一種用于車削類電主軸的內(nèi)嵌式永磁同步電的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種用于車削類電主軸的內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)，包括轉(zhuǎn)軸、前軸承、前端蓋、后軸承、后端蓋、光電編碼器、轉(zhuǎn)子以及定子，其中，轉(zhuǎn)子為分段式斜極結(jié)構(gòu)，包括軸向間隔分布的多個(gè)轉(zhuǎn)子鐵心，沿轉(zhuǎn)子鐵心周向設(shè)置的多極磁極，每級(jí)磁極由呈V型結(jié)構(gòu)排列并內(nèi)嵌于對(duì)應(yīng)的永磁體槽內(nèi)；每極磁極與轉(zhuǎn)子鐵心外圓周之間對(duì)應(yīng)設(shè)置多個(gè)磁體通孔；定子包括位于定子外壁上的冷卻管道槽、具備多個(gè)定子齒的定子鐵心以及在相鄰定子齒間形成的定子槽。本發(fā)明的內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)既具有高轉(zhuǎn)矩密度、高功率密度、響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)，又具有氣隙磁場(chǎng)諧波小、反電勢(shì)正弦度高和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小的優(yōu)點(diǎn)，還具有調(diào)速比寬的特點(diǎn)，適合應(yīng)用于高檔數(shù)控機(jī)床用車削類電主軸系統(tǒng)。
【專利說(shuō)明】-種用于車削類電主軸的內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電機(jī)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種用于車削類電主軸的永磁同步電機(jī)。

【背景技術(shù)】
[0002] 車削類電主軸電機(jī)主要應(yīng)用于車削類數(shù)控機(jī)床。車削加工是工件旋轉(zhuǎn)做主運(yùn)動(dòng)， 車刀作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的切削加工方法。現(xiàn)代車削加工對(duì)加工精度要求高，這要求電主軸電機(jī)的 控制精度高、電機(jī)振動(dòng)小、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)低、調(diào)速范圍寬。
[0003] 現(xiàn)有的車削類電主軸電機(jī)主要分為兩種，分別為異步主軸電機(jī)和永磁電主軸電 機(jī)。
[0004] 在現(xiàn)有技術(shù)中，異步主軸電機(jī)轉(zhuǎn)子會(huì)產(chǎn)生損耗，電機(jī)效率低，轉(zhuǎn)子發(fā)熱嚴(yán)重，縮短 軸承壽命，最終造成電機(jī)壽命縮短。異步主軸電機(jī)的功率因數(shù)較低，驅(qū)動(dòng)裝置容量大，成本 非常高。異步主軸轉(zhuǎn)矩密度、功率密度低，電機(jī)體積重量較大，不利于快速啟動(dòng)和準(zhǔn)停，電機(jī) 響應(yīng)慢。異步主軸電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)大，運(yùn)行狀況平穩(wěn)度低。異步主軸電機(jī)控 制復(fù)雜，不容易實(shí)現(xiàn)高精度控制。
[0005] 現(xiàn)有技術(shù)中用于電主軸的永磁同步電機(jī)，一般設(shè)計(jì)成"一"型永磁體結(jié)構(gòu)，此類電 機(jī)的凸極比小，磁阻轉(zhuǎn)矩小，轉(zhuǎn)矩密度較低，電機(jī)體積大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，運(yùn)行時(shí)響應(yīng)速度慢， 不適合應(yīng)用于要求快速啟停、轉(zhuǎn)速快速改變的車削類電主軸；且此類電機(jī)的凸極比小，電機(jī) 調(diào)速比小，很難實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種用于車削類電主軸的內(nèi) 嵌式永磁同步電機(jī)，既具有高轉(zhuǎn)矩密度、高功率密度、響應(yīng)快的優(yōu)勢(shì)，也具有氣隙磁場(chǎng)諧波 小、反電勢(shì)正弦度高和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小的優(yōu)點(diǎn)，還具有調(diào)速范圍寬、散熱快的特點(diǎn)，尤其適用于 高檔數(shù)控機(jī)床用車削類電主軸系統(tǒng)。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種用于車削類電主軸的內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)， 該電機(jī)包括：由轉(zhuǎn)軸、前軸承、前端蓋、后軸承、后端蓋以及機(jī)殼共同構(gòu)成的電機(jī)外殼、固定 在機(jī)殼內(nèi)壁的定子以及套設(shè)于轉(zhuǎn)軸上并與定子相對(duì)間隔設(shè)置轉(zhuǎn)子，其中，
