CN101159400A - 一种卫星天线指向机构用力矩电机 - Google Patents

Abstract

一种卫星天线指向机构用力矩电机，主要包括杯形转轴、左挡环、左端盖、左轴承、壳体、外定子铁心、外空心杯定子、外Halbach磁体、外转子铁心、内转子铁心、内Halbach磁体、右挡环、内空心杯定子、内定子铁心、右轴承和右端盖，外Halbach磁体、外转子铁心、内转子铁心和内Halbach磁体与杯形转轴相连，是电机的转动部分，其余为电机的静止部分。本发明利用了外Halbach磁体结构和内Halbach磁体结构，可以使得铁心厚度大大减小，气隙磁密大大增加，气隙正弦性大大提高，从而减小了体积、重量以及换向扰动力矩，降低了电机的损耗，大大增加了力矩电机的输出力矩。

Description

一种卫星天线指向机构用力矩电机

技术领域

本发明涉及一种力矩电机，特别是一种卫星天线指向机构用Halbach磁体结构力矩电机，特别适用于小体积、低功耗、低速等场合。

背景技术

传统的力矩电机多采用无刷直流电机或永磁同步电机，为了提高输出力矩，其结构形式往往是大径长比，卫星天线指向机构的力矩电机对其输出力矩、体积、精度、质量、功耗等指标有严格的要求，在有限的体积中要实现大的输出力矩，现有的电机往往采用双定子的结构形式，如图1所示，现有双定子电机分为两种形式，一种是图1a所示的同心式结构，另一种是图1b所示的并行式结构(实用新型专利：ZL01244751.X)，在图1a的同心式结构中，1为转子杯，2为内定子，3为外定子，对于直流电机，转子杯1采用高强度漆包铜线绕制，对于交流伺服电机，转子杯为一金属环，该金属环可以是磁性材料，也可以是非磁性材料，对于永磁电机，则为永磁体。现有同心式结构的双定子电机的内定子2与外定子3上均开槽放置有绕组，提供励磁或磁场，齿槽的存在会产生齿槽转矩，大大影响了力矩电机的输出精度；而作为并行式结构的双定子电机，两个定子并行放置，如图1b所示，1为主定子，2为调速定子，3为转子，4为转子导条，5为短路电阻环。这类电机主要用于调速系统，其体积往往都很大。这两种形式的电机均难以满足卫星天线指向机构对力矩电机低功耗、大力矩、小体积的要求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种精度高、力矩大、体积小、功耗低、重量轻的力矩电机。

本发明的技术解决方案是：一种卫星天线指向机构用力矩电机，其特征在于：由杯形转轴、左挡环、左端盖、左轴承、壳体、外定子铁心、外空心杯定子、外Halbach磁体、外转子铁心、内转子铁心、内Halbach磁体、右挡环、内空心杯定子、内定子铁心、右轴承和右端盖组成，外空心杯定子与外定子铁心相连，外空心杯定子径向内侧为外Halbach磁体，外Halbach磁体与外转子铁心相连，外转子铁心的径向内侧为内转子铁心，内转子铁心的径向内侧为内Halbach磁体，内Halbach磁体的径向内侧是内空心杯定子，内空心杯定子的径向内侧是内定子铁心，内空心杯定子与内定子铁心相连，外Halbach磁体、外转子铁心、内转子铁心和内Halbach磁体与杯形转轴相连，是电机的转动部分，其余为电机的静止部分。外定子铁心与左端盖和壳体相连，左端盖和壳体通过螺钉固定，内定子铁心与左挡环和壳体相连，左挡环和壳体通过螺钉固定，右端盖通过螺钉与壳体相连；左轴承与杯形转轴和左端盖相连，右轴承与杯形转轴和右端盖相连，左轴承与右轴承用以支撑杯形转轴。

所述的外Halbach磁体置于外转子铁心，如果力矩电机的极对数为p，每极所分成Halbach磁体的块数为n，则第i块磁体(i＝1～2pn)充磁方向的角度θ_i按照式 ${\mathrm{\θ}}_i=(1-p)\·\frac{360\·(i-1)}{2\mathrm{pn}}$ 进行，然后将各个磁体粘结在一起。所述的内Halbach磁体结构置于内转子铁心，如果力矩电机的极对数为p，每极所分成Halbach磁体的块数为n，则第i块磁体(i＝1～2pn)充磁方向的角度θ_i按照式 ${\mathrm{\θ}}_i=(1+p)\·\frac{360\·(i-1)}{2\mathrm{pn}}$ 进行，然后将各个磁体粘结在一起。

