專利名稱：采用不等厚磁鋼的永磁電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及永磁電機技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，涉及一種采用不等厚磁鋼 的永磁電機。
背景技術(shù)：
在高性能的伺服驅(qū)動和機器人應(yīng)用中，由于永磁無刷直流電機具有巨大的 優(yōu)點，因而它正在越來越多地替代傳統(tǒng)的有刷直流電機。然而，在要求平滑運 行的場合，特別是在低速情況下，轉(zhuǎn)矩波動是一個十分令人頭痛的問題。 一般 來說，在永磁電動機中，轉(zhuǎn)矩波動常常成為引起振動、噪聲和提高控制精度困 難的基本原因。轉(zhuǎn)矩波動的存在同樣影響了電機在速度控制系統(tǒng)中的低速性能 和在位置控制系統(tǒng)中的高精度定位。因而在無刷直流電機的研究和應(yīng)用過程 中，轉(zhuǎn)矩波動的抑制這一課題正在引起眾多研究和使用人員的廣泛關(guān)注。導(dǎo)致 轉(zhuǎn)矩波動的因素較多，主要有電機的齒槽轉(zhuǎn)矩影響和電機反電動勢波形和定子 電流波形非正弦化，導(dǎo)致其相互作用時產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩波動。
齒槽轉(zhuǎn)矩是永磁式電機的固有現(xiàn)象，永磁同步電動機三相繞組不通電，且 繞組開路的情況下，用手輕輕轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子時，會感覺到轉(zhuǎn)子上有一定的作用轉(zhuǎn)矩， 該轉(zhuǎn)矩在一圈范圍內(nèi)大小不均勻，且可發(fā)現(xiàn)若干定位點，在自然狀態(tài)下轉(zhuǎn)子即 定位在這些點，只有在一定的外界轉(zhuǎn)矩作用下，才能改變轉(zhuǎn)子定位的位置，正 因為這樣，常常把永磁電動機不通電且繞組開路情況下轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩稱為定
位(detent)轉(zhuǎn)矩。即永磁電機的轉(zhuǎn)子有一種沿著某一特定方向與定子對齊的趨
3勢，由此趨勢會產(chǎn)生一種振蕩轉(zhuǎn)矩，也稱作齒槽定位轉(zhuǎn)矩。
齒槽定位轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生來自于轉(zhuǎn)子永磁體與定子齒之間的切向力，是轉(zhuǎn)子永 磁體與定子齒槽相互作用的結(jié)果。其產(chǎn)生主要源于定子齒槽的存在，永磁轉(zhuǎn)子 的磁極與定子齒槽的相對位置不同時，主磁路的磁導(dǎo)不一樣，永磁轉(zhuǎn)子趨向定 位于磁導(dǎo)最大的位置，即穩(wěn)定平衡點，電磁轉(zhuǎn)矩為零，偏離時都有回復(fù)到該位 置的作用轉(zhuǎn)矩，或趨于另一相鄰的穩(wěn)定平衡點。
而電機反電動勢波形和定子電流波形非正弦化，導(dǎo)致其相互作用時產(chǎn)生電 磁轉(zhuǎn)矩波動的原因是在永磁電機運行時，其電磁功率為反電勢與電流的乘積， 由于反電勢與電流的波形不可能是絕對理想狀態(tài)——即反電動勢波形和定子 電流波形非正弦化，因而電磁功率不可能是恒定值，電磁功率的波動實際上就 體現(xiàn)在電磁轉(zhuǎn)矩的波動。
那么針對上述因素，抑制永磁電機轉(zhuǎn)矩波動的方法為使電機齒槽轉(zhuǎn)矩最 小化；正弦波驅(qū)動時的電磁轉(zhuǎn)矩波動，可通過電機的特殊設(shè)計力求保證反電勢 波形為正弦波，在運行時控制電流使其盡可能逼近正弦，并通過矢量控制，使 電磁轉(zhuǎn)矩波動降至最低。
目前常用的方法多是從單方面出發(fā)，或是追究永磁電機定位轉(zhuǎn)矩的最小 化，或是從控制方面追究定子電流的正弦化控制。都取得了一定的成效，但其 相應(yīng)的都有一定的局限或缺點。如下面的永磁電機定位轉(zhuǎn)矩最小化技術(shù)
1、磁性槽楔法
即在電機的定子槽口上涂壓一層磁性槽泥，固化后形成具有一定導(dǎo)磁性能 的槽楔。磁性槽楔減小了定子槽開口的影響，使定子和轉(zhuǎn)子間的氣隙磁導(dǎo)分布 更加均勻，從而可減小由于齒槽引起的轉(zhuǎn)矩脈動。然而由于磁性槽楔材料的導(dǎo) 磁性能不是很好，因而對于轉(zhuǎn)矩脈動的削弱程度有限。2、 閉口槽法
