CN101459367A - 一种外转子直驱式永磁同步力矩伺服电机 - Google Patents

Abstract

一种外转子直驱式永磁同步力矩伺服电机，包括定子和转子，定子包括电机轴、定子铁心和定子绕组；转子包括转子铁心、永磁体、前端盖和后端盖。转子铁心的内表面均匀分布有凸出的转子齿，相邻转子齿之间固定有永磁体；定子铁心内部开有轴向通孔，轴向通孔内放有空心铜管。前后端盖上均开有径向或具有倾斜角度的条形通风口。本发明能够实现有位置传感器闭环控制或无位置传感器矢量开环控制，具备散热功能，结构紧凑、工艺简单、输出转矩大、转速低、运行可靠、高效节能，特别适用于电动车辆和机械设备的直接驱动。

Description

一种外转子直驱式永磁同步力矩伺服电机

技术领域

本发明涉及永磁电机技术领域，具体涉及一种外转子直驱式永磁同步力矩伺服电机，适用于电动车和低速场合机械设备的直接驱动。

背景技术

交流电动机同步转速较高，在低速生产机械领域无法直接使用。采用增加减速机构的办法，又引入了结构复杂、效率降低、噪音增加、维护频繁等问题。为此，研究者们提出了一种能够直接驱动负载的机电一体化产品—直驱式力矩伺服电机。直驱式力矩伺服电机具备输出转矩大、转速低、结构紧凑、运行可靠、高效节能等优点，因而可部分代替“电机+减速机”的搭配应用，减小了体积，提高了效率，在电动车辆、数控机床与自动化装备等众多领域能够得到广泛应用。

永磁同步电机是直驱式力矩伺服电机的一种主要结构型式，大多采用编码器或旋转变压器为位置传感器，并实施正弦波驱动与控制，具有动态响应快、控制精度高、伺服性能好等优点。

为提高电机的功率密度和转矩密度，人们不断探索新的磁路结构，提出了外转子结构的电机设计方案。采用外转子结构的永磁同步电动机比常规永磁同步电动机具有更大的转动惯量，且电枢铁心直径可以做得较大，从而提高了在不稳定负载下电动机的效率和输出功率。为解决位置传感器控制易受干扰、占用电机内部空间的问题，无传感器的位置信号检测技术逐渐引起研究者们的关注。目前的无位置传感器技术，其机理多依赖对电机基波方程的分析，适合于高转速的应用，在低速运行时仍存在很多问题；此外对电机参数敏感，鲁棒性较差；或者技术较复杂，难以实用。近年来，洛仑兹(Lorenz)等学者提出了凸极跟踪法：在电机的出线端注入三相平衡高频电压信号，通过对电机内部寄生或人为的不对称性(凸极性)的检测来获取转子位置信息。这种凸极跟踪方法能够解决低速甚至零速下转子位置的估计。从机理分析和仿真研究表明，该技术具有良好的应用前景。

中国发明专利01113256.6公开了一种“直接驱动钕铁硼永磁外转子同步曳引机”，采用多极外转子结构和特殊的二层环形定子结构，外转子同时作为制动轮，曳引轮固定在外转子上，结构紧凑，可取消齿轮实现直接驱动。电机小轴上安装光电编码器，采用两套制动部件实现制停。中国实用新型专利200420020906.1公开了一种“永磁无刷轮毂电机”，该装置由电机定子、电机转子、轴和轴承等部件组成，电机为轮毂型外转子及三相绕组结构。其特征是，转子极与定子槽配合，磁极为瓦形，面向气隙布置，电机定子铁心由两段槽口不同的冲片叠成，宽槽口部放置霍尔位置传感器元件。

以上两种外子直驱式永磁力矩伺服电机，在定子结构上分别采用了不同的特殊设计：前者用二层环形定子结构提高了运行的平稳性，后者特殊的槽口设计便于安装位置传感器。二者外转子设计均沿用传统的表面贴装式磁路结构，均采用位置传感器伺服控制，对位置传感器元件的安装有一定的空间需求，提高了电机成本。由于体积小，电机没有专门的通风冷却结构，在长时间持续运行情况下难以避免电机温升或局部温升过高。

发明内容

本发明提出的一种直驱式永磁同步力矩伺服电机，具有凸极结构特性，能够实现基于高频信号注入凸极的无传感器矢量控制，同时设置了散热机构，避免由机温度过高

一种外转子直驱式永磁同步力矩伺服电机，包括定子和转子，定子包括电机轴1、定子铁心9和定子绕组8，电机轴1上套有定子铁心9，定子铁心9上安放有定子绕组8；转子包括转子铁心6、永磁体7、前端盖2和后端盖5，转子铁心6位于定子铁心9上方，转子铁心6靠近定子铁心9的表面处安放有永磁体7，前端盖2和后端盖5分别与电机轴1通过轴承相接，转子铁心6位于两端盖之间，并与两端盖固定连接；

所述转子铁心6的内表面均匀分布有凸出的转子齿17，相邻转子齿17之间固定有永磁体7；所述定子铁心9内部开有轴向通孔16，轴向通孔16内放有空心铜管。

所述转子齿(17)截面呈楔形；

所述前端盖和后端盖上开有径向或具有倾斜角度的条形通风口。

本发明的技术效果体现在：

(1)瓦片形永磁体位于转子铁心的内表面，嵌于铁心内壁凸出的转子齿之间，形成具有凸极性能的表面插入式外转子结构；转子齿截面采用楔形结构设计，相邻两楔形齿能够对嵌于其间的永磁体起到固定的作用。永磁体的这种安放方式使得外转子具有凸极结构特性，可实现无传感器矢量控制