[0008] 所述轉(zhuǎn)子為分段式斜極結(jié)構(gòu)，包括沿轉(zhuǎn)軸軸向間隔分布的3個(gè)轉(zhuǎn)子鐵心，且各個(gè) 轉(zhuǎn)子鐵心與其相鄰的前一轉(zhuǎn)子鐵心按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)3°機(jī)械角布置，每個(gè)轉(zhuǎn)子鐵心中心 位置設(shè)有允許轉(zhuǎn)軸貫穿的軸孔，遠(yuǎn)離軸孔外側(cè)并沿轉(zhuǎn)子鐵心周向均勻間隔設(shè)置多極磁極， 每級(jí)磁極各自由一對(duì)長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)且嵌入在永磁體槽內(nèi)的永磁體組成，且每一對(duì)永磁體形成 張角為150度機(jī)械角且開(kāi)口向外的V型結(jié)構(gòu)；此外，在每極磁極與轉(zhuǎn)子鐵心外圓周之間還對(duì) 應(yīng)設(shè)置多個(gè)磁體通孔，各個(gè)磁體通孔均沿周向間隔排列；
[0009] 所述定子包括定子鐵芯，該定子鐵芯的外壁上形成有多個(gè)冷卻管道槽，這些冷卻 管道槽為矩形螺旋槽并用于嵌入冷卻銅管；定子鐵芯的內(nèi)壁上具備多個(gè)沿其周向排列的定 子齒，每個(gè)定子齒的弧形端面上設(shè)置兩個(gè)圓弧輔助槽；相鄰定子齒間形成的定子槽；三相 繞組嵌放于定子槽內(nèi)，用于感應(yīng)電勢(shì)、產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，以實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。
[0010] 作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述永磁體的充磁方向?yàn)槠叫谐浯拧?br> [0011] 作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述磁體通孔的半徑為3?4_，相鄰兩磁體通孔圓心距離為 9 ?12mm〇
[0012] 可根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整磁體通孔的位置和大小，達(dá)到調(diào)整電機(jī)的凸極率，增加調(diào)速 范圍的目的。
[0013] 作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述圓弧輔助槽的半徑為4. 8?5. 2mm，且圓弧輔助槽徑向中 心線與定子齒弧形端面徑向中心線呈2. 8°?3. 2°機(jī)械角度。
[0014] 作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述用于車削類電主軸的內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)為6極27槽結(jié) 構(gòu)。
[0015] 作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述每極磁極與轉(zhuǎn)子鐵心外圓周之間對(duì)應(yīng)設(shè)置3個(gè)磁體通 孔。
[0016] 作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述三相繞組5為分?jǐn)?shù)槽繞組分布，節(jié)距為4。
[0017] 總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所取得的 有益效果如下：
[0018] (1)轉(zhuǎn)子采用分段式斜極結(jié)構(gòu)，各轉(zhuǎn)子鐵心間隔排列，減小了電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)諧 波，增加電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的正弦度，進(jìn)一步削弱了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，提高了車削類數(shù)控機(jī)床的 加工精度；
[0019] (2)轉(zhuǎn)子磁極采用內(nèi)嵌式V形結(jié)構(gòu)，提高了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度、功率密度和效率，增 大了電機(jī)的調(diào)速比；
[0020] (3)通過(guò)采用轉(zhuǎn)子鐵心的磁體通孔結(jié)構(gòu)，一方面可調(diào)整電機(jī)的凸極率，增加電機(jī)的 調(diào)速范圍，滿足車削類永磁電主軸電機(jī)調(diào)速范圍寬和高速運(yùn)行工況的要求，另一方面為轉(zhuǎn) 子提供通風(fēng)口，加快轉(zhuǎn)子鐵心和永磁體散熱，減小轉(zhuǎn)子過(guò)熱和軸承過(guò)熱的風(fēng)險(xiǎn)，提高永磁體 抗不可逆退磁的能力，提高了電主軸系統(tǒng)的壽命；
[0021] (4)通過(guò)在定子外壁上設(shè)置水冷卻管道槽，一方面增大與定子鐵心接觸的冷卻面 積，另一方面將冷卻銅管嵌于水冷卻管道槽內(nèi)，水流在冷卻銅管中流通，帶走定子熱量；且 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工簡(jiǎn)單且成本低，提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度和功率密度的同時(shí)，加快了電機(jī)的散熱， 提1? 了電機(jī)的壽命；
