三相对称印制绕组的制作方法
【专利摘要】本发明公开了三相对称印制绕组的制作方法，尤其是能制作出转矩脉动非常小的三相对称印制绕组。利用冲片制作组片，并将组片制作成闭合印制绕组，再通过剪断去除闭合印制绕组的最上层和最下层的各6根导体，获得U+，U-，V+，V-,W+，W-共6个分布式绕组，最后将U+与U-相串联或并联得到U相绕组，按相同方法得到V相绕组和W相绕组，将三相绕组连接在一起，得到星形或三角形连接的三相对称印制绕组。利用优化设计方法对导体的形状包括对配套的电机圆柱永磁体的分布半径及其半径进行优化设计，使得反电动势谐波分量产生的转矩脉动降为最小。本发明制得的三相对称印制绕组应用于高精度、高动态性能的伺服驱动电机。
【专利说明】三相对称印制绕组的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及三相永磁同步电机,具体是三相永磁同步电机的三相对称印制绕组的 制作方法。
【背景技术】
[0002] 目前，公知的有齿有槽三相永磁同步电机由于定位转矩和气隙磁密畸变等先天缺 陷，会使电机转矩波动，产生振动和噪声，出现转速波动，使电机不能平稳运行，影响电机的 性能。同时使电机产生不希望的振动和噪声。在变速驱动中，当转矩脉动频率与定子或转 子的机械共振频率一致时，定位转矩产生的振动和噪声将被放大。定位转矩的存在同样影 响了电机在速度控制系统中的低速性能和位置控制系统中的高精度定位。
[0003] 有齿有槽三相永磁同步电机的定位转矩主要包括齿槽定位转矩、定转子双凸极结 构产生的定位转矩等。永磁同步电机的电枢铁心为了安放定子绕组必定存在齿槽，由于齿 槽的存在，引起气隙的不均匀，一个齿距内的磁通相对集中于齿部，使得气隙磁导不是常 数。当采用定转子双凸极结构时也会导致气隙磁导不是常数的后果。当转子旋转时，气隙 磁场的贮能就发生变化，产生齿槽转矩，这个转矩是不变的，它与转子位置有关，因而随着 转子位置发生变化，就引起转矩脉动。它与转子的结构尺寸、定子齿槽的结构、气隙的大小、 磁极的形状和磁场分布等有关，而与绕组如何放置在槽中和各相绕组中馈入多少电流等因 素无关。齿槽转矩是有齿有槽永磁电机的固有现象，它是在电枢绕组不通电的状态下，由永 磁体产生的磁场同电枢铁心的齿槽作用在圆周方向产生的转矩。它的产生来自于永磁体与 电枢齿之间的切向力，使永磁电动机的转子有一种沿着某一特定方向与定子对齐的趋势， 试图将转子定位在某些位置，由此趋势产生的一种振荡转矩。
[0004] 在永磁同步电动机中，公知的理论是：当电枢电流波形是正弦波，电动机反电动势 波形也设计为正弦波形，产生的电磁转矩就是恒定的，不存在电磁转矩的任何波动。因此电 动机的性能在很大程度上取决于每相反电动势波形，而反电动势波形则最终由气隙磁场波 形所确定。为提高电机系统的效率、比功率，减小转矩波动，一般将电动机气隙磁场波形设 计为正弦波。因此在电动机本体的设计中，首先存在的问题就是电动机气隙磁场的正弦化 设计问题。
[0005] 但是由于定子开槽，永磁磁极产生的气隙磁场波形会发生畸变，每相绕组反电动 势由放置在槽中的、数量较少的导体切割气隙磁场而感应产生的反电动势线性相加得到， 导致每相绕组反电动势波形包含较大的谐波分量，这些谐波分量与正弦波的电枢电流相互 作用会产生电磁转矩的较大波动。
[0006] 目前，用来解决转矩波动的措施主要有采用斜槽或斜极、分数槽法、闭口槽法和磁 钢形状优化法等，但是收效甚小且引起更复杂的制造工艺。目前一种新结构的永磁同步电 动机是采用轴向磁场、绕线盘式三相绕组，避免了定子开槽，从而能较大程度地减少转矩脉 动。但是所采用的绕线盘式三相绕组是由数量为几十个的、事先用线模集中绕制好的多匝 线圈按一定规律连接并用塑料固封得到，其缺点是散热性能差、工艺复杂。由于每相绕组包 含的线圈数量少、导体的几何位置不能按需做优化设计，导致绕线盘式三相绕组的每相绕 组反电动势包含较大的谐波分量，引起较大的转矩脉动。
【发明内容】
[0007] 解决永磁同步电动机的转矩脉动问题的关键是采用轴向磁场，同时采用无需定子 开槽的、每相反电动势的谐波分量很小的三相对称绕组。该三相对称绕组必须是由数量很 多的、空间位置不同且容易优化导体坐标(对导体的形状即空间坐标进行优化）的导体构 成。显然现有的绕线盘式三相绕组不能满足这些要求。为了解决现有技术不能解决的问题， 本发明提供三相对称印制绕组的制作方法，其制作出来的三相对称印制绕组能满足上述要 求。
