱磁难的不足，提出一种选择定子导体数的方法，增大电机电枢反应，并提供了一种新型电机转子结构，应用于车床主轴同步电机上，解决目前主轴机床上拓宽电机调速范围的问题。
[0005]为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是:
[0006]一种车床用宽调速范围主轴同步电机，包括采用机械方法固定在车床转轴上的转子铁心，在转子铁心内嵌的特殊结构的永磁体，转子铁心外侧的定子铁心以及在定子铁心内开的定子槽中的三相绕组。其技术要点为，确定定子三相绕组导体数的依据是，使电机的电枢反应磁势接近永磁体磁势，这样由于永磁体的工作点的磁势总是小于永磁体磁势,所以电机电枢反应的去磁效果就会比较明显，进而提高电机的弱磁性能；同时，采用特殊的永磁体结构，具体是径向彼此分离的三层永磁体结构，对磁钢进行分段，这样可以改善电机的输出电压波形、气隙磁密波形，并且可以减小电机的齿槽转矩，减小低速时的转矩脉动；并在转子结构中插入细长的、宽度不均匀的空心孔，该空心孔对称分布在每极凹形永磁体靠近转轴的底部的两侧，横插于交轴磁路中，形成双层磁障，可以增大交轴磁路磁阻，减小交轴电感，更加有利于电机弱磁，拓宽车床主轴电机的调速范围。
[0007]本发明的有益效果是
[0008]1.本发明提供了一种选取定子三相绕组导体数的方法，该方法简单有效，既为电机的设计提供了便利，又增大了电机电枢反应，增加了直轴电枢反应的去磁作用，改善了弱磁性能，拓宽了车床主轴电机的调速范围。
[0009]2.本发明提供了一种特殊的转子内嵌式永磁体结构，该结构为径向彼此分离的三层永磁体，在每层永磁体间增加间隔，合理选择间隔和磁桥的宽度，可以使电机的气隙磁密波形更接近正弦波，大大改善电机的输出特性。
[0010]3.本发明在转子结构中插入细长的、宽度不均匀的空心孔形成双层磁障，横插于交轴磁路中，阻碍交轴磁场，增大交轴磁路磁阻，提高了电机的弱磁性能，大大拓展了用于车床的主轴电机的调速范围。
[0011]4.本发明一种车床用宽调速范围主轴同步电机的转子结构，采用三层分段的结构，在永磁体结构中加入了间隔，使得用于车床中的主轴电机的转矩脉动大大减小，提高了电机运行的稳定性，减小了电机运行时的噪音。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1车床用宽调速范围主轴同步电机结构图
[0013]图2车床用宽调速范围主轴同步电机A向结构视图
[0014]图3车床用宽调速范围主轴同步电机转子结构局部放大图
[0015]图中序号说明，1机壳、2定子三相绕组、3衬套、4定子铁心、5转子铁心、6键、7轴承、8机床主轴、9定子槽、10永磁体、11空心孔磁障、12磁桥、13永磁体间隔。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】进行详细说明。
[0017]本专利一种车床用宽调速范围主轴同步电机，如图1所示，定子铁心4内侧安装转子铁心5，定子铁心4和转子铁心5均由硅钢片叠压而成，位于定子铁心4中的定子槽9中装入三相绕组2，转子铁心5中内嵌式装入永磁体10。转子结构图如图2、图3所示，转子铁心5中内嵌装入径向彼此分离的三层永磁体10,永磁体与转子圆周之间、永磁体与细长的空心孔形成的双层磁障11之间有磁桥12，对靠近转轴8的第一层凹形永磁体的凹底部均分两段，中间层凹形永磁体凹形底部和侧部每部分都均分两段，靠近定子铁心4的第三层永磁体结构仅有一字型磁钢，将其均分两段，分段永磁体间存在永磁体间隔13。
[0018]放置在定子铁心4中的定子三相绕组2是由铜线或铝线叠绕而成的，定子槽9中的导体数的确定方法，是通过使电机电枢反应磁势尽可能接近永磁体磁势而选定的，这里所述的永磁体磁势是指，所设计电机的厚度与永磁体材料的矫顽力的乘积，因为永磁体工作点的磁势一定小于所述永磁体磁势，所以由此方法选取的定子三相绕组的直轴电枢去磁反应会比较大，对主磁通的弱磁效果会加强，电机的调速范围会大大扩展。
[0019]转子铁心5与转轴8之间有衬套3，转子铁心5与衬套3之间连接采用键槽过盈配合，转子铁心5中的永磁体10采用机械的方法加固，永磁体径向彼此分离的三层结构保证了气隙磁密波形的正弦性，也有利于提高车床主轴同步电机的最高转速。如图2所示，对永磁体进行分段后，有一部分磁通会通过永磁体之间的间隔，从而改变磁通的路径，减小主磁通，增大漏磁。合理的选择磁桥12与磁钢间隔13的长度，磁钢间隔13的位置，可以减小主轴电机的齿槽转矩和转矩脉动，这样可以满足车床主轴电机所要求的噪音小，稳定运行的特点，同时可以增大漏磁，提高电机的弱磁性能。永磁体间的间隔增大，电机的交、直轴电感会增大，漏磁增大，更加利于弱磁，但此时电机的永磁磁链由于漏磁的原因会下降，所以永磁体间的间隔宽度取适中即可。为了保证电机高速运行时的机械强度，转子圆周上的磁桥宽度不宜选取的太窄。
[0020]如图2、图3所示的细长的、宽度不均匀的空心孔形成双层磁障11，在转子铁心5中插入这样的双层磁障11可以阻碍交轴磁场，增大交轴磁路磁阻，但对直轴磁场的影响不大。改变磁障的厚度可以改变交轴和直轴的电感的大小，磁障的厚度增加，则直轴电感增大，交轴电感减小，大大拓宽了所述电机的调速范围。
[0021]以上对本发明所提供的一种车床用宽调速范围主轴同步电机做了详细的介绍，所述电机可以改善主轴电机的输出性能，大大拓宽电机的调速范围，使电机低速稳定运行时转矩脉动小，应用于车床时噪音小，调速范围广。
【权利要求】
1.一种车床用宽调速范围主轴同步电机，包括定子铁心、定子槽中放置的三相绕组、在定子铁心与转轴之间的转子铁心以及内嵌于转子铁心中的结构特殊的永磁体，其特征是，所述电机的转子结构为分层分段永磁体，在转子结构中插入细长的、宽度不均匀的空心孔。
2.根据权利要求1所述的一种车床用宽调速范围主轴同步电机，其特征是，定子铁心和转子铁心由多个冲片叠压而成，所述冲片为硅钢片。
3.根据权利要求1所述的一种车床用宽调速范围主轴同步电机，其特征是，所述电机的转子磁钢结构采用径向彼此分离的分层分段永磁体，每极至少三层永磁体，且从转子转轴侧至定子侧每段永磁体长度依次减少，磁钢间隔的位置和宽度、磁桥及磁钢间隔的长度逐渐变小，由此控制气隙磁场。
4.根据权利要求1所述的一种车床用宽调速范围主轴同步电机，其特征是，在转子结构中插入细长的、宽度不均匀的空心孔，该空心孔对称分布在每极凹形永磁体靠近转轴的底部的两侧，横插于交轴磁路中，靠近定子侧倒角较大，靠近转轴侧倒角较小，形成双层磁障。
【文档编号】H02K21/14GK104410234SQ201410168965
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年4月17日 优先权日:2014年4月17日
【发明者】刘景林, 卫丽超, 鲁家栋, 韩泽秀 申请人:西北工业大学