[0022] (5)定子齒端面采用雙圓弧輔助槽結(jié)構(gòu)，提高電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度的同時(shí)，削弱了電機(jī)的 齒槽轉(zhuǎn)矩，減小了電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)諧波，提高了氣隙磁場(chǎng)和反電勢(shì)的正弦度，減小了電機(jī)的 轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和轉(zhuǎn)速波動(dòng)，提高了車削類數(shù)控機(jī)床的加工精度。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023] 圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖2是本發(fā)明的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025] 圖3是本發(fā)明的轉(zhuǎn)子鐵心橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026] 圖4是本發(fā)明的定子結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖5是本發(fā)明的定子鐵心結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028] 圖6為本發(fā)明的水冷卻管道槽結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029] 在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來(lái)表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：1 一刀具接 口、2 -轉(zhuǎn)軸、3 -前軸承、4 一前端蓋、5 -三相繞組、6 -定子、7 -冷卻管道槽、8 -機(jī)殼、 9 一轉(zhuǎn)子、10 -后端蓋、11 一后軸承、12 -光電編碼器、13 -永磁體、14 一永磁體槽、15 - 圓弧輔助槽、16 -磁體通孔、17 -后端蓋空心孔、18 -轉(zhuǎn)子鐵心、19 一定子齒、20 -定子軛 部、21 -絕緣層、22 -定子槽、23-軸孔

【具體實(shí)施方式】
[0030] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0031] 如圖1所示，用于車削類電主軸的內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)包括：刀具接口 1、轉(zhuǎn)軸2、 前軸承3、前端蓋4、后軸承11、后端蓋10、光電編碼器12、轉(zhuǎn)子9、定子6,其中，刀具接口 1 位于轉(zhuǎn)軸2的最前端，用于連接車削類數(shù)控機(jī)床的刀具；前端蓋4通過(guò)前軸承3安裝在轉(zhuǎn)軸 2的前端,后端蓋10通過(guò)后軸承11安裝在轉(zhuǎn)軸2的后端上，且前端蓋4和后端蓋10分別與 機(jī)殼8的前、后端固連，共同構(gòu)成電機(jī)的外殼；光電編碼器12固定在后端蓋10與后軸承11 之間，定子6固定在機(jī)殼8內(nèi)壁上，轉(zhuǎn)子9套設(shè)于轉(zhuǎn)軸2上并與定子6相對(duì)間隔設(shè)置。
[0032] 如圖2所示，用于車削類電主軸的內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子9為分段式斜極結(jié) 構(gòu)，包括沿轉(zhuǎn)軸軸向間隔分布的3個(gè)轉(zhuǎn)子鐵心，且各個(gè)轉(zhuǎn)子鐵心與其相鄰的前一轉(zhuǎn)子鐵心 按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)3°機(jī)械角布置，每個(gè)轉(zhuǎn)子鐵心中心位置設(shè)有允許轉(zhuǎn)軸貫穿的軸孔2,遠(yuǎn) 離軸孔2外側(cè)并沿轉(zhuǎn)子鐵心周向均勻間隔設(shè)置多極磁極13,其中，永磁體13的充磁方向?yàn)?平行充磁，每級(jí)磁極各自由一對(duì)長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)且嵌入在永磁體槽14內(nèi)的永磁體13組成，且每 一對(duì)永磁體13形成張角為150度機(jī)械角度且開(kāi)口向外的V型結(jié)構(gòu)；此外，在每極磁極與轉(zhuǎn) 子鐵心18外圓周之間對(duì)應(yīng)設(shè)置多個(gè)磁體通孔16,各個(gè)磁體通孔均沿轉(zhuǎn)子鐵心18周向間隔 排列，磁體通孔的半徑為3?4_，相鄰兩磁體通孔圓心距離為9?12mm，可根據(jù)實(shí)際需要 調(diào)整磁體通孔的位置和大小，達(dá)到調(diào)整電機(jī)的凸極率，增加調(diào)速范圍的目的。
[0033] 如圖3所示，本實(shí)施例中有6極磁極，每極磁極由一對(duì)永磁體13組成，每一對(duì)永磁 體13形成張角為150度機(jī)械角度且開(kāi)口向外的V型結(jié)構(gòu)，此外，每極磁極與轉(zhuǎn)子鐵心外圓 周之間對(duì)應(yīng)設(shè)置3個(gè)磁體通孔。
[0034] 如圖4所示，定子6包括定子鐵芯，該定子鐵芯的外壁上形成有多個(gè)冷卻管道槽7， 這些冷卻管道槽為矩形螺旋槽并用于嵌入冷卻銅管；定子鐵芯的內(nèi)壁上具備多個(gè)沿其周向 排列的定子齒19,每個(gè)定子齒19的弧形端面上設(shè)置兩個(gè)圓弧輔助槽15 ;相鄰定子齒19間 形成定子槽22,用于嵌入三相繞組5,其中，定子槽22優(yōu)選為27個(gè)，形成27槽結(jié)構(gòu)。