所述的外Halbach磁体和内Halbach磁体结构是等弧长结构，也可以是变弧长结构，此时每极下最大的磁块对应的圆心角为

式中p为电机的极对数，n为每极所分成Halbach磁体的块数。

所述的外空心杯定子和内空心杯定子均是由杯形骨架和绕组组成。

所述的外Halbach磁体和内Halbach磁体的材料为衫钴、铁氧体或钕铁硼永磁材料中的任意一种。

所述的外转子铁心和内转子铁心的材料为性能良好的导磁材料，如电工纯铁、电工硅钢板DR510、DR470、DW350、1J50和1J79中的任意一种；也可以为非导磁材料，如铜、铝、钛合金中的任意一种。

所述的外定子铁心和内定子铁心的材料为性能良好的导磁材料，如电工纯铁、电工硅钢板DR510、DR470、DW350、1J50和1J79中的任意一种；也可以为非导磁材料，如铜、铝、钛合金中的任意一种。

所述的左轴承和右轴承可以用机械轴承，也可以用纯电磁磁悬浮轴承或永磁偏置磁悬浮轴承，对于低功耗、高速等场合，应使用永磁偏置磁悬浮轴承。

所述的外Halbach磁体(8)和内Halbach磁体(11)的材料为磁能积大的永磁材料，如钕铁硼N50、N48M或N45M时，可以省去外转子铁心和内转子铁心。

本发明的原理是：本发明的永磁体为外Halbach磁体结构和内Halbach磁体结构，每一块永磁体按照一定方式进行充磁并粘结在一起，力矩电机的转子铁心分为外转子铁心和内转子铁心两部分，两者固定在转子轴上并与转轴一起旋转，由于Halbach磁体相对于转子铁心没有相对运动，从而不会在转子铁心和转子轴中产生涡流损耗；由于电机定子为空心杯绕组结构，没有定子铁心和齿槽，因而没有齿槽转矩，通过位置传感器(对于力矩电机，通常为旋转变压器和轴角变换器)检测电机转子位置，采用SVPWM调制方式，给相应的绕组中通以直流电流，这样绕组中就会产生正弦波旋转磁场，该磁场与Halbach磁体产生的磁场相互作用，使得外转子铁心、内转子铁心以及转轴一同旋转。

另外，对于无齿槽大气隙电机来说，为了进一步减小换向扰动力矩改善换向性能，可以采用变弧长Halbach磁体结构，即：使得每极下的Halbach磁体块数的弧长不相等，由于Halbach磁体结构为多向充磁方式，因此改变磁块的弧长必将导致气隙磁密波形发生变化，因此通过优化每极下Halbach磁体块数的不同弧长可以使得气隙磁密产生更好的正弦性，使得气隙磁密正弦畸变率降低。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明一种卫星天线指向机构用力矩电机，使力矩电机具有体积小、重量轻、损耗小、转矩平稳、电枢反应小等优点，同时可以使得铁心厚度大大减小，气隙磁密大大增加，且气隙磁密正弦性更好，这是由于：(1)与传统的无刷直流力矩电机相比，由于本发明的电机没有齿槽，故消除了传统无刷直流力矩电机的齿槽效应，由于该种结构电机电枢反应弱，还有利于无传感器等各种控制方法的实现；(2)本发明采用了Halbach磁体结构，置于外转子铁心，由于磁体磁通绝大部分与气隙及内转子铁心闭合，所以可使外转子铁心轭部尺寸大大减小，这有利于减小电机体积，减轻电机重量；置于内转子铁心，由于磁体磁通绝大部分与气隙及外转子铁心闭合，所以可使内转子铁心轭部尺寸大大减小，这同样有利于减小电机体积、减轻电机重量；由于Halbach磁体本身的充磁特点，都会使得气隙磁密大大提高，这有利于电机转矩的提高，又由于电机采用了外Halbach磁体以及内Halbach磁体结构，因而转矩会进一步提高；(3)与现有的双定子电机相比，由于电机无定子铁心和齿槽，所以从根本上消除了定子铁心损耗以及齿槽转矩；又由于外转子铁心与内转子铁心和Halbach磁体均无相对运动，所以消除了转子铁心和转子轴中的涡流损耗。(4)本发明的外Halbach磁体与内Halbach磁体还可以采用变弧长的磁体结构，可以进一步改善电机气隙磁场的正弦性，大大减小电机的换向扰动力矩。