[0008] 三相对称印制绕组的制作方法，包括下述步骤： A) 制作冲片：在厚度均匀的导电片上，通过冲模或化学腐蚀获得绕轴心均匀分布的、数 量为3N、形状相同的冲槽，同时在冲槽所属区域的外部制作出多个定位孔，即得冲片； B) 制作组片：将一片冲片的定位孔套进定位销后水平放置，在该冲片上定位并放置绝 缘坯布，再将另一片冲片翻转后用定位销定位，使两片冲片的导体的内端头两两对齐，加压 加热保温，使绝缘坯布将两片冲片粘接在一起；将内端头以内的部分去除，再将两两对齐的 内端头焊接起来，即得组片； C) 制作闭合的印制绕组：两个组片之间放置绝缘坯布，通过定位孔套入定位销使两个 组片的导体的外端头重叠对齐，加压加热保温，使绝缘坯布将两个组片粘接在一起；将外端 头以外的部分去除，再将两两对齐的外端头焊接起来，即得闭合的印制绕组； D )制作三相对称印制绕组：采用60°相带，将闭合的印制绕组通过剪断去除最上层 和最下层的各6根导体，获得6个分布式绕组，记为U+，U-，V+，V-，W+，W-;将U+与U-相串 联得到U相绕组，将V+与V-相串联得到V相绕组，将W+与W-相串联得到W相绕组，将三 个相绕组的末端连接在一起，得到星形连接的三相对称印制绕组； 其中，N为大于等于4的正整数； 每张冲片中的两个冲槽之间的剩余部分称为导体。
[0009] 本发明中，所述的导电片选用厚度为0. 1mm?0. 5mm的铜、铝、铜合金或铝合金片。
[0010] 在所述的步骤A)，冲槽的形状由衔接的五段构成：从内向外依次为直线段一渐开 线或圆弧段一直线段一渐开线或圆弧段一直线段。此外，导体的形状还可以是其它各种形 状，只要确保每组中两片导体片中的导体的外端头相互均匀交叉错开即可。导体的形状最 简单的一种就是为偏离轴心的直线段。
[0011] 在所述的步骤C)，制作闭合的印制绕组时，组片的数量为2?6组。
[0012] 本发明中，N为21?91。
[0013] 本发明还利用利用优化设计方法对导体的形状(包括对配套的磁极半径和/或磁 极分布半径等参数）进行优化，使得反电动势谐波分量产生的转矩脉动降为最小。
[0014] 所述对导体形状的优化设计方法包括公知的各种成熟的最优化设计理论：如罚函 数法或复合形法。
[0015] 本发明还提供根据上述所述方法制作的三相对称印制绕组。
[0016] 上述三相对称印制绕组的特点是： 1. 每相绕组的导体数量多，例如冲片导体数等于3N=153,采用4层结构，则每相绕组的 导体数为3NX 4 (层）/3-12/3=4 (N-1) =200,每极每相导体数为多达5 ; 2. 上述构成每相绕组的导体的空间位置都互不相同，是真正意义上的分布式绕组； 3. 由于上述2个特点，很容易通过对导体的形状(包括对配套的磁极半径和/或磁极分 布半径等参数）进行优化来达到每相反电动势谐波分量最小的目标； 4. 因为冲片上的导体数为3N，所制作的三相印制绕组不论在空间上还是在电气上都 是严格对称的； 5. 因为多层冲片是利用绝缘坯布粘接成型，并且所有导体都是均匀分布而非集中，所 以本发明的三相印制绕组更有利于散热，具有更高的功率体积比。
[0017] 本发明的有益效果是，提供了一种制作三相对称印制绕组的方法，尤其是能制作 出转矩脉动非常小的三相对称印制绕组，并通过对导体的形状、磁极半径、磁极分布半径等 参数进行优化来达到每相反电动势谐波分量最小的目标。理论分析和数值计算表明，本发 明的三相印制绕组的每相反电动势中引起转矩波动的谐波分量总和可控制在0. 5%(相对 于基波）以内，由此引起的转矩波动可控制在〇. 65%以内，远远小于其它类型绕组的3%? 10%的转矩波动。即使不进行优化，其产生转矩脉动的反电动势谐波分量总和为3. 728%，也 只是其它类型绕组的转矩波动的下限值。采用本发明制作的三相对称印制绕组的永磁同步 电动机，由于转矩脉动非常小，保证了电机在速度控制系统中的低速性能和位置控制系统 中的高精度定位。
[0018] 本发明制作的三相对称印制绕组将广泛应用于高精度、高动态性能的伺服驱动应 用领域，具有很好的应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 图1是印制绕组冲片图。
[0020] 图2是冲片与坯布示意图。
[0021] 图3是组片制作示意图。