采用閉口槽即定子槽不開口，槽口材料與齒部材料相同。因槽口的導(dǎo)磁性 能較好，所以閉口槽比磁性槽楔能更有效地消除轉(zhuǎn)矩閉口槽雖然可消除轉(zhuǎn)矩脈 動，然而卻給繞組嵌線帶來極大的不便。同時，采用閉口槽后大大增加了槽漏 電抗，增大了電路的時間常數(shù)，將影響電機控制系統(tǒng)的動態(tài)特性。
3、 斜槽法
定子斜槽法是最為傳統(tǒng)的降低齒槽轉(zhuǎn)矩的方法。將定子槽沿軸向扭斜一個 定子槽距，可有效地消除有齒槽引起的力矩波動。斜槽法的局限性定子斜槽 一般會影響導(dǎo)體的占槽面積，從而使銅耗增加。且定子斜槽有時會給電機的 制造帶來不可接受的困難。對于槽數(shù)較少、短軸或非重疊繞組的永磁無刷直流 電機不適用。另外，斜槽的代價是使電機的結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜，并且在一定程度上 降低了電機的輸出轉(zhuǎn)矩。

實用新型內(nèi)容
本實用新型的目的是提供一種采用不等厚磁鋼的永磁電機，在優(yōu)化永磁電 機反電動勢波形的同時，降低永磁電機的齒槽定位轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而減少永磁電機電 磁轉(zhuǎn)矩波動。
本實用新型所解決的技術(shù)問題可以采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn) 一種采用不等厚磁鋼的永磁電機，所述永磁電機轉(zhuǎn)子采用表貼式磁鋼，表
貼式磁鋼為對稱的瓦片式結(jié)構(gòu)，其特征在于磁鋼的內(nèi)外表面均為圓弧，內(nèi)表
面的曲率半徑大于外表面的曲率半徑。
本實用新型中，所述磁鋼邊緣的厚度為中心厚度的24%—70%，為了達(dá)到
最優(yōu)效果，磁鋼邊緣的厚度為中心厚度的50%。本實用新型的永磁電機運行時電磁轉(zhuǎn)矩波動率小、定位轉(zhuǎn)矩值低，保證電 機出力充足、定子溫升小、效率理想，充分發(fā)揮永磁電機的優(yōu)勢，具有較好的 精確定位運行特性和較好的低速運行特性，且在生產(chǎn)工藝上易于實現(xiàn)，從而降 低了永磁電機的生產(chǎn)成本。


圖1為本實用新型永磁電機的示意圖。
圖2為本實用新型不等厚磁鋼和現(xiàn)有等厚磁鋼的對比結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3為未經(jīng)磁鋼不等厚處理的永磁電機反電動勢波形圖。 圖4為經(jīng)過磁鋼不等厚處理后的永磁電機反電動勢波形圖。 圖5為未經(jīng)磁鋼不等厚處理和過經(jīng)磁鋼不等厚處理永磁電機齒槽定位轉(zhuǎn)矩 對比圖示意圖。
具體實施方式
為了使本實用新型實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白 了解，下面結(jié)合具體圖示，進(jìn)一步闡述本實用新型。
如圖1所示，本實用新型采用不等厚磁鋼的永磁電機轉(zhuǎn)子采用表貼式磁鋼， 因此和一般磁鋼表貼式永磁電機具有相似的結(jié)構(gòu)，本領(lǐng)域技術(shù)人員了解其結(jié) 構(gòu)，在此不再累述。
參見圖2，現(xiàn)有的表貼式磁鋼一般為對稱的瓦片式結(jié)構(gòu)，例如以A-B連線 對稱，內(nèi)表面1和外表面2為曲率半徑相同的圓弧，因此整個磁鋼在結(jié)構(gòu)上是 等厚度的。而本實用新型的磁鋼(陰影部分)，內(nèi)表面1和外表面3為曲率半 徑不同的圓弧，內(nèi)表面1的曲率半徑大于外表面3的曲率半徑，因此磁鋼在結(jié)構(gòu)上是不等厚的，磁鋼中心5的厚度大于磁鋼邊緣4的厚度。
磁鋼在進(jìn)行不等厚處理時是有一定范圍限制的，其范圍跟轉(zhuǎn)子內(nèi)徑、磁鋼 厚度、磁鋼兩邊相對轉(zhuǎn)子圓心的張角有關(guān)，如果磁鋼在進(jìn)行不等厚處理時磁鋼 邊緣的厚度過大，則對永磁電機反電動勢波形的正弦化和定位轉(zhuǎn)矩的減少的作