附图说明

图1为现有的双定子电机结构示意图，图1a为同心结构双定子电机，图1b为并行结构双定子电机；

图2为本发明的力矩电机结构示意图；

图3为本发明的力矩电机外Halbach磁体结构示意图，图3a为等弧长Halbach磁体结构，图3b为变弧长Halbach磁体结构；

图4为本发明的力矩电机内Halbach磁体结构示意图，图4a为等弧长Halbach磁体结构，图4b为变弧长Halbach磁体结构；

图5为本发明的力矩电机外空心杯定子结构示意图；

图6为本发明的力矩电机内空心杯定子结构示意图。

具体实施方式

如图2所示，本发明的卫星天线指向机构用力矩电机，其特征在于：由杯形转轴1、左挡环2、左端盖3、左轴承4、壳体5、外定子铁心6、外空心杯定子7、外Halbach磁体8、外转子铁心9、内转子铁心10、内Halbach磁体11、右挡环12、内空心杯定子13、内定子铁心14、右轴承15和右端盖16组成，外空心杯定子7与外定子铁心6相连，外空心杯定子7径向内侧为外Halbach磁体8，外Halbach磁体8与外转子铁心9相连，外转子铁心9的径向内侧为内转子铁心10，内转子铁心10的径向内侧为内Halbach磁体11，内Halbach磁体11的径向内侧是内空心杯定子13，内空心杯定子13的径向内侧是内定子铁心14，内空心杯定子13与内定子铁心14相连，外Halbach磁体8、外转子铁心9、内转子铁心10和内Halbach磁体11与杯形转轴1相连，是电机的转动部分，其余为电机的静止部分。外定子铁心6与左端盖3和壳体5相连，左端盖3和壳体5通过螺钉固定，内定子铁心14与左挡环2和壳体5相连，左挡环2和壳体5通过螺钉固定，右端盖16通过螺钉与壳体5相连；左轴承4与杯形转轴1和左端盖3相连，右轴承15与杯形转轴1和右端盖16相连，左轴承4与右轴承15用以支撑杯形转轴1。

图2中的左轴承4和右轴承15可以用机械轴承，也可以用磁悬浮轴承，对于低功耗、高速等场合，应使用磁悬浮轴承。

如图3所示，为本发明的力矩电机的外Halbach磁体结构示意图，如果电机的极对数为p(本实施例取p＝8)，每极所分成Halbach磁体的块数为n(本实施例取n＝3)，则第i块磁体(i＝1～2pn)充磁方向的角度θ_i按照式 ${\mathrm{\θ}}_i=(1-p)\·\frac{360\·(i-1)}{2\mathrm{pn}}$ (本实施例为θ_i＝-52.5°·(i-1))进行，然后将各个磁体粘结在一起。图3a为等弧长外Halbach磁体结构图，本实施例采用的每极3块的磁体的圆心角为7.5°、7.5°和7.5°放置。图3b为变弧长Halbach磁体结构图，在变弧长磁体结构中，每极下最大的磁块对应的圆心角为式中p为电机的极对数，n为每极所分成Halbach磁体的块数。根据磁场分析可以得出电机气隙磁密的正弦波形畸变率与最大磁块对应圆心角之间的关系，本实施例每极下的最大磁块对应的圆心角为7.5°～15°，最优取为11.5°，即采用的每极3块的磁体的圆心角按照5.5°、11.5°和5.5°放置。对等弧长以及变弧长Halbach磁体阵列的气隙磁密进行谐波分析可以得到变弧长Halbach磁体阵列在气隙处产生的波形畸变率比等弧长Halbach磁体阵列减小22％。

其中外Halbach磁体8可以采用衫钴、铁氧体或钕铁硼等永磁材料中的任意一种即可。

如图4所示，为本发明的力矩电机的内Halbach磁体结构示意图，如果电机的极对数为p(本实施例取p＝8)，每极所分成Halbach磁体的块数为n(本实施例取n＝3)，则第i块磁体(i＝1～2pn)充磁方向的角度θ_i按照式 ${\mathrm{\θ}}_i=(1+p)\·\frac{360\·(i-1)}{2\mathrm{pn}}$ (本实施例为θ_i＝67.5°·(i-1))进行，然后将各个磁体粘结在一起。图4a为等弧长内Halbach磁体结构图，图4b为变弧长内Halbach磁体结构图。对等弧长以及变弧长Halbach磁体阵列的气隙磁密进行谐波分析可以得到变弧长Halbach磁体阵列在气隙处产生的波形畸变率比等弧长Halbach磁体阵列减小22％。

其中内Halbach磁体11可以采用衫钴、铁氧体或钕铁硼等永磁材料中的任意一种即可。

如图5所示，为本发明的力矩电机外空心杯定子结构示意图，外空心杯形子7包括由杯形骨架71和绕组72组成，骨架71上开有槽，绕组72绕成链式缠绕在骨架71上，并用环氧树脂灌封。实际力矩电机转速很低，通常采用旋转变压器以及轴角变换器检测电机转子实际的位置，根据转子的位置，采用SVPWM空间矢量调制方法对力矩电机进行控制。

如图6所示，为本发明的力矩电机内空心杯定子结构示意图，内空心杯形子13包括由杯形骨架131和绕组132组成，骨架131上开有槽，绕组132绕成链式缠绕在骨架131上，并用环氧树脂灌封。实际力矩电机转速很低，通常采用旋转变压器以及轴角变换器检测电机转子实际的位置，根据转子的位置，采用SVPWM空间矢量调制方法对力矩电机进行控制。