[0022] 图4是绕组连接规律示意图。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0024] 制作冲片：如图1所示，在一张厚度（0· 10mm?0· 35mm)均匀的铜（或铝）合金片 上，利用冲模或化学腐蚀制作冲片1001。冲片1001上均匀分布有数量为3N的冲槽1002， 这些冲槽1002绕轴心均匀分布、形状完全相同。3个小直径的定位孔1010、1011和1012位 于左下角，3个大直径的定位孔1020、1021和1022位于右上角。冲槽1002的形状由衔接 的五段构成：从内向外依次为直线段一渐开线或圆弧段一直线段一渐开线或圆弧段一直线 段。
[0025] 每张冲片1001中的两个冲槽1002之间的剩余部分称为导体。
[0026] 制作组片：如图2所示，将一片冲片1001翻转，此时的冲槽1002与图1的冲槽 1002是互为镜像的。冲片1001的定位孔1010、1020套进夹具的定位销后呈水平放置，在该 冲片上定位并放置绝缘坯布2001。如图3所示，再将一片图1的冲片1001的定位孔1010、 1020套进定位销，利用夹具加压加热保温，利用绝缘坯布2001的粘接作用将两片冲片1001 粘接在一起。此时两片冲片1001的导体内端头3001是两两对齐的，利用夹具或冲模将导 体内端头3001以内的部分去除，再将两两对齐的导体内端头焊接起来，得到的部件称为组 片。
[0027] 制作闭合的印制绕组：在图3中，组片中两片冲片由于第一片是翻转的，所以两片 冲片的外端头3002并没有重叠对齐，而是相互均匀交叉错开，组片在外端部共有6N个外端 头 3002。
[0028] 取两个组片，在两个组片之间放置绝缘坯布，通过定位孔套入定位销使两个组片 的外端头重叠对齐，利用夹具加压加热保温，利用绝缘坯布的粘接作用将两个组片粘接在 一起。利用夹具或冲模将导体外端头3002以外的部分去除，再将两两对齐的导体外端头 3002焊接起来，得到的部件称为闭合的印制绕组。
[0029] 这样的闭合的印制绕组由4片冲片1001构成，共有12N根导体1003通过内外端头 的焊接串联起来。为了弄清楚这个闭合的印制绕组中导体的连接规律，假设3N=63(N=21)， 如图4所示，从绕组最上层起编号为第1层到第4层共4层。逆时针对第1层的3N=63根 导体从01到63进行编号，与第1层某编号导体相连接的其它各层导体的编号后2位与第 1层导体编号相同。如图4,不妨假设从第1层第63根导体63开始，通过外端头与第4层 的导体4463连接，然后通过内端头与第3层的导体4363连接，再通过外端头与第2层的 导体4263连接，最后通过内端头与第1层的导体25连接，接下来依次相连的导体为4425、 4325、4225、50、4450、4350、4250、12、4412、4312、4212、37、4437、4337、4237、62,由此可见从 第1层的第63根导体63开始，经过2个圆周回到与之相邻的第1层第62根导体62,不断 地重复这种规律，直到将所有的导体都串联起来，形成一个闭合的印制绕组。
[0030] 制作三相对称印制绕组：根据60°相带三相绕组的规律，一对磁极下的导体依次 属于11+，1-，￥+，11-，1+，￥-，共有6个相带。把属于11+(或11-)的导体从闭合的绕组中分离 出来即可得到U+(或U-)线圈，再把U+、U-线圈串联起来即可得到三相绕组的U相绕组。V 相、W相与U相在空间上对称分布，从闭合的绕组中分尚出来并连接的方法与U相的相同。 对于本例一层导体数量为3N=63,磁极的极对数为5,则每极每相导体数为2。如图4中，第 1层的第62根导体62、第61根导体61属于U+相带，为了把U+的导体从闭合的绕组中分 离出来，需要剪断第1层的第63根导体63,并从与之连接的第4层导体4463的外端头引出 作为U+线圈的首端4001，图4中属于U+的第1层导体有25、50、15、37、62、24、49、14、36、 61，其规律是按跨距为25根进行连接，最后从第1层的第61根导体61的外端头引出作为 U+线圈的末端4002,并把与之连接的第4层导体4461剪断，至此得到了 U+线圈。运用同 样的方法，剪断第1层导体编号为3N/3=63/3=21的导体，并从与之连接的第4层导体的外 端头引出作为V+线圈的首端，从第1层导体编号为19的外端头引出作为V+线圈的末端， 并剪断与之连接的第4层导体，即可得到V+线圈；剪断第1层导体编号为6N/3=42的导体， 并从与之连接的第4层导体的外端头引出作为W+线圈的首端，从第1层导体编号为40的 外端头引出作为W+线圈的末端，并剪断与之连接的第4层导体，即可得到W+线圈。
