本发明涉及电动机技术， 具体涉及三相交流永磁电动机。

背景技术

随着电子技术、 传感器技术、 控制技术以及材料科学的发展， 三相交流永磁电动机在伺 服系统等诸多领域得到了广泛应用， 并且各使用领域对其性能要求也愈来愈高。

说

由于三相交流永磁电动机的铁芯材料工作于饱 和状态， 因而电动机的电枢反应是不可避 免的。 而电枢反应对转矩系数的影响很大， 造成该系数随着电枢电流的增加而减少。 为了降 低电枢反应， 许多用于伺服系统的三相交流永磁电书动机采 用表面安装磁钢 （Surface mounted magnet, SMM)的结构， 并且加大电动机的定子与转子之间的气隙。永 磁转子在使用 SMM结 构的时， 永久磁钢是通过粘接剂来粘接在转子的表面上 的。 当电动机的功率很小的时候， 永 磁磁钢采用像粘接钕铁硼这样的压模方式形成 的， 这种表面安装磁钢的方式非常有效。

转子磁钢的主磁路磁阻在随着转子转到不同的 位置而发生变化， 啮合转矩也因此产生。 单边磁拉力是由于电动机磁场在空间的不平衡 而产生的。 三相交流永磁电动机由于使用高磁 能积的永久磁钢， 所以很容易出现严重的啮合转矩以及单边磁拉 力。 啮合转矩和单边磁拉力 是三相交流永磁电动机的重要性能参数， 对电动机噪音大小、 平稳性等有着重要影响， 因此 对三相交流永磁电动机的设计具有重要指导意 义。

在电动机设计过程中，很多情况下对啮合转矩 的要求是和对单边磁拉力的要求相矛盾的。 例如， 定子槽数为 6、 转子为 4对磁极的三相交流永磁电动机为目前常规三� �交流永磁电动 机。 这种三相交流永磁电动机单边磁拉力可以控制 得很小， 但啮合转矩却比较严重， 其啮合 转矩如图 1所示。 为了减少啮合转矩， 许多三相交流永磁电动机不得不采用如图 2定子槽数 为 9、转子为 4对磁极的结构。这种定子槽数为 9、转子为 4对磁极的结构对于减少啮合转矩 非常有效， 但它是一种会产生单边磁拉力的结构， 即使驱动电流为零， 单边磁拉力还是会产 生， 单边磁拉力如图 3所示。 而驱动电流的作用会使得这种电动机的单边磁 拉力的影响更加 严重和复杂。 目前的三相交流永磁电动机的结构不能同时解 决啮合转矩严重和单边磁拉力大 的问题， 因此需要改进。

发明内容

本发明的目的是要为交流永磁电机提供一种永 久磁钢在转子表面安装的有效方案， 从而 解决交流永磁电机啮合转矩严重和单边磁拉力 大的技术问题。 本发明提供了一种三相交流永磁电动机， 包括转子和定子， 所述转子包括转子铁芯和设 置在转子铁芯上的磁钢； 所述定子包括定子铁芯、 A相电枢绕组、 B相电枢绕组、 C相电枢 绕组， 所述定子铁芯上设置有定子槽和定子齿， 其中： 所述转子的磁极对数为 4M或者 5M， 即所述转子的磁极数为 8M或者 10M; 所述定子槽的个数为 9M; 所述定子齿的个数为 9M; A相电枢绕组的个数为 3M， 且分别独立设置在 3M个定子齿上，； B相电枢绕组的个数亦为 3M, 亦分别独立设置在 3M个定子齿上； C相电枢绕组的个数亦为 3M， 且分别独立设置在 3M个定子齿上； M为大于等于 2的自然数。

进一步的， 所述磁钢沿转子径向、 呈 N极与 S极循环向外状固定在所述转子的表面上， 每对磁极包含了两个磁场方向相反的磁钢， 转子磁场的 N极和 S极均由磁钢实现。

进一步的， 所述转子铁芯上设置有转子槽和转子齿， 所述磁钢嵌入转子槽内， 且呈 N极 (或 S极）全部向外状设置， 所述转子磁场的 N极 （或 S极） 由磁钢实现， 而相对应的 S极 (或 N极） 由转子齿实现。 更进一步的， 所述磁钢通过楔子固定于转子槽内。

进一步的， 所述转子上设置有抵顶于磁钢外表面上的磁帽 ， 该磁帽通过非磁性楔子与所 述转子铁芯隔离； 再进一步的， 所述磁帽由软磁材料构成； 具体的， 所述磁帽可以是由矽钢 片叠装而成， 或者整钢加工而成。