需要说明的是，外Halbach磁体8和内Halbach磁体11的材料为磁能积大的永磁材料，如钕铁硼N50、N48M或N45M时，可以省去外转子铁心9和内转子铁心10以减小电机体积和重量。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种卫星天线指向机构用力矩电机，其特征在于：由杯形转轴(1)、左挡环(2)、左端盖(3)、左轴承(4)、壳体(5)、外定子铁心(6)、外空心杯定子(7)、外Halbach磁体(8)、外转子铁心(9)、内转子铁心(10)、内Halbach磁体(11)、右挡环(12)、内空心杯定子(13)、内定子铁心(14)、右轴承(15)和右端盖(16)组成，外空心杯定子(7)与外定子铁心(6)相连，外空心杯定子(7)径向内侧为外Halbach磁体(8)，外Halbach磁体(8)与外转子铁心(9)相连，外转子铁心(9)的径向内侧为内转子铁心(10)，内转子铁心(10)的径向内侧为内Halbach磁体(11)，内Halbach磁体(11)的径向内侧是内空心杯定子(13)，内空心杯定子(13)的径向内侧是内定子铁心(14)，内空心杯定子(13)与内定子铁心(14)相连，外Halbach磁体(8)、外转子铁心(9)、内转子铁心(10)和内Halbach磁体(11)与杯形转轴(1)相连，是电机的转动部分，其余为电机的静止部分。外定子铁心(6)与左端盖(3)和壳体(5)相连，左端盖(3)和壳体(5)通过螺钉固定，内定子铁心(14)与左挡环(2)和壳体(5)相连，左挡环(2)和壳体(5)通过螺钉固定，右端盖(16)通过螺钉与壳体(5)相连；左轴承(4)与杯形转轴(1)和左端盖(3)相连，右轴承(15)与杯形转轴(1)和右端盖(16)相连，左轴承(4)与右轴承(15)用以支撑杯形转轴(1)。

2.根据权利要求1所述的力矩电机，其特征在于：所述的外Halbach磁体(8)置于外转子铁心(9)，如果力矩电机的极对数为p，每极所分成Halbach磁体的块数为n，则第i块磁体(i＝1～2pn)充磁方向的角度θ_i按照式 ${\mathrm{\θ}}_i=(1-p)\·\frac{360\·(i-1)}{2\mathrm{pn}}$ 进行，然后将各个磁体粘结在一起。

3.根据权利要求1所述的力矩电机，其特征在于：所述的内Halbach磁体(11)结构置于内转子铁心(10)，如果力矩电机的极对数为p，每极所分成Halbach磁体的块数为n，则第i块磁体(i＝1～2pn)充磁方向的角度θ_i按照式 ${\mathrm{\θ}}_i=(1+p)\·\frac{360\·(i-1)}{2\mathrm{pn}}$ 进行，然后将各个磁体粘结在一起。

4.根据权利要求1所述的力矩电机，其特征在于：所述的外Halbach磁体(8)结构和内Halbach磁体(11)结构是等弧长结构，也可以是变弧长结构，此时每极下最大的磁块对应的圆心角为

式中p为电机的极对数，n为每极所分成Halbach磁体的块数。

5.根据权利要求1所述的力矩电机，其特征在于：所述的外空心杯定子(7)和内空心杯定子(14)均是由杯形骨架和绕组组成。

6.根据权利要求1所述的力矩电机，其特征在于：所述的外Halbach磁体(8)和内Halbach磁体(11)的材料为衫钴、铁氧体或钕铁硼永磁材料中的任意一种。

7.根据权利要求1所述的力矩电机，其特征在于：所述的外转子铁心(9)和内转子铁心(10)的材料为性能良好的导磁材料，如电工纯铁、电工硅钢板DR510、DR470、DW350、1J50和1J79中的任意一种；也可以为非导磁材料，如铜、铝、钛合金中的任意一种。

8.根据权利要求1所述的力矩电机，其特征在于：所述的外定子铁心(6)和内定子铁心(14)的材料为性能良好的导磁材料，如电工纯铁、电工硅钢板DR510、DR470、DW350、1J50和1J79中的任意一种；也可以为非导磁材料，如铜、铝、钛合金中的任意一种。

9.根据权利要求1所述的力矩电机，其特征在于：所述的左轴承(4)和右轴承(15)为机械轴承，也可以用纯电磁磁悬浮轴承或永磁偏置磁悬浮轴承。

10.根据权利要求1所述的力矩电机，其特征在于：所述的外Halbach磁体(8)和内Halbach磁体(11)的材料为磁能积大的永磁材料，如钕铁硼N50、N48M或N45M时，可以省去外转子铁心(9)和内转子铁心(10)。

Images