(2)定子铁心内部绕有空心铜管，可通入空气或者水，对定子铁心进行冷却。

(3)电机端盖采用风轮式设计，端盖开有数条径向或带有一定倾斜角度的条形通风口，使端盖同时起到风扇的作用，把电机的热量带出机外，降低温升。

本发明电机采用永磁同步电机原理，配合凸极外转子磁路结构，工艺易于实现，配套控制系统的选择也具有较大灵活性：可采用传统的位置传感器，如编码器或旋转变压器等，对电机进行闭环控制；也能够利用跟踪转子凸极的高频信号注入法，实现无传感器矢量开环控制，尤其适合在电机低速和零速下进行转子位置估计，因此在低速驱动领域有良好的应用前景。

附图说明

图1为为本发明电机的纵向剖面结构示意图。

图2为本发明电机轴的结构示意图。

图3为本发明电机定子横向剖面结构示意图。

图4为本发明电机外转子横向剖面结构示意图。

图5为本发明端盖横向剖面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对实施例进行详细说明。

图1为本发明电机的纵向剖面结构示意图，电机轴1上套有定子铁心9，定子铁心9上安放有定子绕组8，电机轴1与定子绕组8、定子铁心9一起组成电机定子。

定子铁心9的上方设有转子铁心6，转子铁心6靠近定子铁心9的表面处安放有永磁体7。在电机轴1上分别套有前端盖2和后端盖5，转子铁心6位于两端盖之间，两端盖分别通过前轴承13和后轴承4与电机轴1轴承连接。两轴承外侧均安装有波形弹簧片3，用以给轴承施加预应力，减少轴承运转的噪音，提高轴承的运转精度与平稳性。前，后端盖2，5分别与转子铁心6固定连接，固定方式有多种，本实施例采用圆柱销12依次穿过前端盖2、转子铁心6和后端盖5，再使用紧固螺母10对其进行紧固。前，后端盖2，5、转子铁心6和永磁体7一起组成电子外转子。在前端盖2的侧面设有连轴器11，用于连接外部负载设备。

图2为本发明电机轴的结构示意图，电机轴采用中空结构，轴的表而径向开有一个与轴内部空心处连通的通孔，作为定子绕组8的引出线通道14。

图3为本发明电机定子横向剖面结构示意图，定子铁心9上均匀开有梯形槽15，定子绕组8嵌在梯形槽15内，其端部引出线经电机轴1的引出线通道14引出。定子铁心9上等间距等径开有一圈轴向通孔16。数根空心铜管穿过这些轴向通孔16绕制在定子铁心9内，空心铜管内可通入空气或者水，用以对定子铁心和端部进行冷却，空心铜管端部引出线也通过引出线通道14引出。

图4为本发明电机外转子横向剖面结构示意图，转子铁心6的内表面均匀分布有凸出的转子齿17，相邻转子齿17之间安放有瓦片形永磁体7。转子齿17截面呈楔形，相邻两楔形齿能够对嵌于其间的永磁体7起到固定的作用。永磁体7的这种安放方式使得外转子具有凸极结构特性，可实现无传感器矢量控制。

图5为本发明端盖横向剖面结构示意图，前、后端盖2、5均采用风轮式设计，兼有风扇的作用。通过数条径向条形通风口18，将电机热量带出机外，降低温升，也可设计为与径向成一定倾角的斜条形通风口19。条形通风口18或19采用流线型截面，靠近端盖内侧的出口采用弧形过渡，以减小风阻。

此外，本发明还可在靠近永磁体磁极的位置设置磁性霍尔编码器，也可采用光电编码器或者旋转变压器等，对电机进行闭环控制。也可以采用凸极跟踪法，在电机出线端注入三相平衡的高频电压信号，通过检测提取，获得转子位置、速度信号，从而实现无传感器矢量开环控制。这种方法尤其适合低速和零速下的转子位置估计。

Claims (3)

1、一种外转子直驱式永磁同步力矩伺服电机，包括定子和转子，定子包括电机轴(1)、定子铁心(9)和定子绕组(8)，电机轴(1)上套有定子铁心(9)，定子铁心9上安放有定子绕组(8)；转子包括转子铁心(6)、永磁体(7)、前端盖(2)和后端盖(5)，转子铁心(6)位于定子铁心(9)上方，转子铁心(6)靠近定子铁心(9)的表面处安放有永磁体(7)，前端盖(2)和后端盖(5)分别与电机轴(1)通过轴承相接，转子铁心(6)位于两端盖之间，并与两端盖固定连接；其特征在于，

所述转子铁心(6)的内表面均匀分布有凸出的转子齿(17)，相邻转子齿(17)之间固定有永磁体(7)；所述定子铁心(9)内部开有轴向通孔(16)，轴向通孔(16)内放有空心铜管。

2、根据权利要求1所述的一种外转子直驱式永磁同步力矩伺服电机，其特征在于，所述转子齿(17)截面呈楔形；

3、根据权利要求1或2所述的一种外转子直驱式永磁同步力矩伺服电机，其特征在于，所述前端盖和后端盖上开有径向或具有倾斜角度的条形通风口。

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