用不明顯；如果磁鋼在進(jìn)行不等厚處理時磁鋼邊緣的厚度過小，則永磁電機反 電動勢波形正弦化和定位轉(zhuǎn)矩減少效果非常好，但是同時會對永磁電機的出力 產(chǎn)生影響，嚴(yán)重時會導(dǎo)致永磁電機運行時出力不足、定子發(fā)熱嚴(yán)重、磁鋼退磁、 效率下降等，直接影響永磁電機的正常運行。因此，磁鋼邊緣的厚度可以是中 心厚度的24%_70%，為了達(dá)到最優(yōu)效果，磁鋼邊緣的厚度設(shè)置為中心厚度的 50%。
如圖3所示，未經(jīng)磁鋼不等厚處理的普通瓦片式磁鋼會使永磁電機的反電 動勢波形會方波化，且含有大量諧波成份。其與正弦化的定子電流相互作用， 將導(dǎo)致永磁電機的電磁轉(zhuǎn)矩波動嚴(yán)重，電機轉(zhuǎn)矩值會達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩值的10%左 右，使永磁電機性能下降、控制困難，特別是在恒轉(zhuǎn)矩輸出狀態(tài)、低速大力矩 狀態(tài)及精確定位時。
如圖4所示，經(jīng)過磁鋼不等厚處理之后，永磁電機的反電動勢波形更加接 近正弦化，諧波含量明顯減少。使永磁電機易于控制，特別是大大提高了永磁 電機在恒轉(zhuǎn)矩輸出狀態(tài)、低速大力矩狀態(tài)及精確定位時的運行性能。經(jīng)實驗測 試，永磁電機的電磁轉(zhuǎn)矩波動占電機額定電磁轉(zhuǎn)矩值的1%都不到。
如圖5所示，永磁電機在磁鋼不等厚處理前后其齒槽定位轉(zhuǎn)矩值相差很大， 曲線1為不等厚處理前的定位轉(zhuǎn)矩曲線，曲線2為不等厚處理后的定位轉(zhuǎn)矩曲 線，通過對比可知，不等厚處理后永磁電機的定位轉(zhuǎn)矩最大值減少了 80%左右。 從而說明本實用新型的永磁電機在優(yōu)化永磁電機反電動勢波形的同時，降低永磁電機的齒槽定位轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而可以減少永磁電機電磁轉(zhuǎn)矩波動。
以上顯示和描述了本實用新型的基本原理和主要特征和本實用新型的優(yōu) 點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本實用新型不受上述實施例的限制，上述實 施例和說明書中描述的只是說明本實用新型的原理，在不脫離本實用新型精神 和范圍的前提下，本實用新型還會有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入 要求保護(hù)的本實用新型范圍內(nèi)。本實用新型要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書 及其等效物界定。
權(quán)利要求1. 采用不等厚磁鋼的永磁電機，所述永磁電機轉(zhuǎn)子采用表貼式磁鋼，表貼式磁鋼為對稱的瓦片式結(jié)構(gòu)，其特征在于磁鋼的內(nèi)外表面均為圓弧，內(nèi)表面的曲率半徑大于外表面的曲率半徑。
2. 如權(quán)利要求1所述的采用不等厚磁鋼的永磁電機，其特征在于磁鋼邊緣的厚度為中心厚度的24%_70%。
3. 如權(quán)利要求1所述的采用不等厚磁鋼的永磁電機，其特征在于磁鋼邊緣的厚度為中心厚度的50%。
專利摘要本實用新型提供一種采用不等厚磁鋼的永磁電機，在優(yōu)化永磁電機反電動勢波形的同時，降低永磁電機的齒槽定位轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而減少永磁電機電磁轉(zhuǎn)矩波動。該永磁電機轉(zhuǎn)子采用表貼式磁鋼，表貼式磁鋼為對稱的瓦片式結(jié)構(gòu)，其特征在于磁鋼的內(nèi)外表面均為圓弧，內(nèi)表面的曲率半徑大于外表面的曲率半徑。本實用新型的永磁電機運行時電磁轉(zhuǎn)矩波動率小、定位轉(zhuǎn)矩值低，保證電機出力充足、定子溫升小、效率理想，充分發(fā)揮永磁電機的優(yōu)勢，具有較好的精確定位運行特性和較好的低速運行特性，且在生產(chǎn)工藝上易于實現(xiàn)，從而降低了永磁電機的生產(chǎn)成本。
文檔編號H02K21/00GK201286054SQ200920112928
公開日2009年8月5日 申請日期2009年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月19日
發(fā)明者林 申 申請人:太倉東元微電機有限公司