[0035] 如圖5所示，定子齒19位于定子內(nèi)壁并沿其周向排列，每個(gè)定子齒19的弧形端面 上設(shè)置兩個(gè)圓弧輔助槽15 ;圓弧輔助槽的半徑為4. 8?5. 2mm，且圓弧輔助槽徑向中心線與 定子齒弧形端面徑向中心線呈2. 8°?3. 2°機(jī)械角度；三相繞組5嵌放于定子槽內(nèi)，用于 感應(yīng)電勢(shì)、產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，以實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換；嵌放于冷卻管道7的冷卻銅管和三相繞組5出 線端從后端蓋10中的后端蓋空心孔17接出，三相繞組5出線端與電機(jī)控制器連接。
[0036] 如圖6所示，冷卻管道槽7為矩形螺旋槽，冷卻銅管嵌于冷卻管道槽內(nèi)，水流在冷 卻銅管中流通，帶走定子熱量。
[0037] 本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以 限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含 在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于車削類電主軸的內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)，該電機(jī)包括：由轉(zhuǎn)軸（2)、前軸承 (3)、前端蓋（4)、后軸承（11)、后端蓋（10)以及機(jī)殼（8)共同構(gòu)成的電機(jī)外殼、固定在機(jī)殼 (8)內(nèi)壁的定子￠)以及套設(shè)于轉(zhuǎn)軸（2)上并與定子（6)相對(duì)間隔設(shè)置轉(zhuǎn)子（9)，其特征在 于， 所述轉(zhuǎn)子（9)為分段式斜極結(jié)構(gòu)，包括沿轉(zhuǎn)軸軸向間隔分布的多個(gè)轉(zhuǎn)子鐵心，且各個(gè) 轉(zhuǎn)子鐵心（18)與其相鄰的前一轉(zhuǎn)子鐵心（18)按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)3°機(jī)械角布置，每個(gè)轉(zhuǎn)子 鐵心中心位置設(shè)有允許轉(zhuǎn)軸貫穿的軸孔（23)，遠(yuǎn)離軸孔（23)外側(cè)并沿轉(zhuǎn)子鐵心周向均勻 間隔設(shè)置多極磁極，每級(jí)磁極各自由一對(duì)長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)且嵌入在永磁體槽（14)內(nèi)的永磁體 (13)組成，且每一對(duì)永磁體形成張角為150度機(jī)械角且開(kāi)口向外的V型結(jié)構(gòu)；此外，在每極 磁極與轉(zhuǎn)子鐵心（18)外圓周之間還對(duì)應(yīng)設(shè)置多個(gè)磁體通孔（16)，各個(gè)磁體通孔均沿周向 間隔排列； 所述定子（6)包括定子鐵芯，該定子鐵芯的外壁上形成有多個(gè)冷卻管道槽（7)，這些冷 卻管道槽為矩形螺旋槽并用于嵌入冷卻銅管；定子鐵芯的內(nèi)壁上具備多個(gè)沿其周向排列的 定子齒（19)，每個(gè)定子齒（19)的弧形端面上設(shè)置兩個(gè)圓弧輔助槽（15);相鄰定子齒（19) 間形成定子槽（22)，用于嵌入三相繞組（5)。
2. 如權(quán)利要求1所述的用于車削類電主軸的內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)，其特征在于，所述 永磁體的充磁方向?yàn)槠叫谐浯拧?br> 3. 如權(quán)利要求1或2所述的用于車削類電主軸的內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)，其特征在于，所 述磁體通孔的半徑為3?4_，相鄰兩磁體通孔圓心距離為9?12_。
4. 如權(quán)利要求1或2所述的用于車削類電主軸的內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)，其特征在于，所 述圓弧輔助槽的半徑為4. 8?5. 2mm，且圓弧輔助槽徑向中心線與定子齒弧形端面徑向中 心線呈2. 8°?3. 2°機(jī)械角度。
5. 如權(quán)利要求1-4任意一項(xiàng)所述的用于車削類電主軸的內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)，其特征 在于，所述用于車削類電主軸的內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)為6極27槽結(jié)構(gòu)。
6. 如權(quán)利要求1-5任意一項(xiàng)所述的用于車削類電主軸的內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)，其特征 在于，所述每極磁極與轉(zhuǎn)子鐵心外圓周之間對(duì)應(yīng)設(shè)置3個(gè)磁體通孔。
7. 如權(quán)利要求1-6任意一項(xiàng)所述的用于車削類電主軸的內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)，其特征 在于，所述三相繞組5為分?jǐn)?shù)槽分布繞組，節(jié)距為4。
【文檔編號(hào)】H02K1/20GK104113154SQ201410242514
【公開(kāi)日】2014年10月22日 申請(qǐng)日期:2014年6月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月3日
【發(fā)明者】楊凱, 潘志城 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)