[0031] 根据相带的顺序，V+之后就是u-，v+的末端是第1层编号为19的导体，绕组跨距 为25,所以剪断第1层编号为19+25=44的导体，并从与之连接的第4层导体的外端头引出 作为U-线圈的末端，由于U-之后是W+，第1层导体编号为42的导体已被剪断，因此从第1 层编号为42-25=17的导体（同时剪断与之相连的第4层导体）引出作为U-的首端；运用同 样的方法，剪断第1层编号为2的导体，并从与之连接的第4层导体的外端头引出作为V-线 圈的末端，从第1层编号为38的导体（同时剪断与之相连的第4层导体）引出作为V-的 首端；剪断第1层编号为23的导体，并从与之连接的第4层导体的外端头引出作为W-线圈 的末端，从第1层编号为59的导体（同时剪断与之相连的第4层导体）引出作为W-的首 端。
[0032] 至此通过剪断第1层和第4层共12根导体，获得了 U+，W-，V+，U-，W+，V-共6个 线圈，将U+线圈的末端和U-线圈的首端连接得到U相绕组，同法获得V相、W相绕组，最后 将U、V、W连接成星形连接，得到对称的三相印制绕组。
[0033] 以上所述冲片及其定位孔，均通过计算机设计软件来设计并实现两大目的：一是 通过剪断共12根导体来获得三相对称的印制绕组，二是通过优化设计获得反电动势谐波 分量最小的三相对称印制绕组。
[0034] 对本例的三相印制绕组，不进行优化，产生转矩脉动的反电动势谐波分量总和为 3. 728%，经过优化设计后，产生转矩脉动的反电动势谐波分量总和降为0. 4496%。
【权利要求】
1. 三相对称印制绕组的制作方法，其特征在于包括下述步骤： A) 制作冲片：在厚度均匀的导电片上，通过冲模或化学腐蚀获得绕轴心均匀分布的、数 量为3N、形状相同的冲槽，同时在冲槽所属区域的外部制作出多个定位孔，即得冲片； B) 制作组片：将一片冲片的定位孔套进定位销后水平放置，在该冲片上定位并放置绝 缘坯布，再将另一片冲片翻转后用定位销定位，使两片冲片的导体的内端头两两对齐，加压 加热保温，使绝缘坯布将两片冲片粘接在一起；将内端头以内的部分去除，再将两两对齐的 内端头焊接起来，即得组片； C) 制作闭合的印制绕组：两个组片之间放置绝缘坯布，通过定位孔套入定位销使两个 组片的导体的外端头重叠对齐，加压加热保温，使绝缘坯布将两个组片粘接在一起；将外端 头以外的部分去除，再将两两对齐的外端头焊接起来，即得闭合的印制绕组； D )制作三相对称印制绕组：采用60°相带，将闭合的印制绕组通过剪断去除最上层 和最下层的各6根导体，获得6个分布式绕组，记为U+，U-，V+，V-，W+，W-;将U+与U-相串 联得到U相绕组，将V+与V-相串联得到V相绕组，将W+与W-相串联得到W相绕组，将三 个相绕组的末端连接在一起，得到星形连接的三相对称印制绕组； 其中，N为大于等于4的正整数； 每张冲片中的两个冲槽之间的剩余部分称为导体。
2. 根据权利要求1所述的制作方法，其特征是：导电片选用厚度为0. lmnTO. 5mm的铜、 铝、铜合金或铝合金片。
3. 根据权利要求1所述的制作方法，其特征是：冲槽的形状由衔接的五段构成：从内向 外依次为直线段一渐开线或圆弧段一直线段一渐开线或圆弧段一直线段。
4. 根据权利要求1所述的三相对称印制绕组，其特征是：所述的导体片中的导体的形 状为偏离轴心的直线段。
5. 根据权利要求1所述的制作方法，其特征是：在步骤C)，制作闭合的印制绕组时，组 片的数量为2?6组。
6. 根据权利要求1所述的制作方法，其特征是：N为21?91。
7. 根据权利要求1所述的制作方法，其特征是：利用优化设计方法对导体的形状进行 优化，使得反电动势谐波分量产生的转矩脉动降为最小。
8. 根据权利要求7所述的制作方法，其特征是：所述对导体形状的优化设计方法包括： 罚函数法或复合形法。
9. 根据权利要求1?8任一项制作的三相对称印制绕组。
【文档编号】H02K15/04GK104218746SQ201410447825
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年9月4日 优先权日:2014年9月4日
【发明者】黄植功 申请人:广西师范大学