进一步的， 所述转子在转子轴向上至少分为两个区域段， 各个区域段在空间对称分布， 区域段之间具有使得各个区域段的啮合转矩的 基波分量彼此抵消的相位差。 具体的， 所述转 子在转子轴向上分为两个区域段； 相位差为啮合转矩基波的 180°电角度。

进一步的， 所述转子铁芯由矽钢片叠装而成， 或者由整钢加工而成。

本发明中三相交流永磁电动机通过设置特定数 目的定子槽、 极数， 来实现三相交流永磁 电动机的磁场在左右空间、 上下空间的对称， 从而大大降低啮合转矩和单边磁拉力。

附图说明

图 1是定子槽数为 6、 转子为 4对磁极的三相交流永磁电动机的啮合转矩；

图 2是定子槽数为 9、 转子为 4对磁极的三相交流永磁电动机；

图 3是定子槽数为 9、 转子为 4对磁极的三相交流永磁电动机的单边磁拉力� �

图 4是定子槽数为 18、 转子为 16磁极的三相交流永磁电动机；

图 5是定子槽数为 18、 转子为 20磁极的三相交流永磁电动机；

图 6是定子槽数为 18、转子为 16磁极且具有单向磁钢 SMM转子的三相交流永磁电动机； 图 7是三相交流永磁电动机的磁场分布图；

图 8是阶梯形嵌入式转子；

图 9是梯形嵌入式转子； 图 10是弧形嵌入式转子；

图 11是固定楔子形嵌入式转子；

图 12是具有磁帽结构的转子；

图 13具有两个区域段的双向磁钢 SMM转子；

图 14具有两个区域段的单向磁钢 SMM转子。

具体实施方式

实施例 1

如图 4所示， 一种三相交流永磁电动机， 包括转子和定子， 所述转子包括转子铁芯 402 和设置在转子铁芯 402上的磁钢 405 ; 所述定子包括定子铁芯 401、 A相电枢绕组、 B相电枢 绕组、 C相电枢绕组， 定子铁芯 401上设置有定子槽 403和定子齿 404， 转子的磁极数为 16; 定子槽 403的个数为 18 ; 定子齿 404的个数为 18 ; A相电枢绕组的个数为 6， 且分别独立设 置在 6个定子齿 404上， 每个线圈围绕着一个定子齿； B相电枢绕组的个数亦为 6， 且分别 独立设置在另外 6个定子齿上， 绕制的形式和 A相相同。 C相电枢绕组的个数亦为 6， 其分 别独立设置在其他 6个定子齿上， 绕制的形式亦和 A相相同。

磁钢 405是沿转子径向呈 N极、 S极循环向外状固定在转子的表面上， 每对磁极包含了 两个磁场方向相反的磁钢， 使得转子磁场的 N极和 S极均由磁钢实现。

图 4中， 电枢绕组具有如下电流流向表示：

A: A相电枢绕组的电流进入部分； X A相电枢绕组的电流流出部分；

B: B相电枢绕组的电流进入部分； Y: B相电枢绕组的电流流出部分；

C: C相电枢绕组的电流进入部分； Z: C相电枢绕组的电流流出部分。

从图 4可以看到， 每相绕组是由两个周期绕组构成。 这两个周期绕组之间可以是串形连 接的， 但也可以是并行连接的。 而在图 4所示的 3相绕组之间是可以采用 Y型连接的， 但也 可以采用 Δ连接的方式。

这种 18槽 16极结构， 由于在左右空间和上下空间的对称， 不会产生单边磁拉力。 理论 上可以证明， 这种结构的啮合转矩的周期为 2.5°， 因此电动机的啮合转矩还是很小的。

实施例 2

如图 5所示， 一种三相交流永磁电动机， 与实施例 1基本相同， 不同之处在于转子的磁极 数为 20。这种 18槽 20极的电动机结构， 由于在左右空间和上下空间的对称， 也不会产生单 边磁拉力。 由于其啮合转矩的周期是 2°， 这种电动机的啮合转矩也是很小的。 实施例 1、 实施例 2提供的三相交流永磁电动机， 其转子上的每对磁极包含了两个磁场 方向相反的磁钢， 此处将具有这种结构的转子定义为双向磁钢 SMM转子。 双向磁钢 SMM转子 可以减少电枢反应对电动机特性的影响， 但仍然存在以下问题：

( 1 ) 永久磁钢是采用粘接的方式安装在转子表面， 而磁钢是直接面向电动机的气隙。 磁钢底面的粘结剂层以及磁钢尺寸的误差使得 气隙的尺寸精度很难控制， 这会使得转子在安 装后的重心分布的离散度较大， 从而影响电动机的运行和控制质量；

( 2) 底面的粘接剂层使得电动机的等效气隙加大， 气隙磁场减弱， 从而降低电动机的 功率密度和效率；

(3) 因为转子的表面尺寸很难控制得很准， 为了保证电动机的有效运行， 电动机的物 理气隙必须设计的比较大， 这会降低进一步电动机的功率密度和效率；

(4) 磁钢主要靠粘结剂与磁钢底部和转子铁芯之间 的的抗拉能力来承受转子旋转时 的离心力， 而这种能力是比较弱的， 因而电动机无法实现高速运行。

为解决双向磁钢 SMM转子上述 4个技术缺陷， 特提出实施例 3、 实施例 4、 实施例 5、 实施例 6、 实施例 7、 实施例 8等 5个具体的实施例。

实施例 3

一种三相交流永磁电动机， 包括定子和转子。

定子具有与实施例 1具有相同的定子结构， 即定子包括定子铁芯、 A相电枢绕组、 B相 电枢绕组、 C相电枢绕组， 定子铁芯上设置有定子槽和定子齿， 转子的磁极数为 16; 定子槽 的个数为 18; 定子齿的个数为 18; A相电枢绕组的个数为 6， 且分别独立设置在 6个定子齿 404上， 每个线圈围绕着一个定子齿； B相电枢绕组的个数亦为 6， 且分别独立设置在另外 6 个定子齿上， 绕制的形式和 A相相同。 C相电枢绕组的个数亦为 6， 其分别独立设置在其他 6 个定子齿上， 绕制的形式亦和 A相相同。

转子如图 6所示， 包括转子铁芯 601 和设置在转子铁芯 601 上的磁钢 603; 转子铁芯 601上设置有 8个转子槽 608和 8个转子齿 602。 8个磁钢 603嵌入 8个转子槽 608中， 磁 钢 603和转子齿 602的齿壁之间由非磁性的填充物以及气隙 605隔开；所有磁钢 603的充磁 方向相同， 即磁钢 603的磁场方向， 采用如图 6所示外 N内 S的方式设置； 在该转子中， 共形 成 8对磁极， 每对磁极只有一个磁钢， 即每对磁极由磁钢、 与该磁钢相对应的转子齿构成。 从机械结构的角度讲， 上述非磁性填充物即为用于固定磁钢 603的楔子 604， 楔子 604是由 非磁性的物质构成， 如不锈钢、 铝片、 铜片和塑料片等。 在本发明中， 将转子中由一个磁钢 形成一对磁极的结构定义为单向磁钢 SMM转子。

本实施例中， 三相交流永磁电动机啮合转矩的周期为 5°。 图 7是图 6所示三相交流永磁电动机的磁场分布图， 由本图可知， 尽管所有的磁钢的磁 场方向是相同的， 但磁路的设计使得气隙磁场能够产生和磁钢数 目相同的磁场极对数。 因此， 这种三相交流永磁电动机的磁极对数是和所用 到的磁钢数目是相同的， 也就是说， 三相交流 永磁电动机的磁极数是磁钢的两倍。

由于磁钢 603是靠磁钢 603侧面的楔子 604以及在楔子 604上适当的粘结剂来嵌入转子 转子槽 608中的，因此连接强度大，大大提高了转子表 面的磁钢 608对于离心力的承受能力， 这使得转子更适合高速旋转。 由于磁钢 603底部是直接和转子铁芯 601接触， 因而没有双向 磁钢 SMM转子的底面粘结剂层所形成的间隙， 磁钢的利用率高， 提高了效率。 制造过程中， 采用单向磁钢 SMM转子嵌入式结构， 容易实现对磁钢表面 606尺寸的高精度控制； 再者， 由 于转子齿 602是转子铁芯 601的一部分， 因此转子齿表面 607尺寸精度亦能得到较好控制， 解决双向磁钢 SMM转子重心离散度大的问题， 使得具有单向磁钢 SMM转子的三相交流永磁电 动机高速旋转更平稳。

实施例 4

一种三相交流永磁电动机， 具有与实施例 3基本相同的结构， 不同之处在于： 磁钢的磁 场方向， 采用外 S内 N的方式设置。

实施例 5

一种三相交流永磁电动机， 具有与实施例 3基本相同的结构， 不同之处在于： 转子采用 图 8所示的阶梯形嵌入式结构。

实施例 6

一种三相交流永磁电动机， 具有与实施例 3基本相同的结构， 不同之处在于： 转子采用 图 9所示的梯形嵌入式结构。

实施例 7

一种三相交流永磁电动机， 具有与实施例 3基本相同的结构， 不同之处在于： 转子采用 图 10所示的弧形嵌入式结构。

实施例 8

一种三相交流永磁电动机， 具有与实施例 3基本相同的结构， 不同之处在于： 转子采用 图 11所示的固定楔子形嵌入式结构， 固定楔子 111将磁钢 112锁紧于转子铁芯 113上 实施例 9

一种三相交流永磁电动机， 包括定子和转子。 定子与实施例 1中的定子具有相同的结构。 转子具有图 12所示的结构， 即转子铁芯 121上设置有 8个转子槽 127和 8个转子齿 124， 8 个由软磁材料构成的磁帽 122通过抵顶的连接方式、将 8个磁钢 123分别紧固在 8个转子槽 127内， 磁帽 122通过非磁性楔子 125锁紧于转子齿 124上， 磁帽 122还通过非磁性楔子 125、 楔缝 126与定子铁芯 121隔离， 降低了磁钢 123的涡流损耗。 由于磁帽和转子铁芯之 间没有直接的磁接触， 磁钢被 "短路" 到转子铁芯上的的漏磁要比嵌入式转子小的多 ， 因而 磁钢的利用率就好， 电动机的功率密度可以得到提高。 当转子铁芯和磁帽是由矽钢片叠装而 成时， 转子的铁耗可以大大降低， 而磁钢上的电损耗基本上可以消除。 这对于提高磁钢的寿 命很有帮助。

本实施例中磁钢、 楔子、 楔缝和转子齿的形状还可以演化成其它多种形 式。

实施例 10

一种三相交流永磁电动机， 包括定子和转子。定子与实施例 1中的定子具有相同的结构。 转子具有图 13所示的结构， 即转子分为电磁结构相同的 A段、 B段两个区域段， 两个区域段 上沿之间在切向有位置差别，该位置差别具体 为 A段转子产生的啮合转矩的基波与 B段的电 角度相差为 180°。两个区域段上均设置有 16个转子槽、 16个转子齿和 16个磁钢， 16个磁钢 嵌入 16个转子槽中。 电磁结构相同的 A段、 B段的啮合转矩的基波的电角度相差 180°， 这 使得转子所产生的啮合转矩会基本上互相抵消 ， 从而使得电动机的总啮合转矩大大减少。

对于上述 18槽 16极的双向磁钢 SMM转子来讲， 由于在空间啮合转矩的基波极对数远 远高于转子磁场的基波极对数， 所以对于电动机的电参数和电动机特性不会有 明显的影响； 因此， 两段型的转子这种减小啮合转矩的结构是合理 的。 与利用斜槽以及斜极减小啮合转矩 的传统结构设计相比较， 利用两段型的结构来消除啮合转矩也比较容易 实现， 而这对于较低 电动机成本和提高电动机的可靠性是非常有意 义的。

实施例 11

一种三相交流永磁电动机， 包括定子和转子。定子与实施例 3中的定子具有相同的结构。 转子具有图 14所示的结构， 即转子分为电磁结构相同的 A段、 B段两个区域段， 两个区域段 沿切向有位置差别，该位置差别具体为 A段转子啮合转矩基波与 B段之间电角度相差为 180°。 两个区域段上均设置有 8个转子槽、 8个转子齿和 8个磁钢， 8个磁钢嵌入 8个转子槽中。 电 磁结构相同的 A段、 B段的啮合转矩基波的电角度相差 180°， 这使得转子所产生的啮合转矩 会基本上互相抵消， 从而使得总啮合转矩大大减少。

对于上述 18槽 16极的单向磁钢 SMM转子来讲， 由于在空间啮合转矩的基波极对数远 远高于转子磁场的基波极对数， 所以该两段型结构的采用对于电动机的电参数 和运行特性不 会有明显的影响； 因此， 两段型的转子这种减小啮合转矩的结构是合理 的。 与利用斜槽以及 斜极减小啮合转矩的传统结构设计相比较， 利用两段型的结构来消除啮合转矩也比较容易 实 现， 而这对于较低电动机成本和提高电动机的可靠 性是非常有意义的。 实施例 10及实施例 11虽然仅披露了两段型转子结构设计， 但根据本实施实施例 10及 实施例 11的教导可知，转子设置成多个区域段也是可� ��的，只要使得各个区域段上的啮合转 矩的基波分量能够彼此抵消从而减少总体的啮 合转矩即可。

以上实施例 1~11是将定子的槽数定为 9M、转子槽数定为 8M或者 10M， 而 M设定为 2 时进行的详细描述， 本领域技术人员同样可以将 M设置为 3、 4、 5……等自然数。