CN101702563B - 具有力矩保持作用的机械臂用高功率密度永磁无刷电机 - Google Patents

Abstract

具有力矩保持作用的机械臂用高功率密度永磁无刷电机，属于电机技术领域。它解决了现有空间机械臂采用高速电机进行驱动需要配套齿轮减速装置，使电机系统结构复杂的问题。它的中空盘式永磁转子由转子磁极和卡环式转子轭组成，转子磁极与卡环式转子轭采用间隙式配合；定子的每块定子铁心上有一个定子齿，多块定子铁心首尾相接形成相互间隔的定子齿与定子槽，定子齿上呈分数槽式缠绕三相对称绕组，每一相绕组的匝数相等，各定子齿上缠绕的同相绕组之间相互串联；多块定子铁心的内圆表面与转子磁极的外圆表面之间为气隙；多块定子铁心的定子齿中部分定子齿在气隙侧开有半圆形槽使电机本体具有力矩保持作用。本发明用于空间机械臂的位置控制。

Description

具有力矩保持作用的机械臂用高功率密度永磁无刷电机

技术领域

本发明涉及一种具有力矩保持作用的机械臂用高功率密度永磁无刷电机，属于电机技术领域。

背景技术

地面高精度机械臂、航天用机械臂以及探月工程用月球车机械臂等驱动采用的电机系统，都需要使机械臂能够克服地球或月球引力作用，在断电的情况下保持所处的位置状态，不致滑落。在月球或其它太空的特殊工作环境中为减小机械臂的体积还需要驱动电机的体积小、重量轻、效率高并运行可靠。由于机械臂末端需要的转速通常非常低，在现有技术中，为减小机械臂体积，电机系统多采用高速无刷电机带齿轮减速装置，这种方式使电机在同样输出功率的前提下本身体积可以做得很小，但其所带的多级减速齿轮结构，导致电机系统的整体结构复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有力矩保持作用的机械臂用高功率密度永磁无刷电机，它解决了现有空间机械臂采用高速电机进行驱动需要配套齿轮减速装置，使电机系统结构复杂的问题。

本发明包括中空盘式永磁转子和定子，中空盘式永磁转子由转子磁极和卡环式转子轭组成，转子磁极与卡环式转子轭采用间隙式配合；定子由多块定子铁心组成，每块定子铁心上有一个定子齿，多块定子铁心首尾相接形成相互间隔的定子齿与定子槽，所述定子齿上呈分数槽式缠绕三相对称绕组，每一相绕组的匝数相等，各定子齿上缠绕的同相绕组之间相互串联；多块定子铁心的内圆表面与转子磁极的外圆表面之间为气隙；所述多块定子铁心的定子齿中部分定子齿的气隙侧开有半圆形槽。

本发明的优点是：本发明是一种低速永磁无刷力矩电机，它作为空间机械臂的驱动装置，能够直接满足空间机械臂末端低转速运行的要求，相对于现有技术中采用高速电机与齿轮减速装置配套来达到使用要求的方式，实现结构简单，电机系统的复杂程序降低；同时由于转子采用中空盘式，在相同重量的前提下能够达到最大的力矩输出，更加适用于航天领域。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；图2是本发明的轴向剖示图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1-图2说明本实施方式，本实施方式包括中空盘式永磁转子1和定子2，中空盘式永磁转子1由转子磁极1-1和卡环式转子轭1-2组成，转子磁极1-1与卡环式转子轭1-2采用间隙式配合；定子2由多块定子铁心2-1组成，每块定子铁心2-1上有一个定子齿，多块定子铁心2-1首尾相接形成相互间隔的定子齿2-1-1与定子槽2-1-2，所述定子齿2-1-1上呈分数槽式缠绕三相对称绕组，每一相绕组的匝数相等，各定子齿2-1-1上缠绕的同相绕组之间相互串联；多块定子铁心2-1的内圆表面与转子磁极1-1的外圆表面之间为气隙；所述多块定子铁心2-1的定子齿2-1-1中部分定子齿2-1-1在气隙侧开有半圆形槽2-1-3。

所述的定子铁心2-1由若干块硅钢片分段叠压而成，定子2采用分块式铁心的设置方式能够减小定位力矩使电机的整体性能保持稳定。由于电机的绕线通常是通过槽口在齿上进行绕线的，若采用整块式的定子2结构，则要求槽口足够大，分块式铁心结构可以解决绕线工艺，进行每个铁心的单独绕线，因此槽口可以做的很小。

工作原理：电机定位力矩的产生主要是由于齿槽的作用，槽口增大则会增大磁阻的波动，磁路设计与力矩保持的原理如下：

对于没有半圆形槽2-1-3的定子齿2-1-1来说，一个齿下的气隙是均匀的，因此气隙磁阻R是相等的，由磁动势F的公式F＝ΦR可知，在磁动势F相等的条件下，一个齿下分布的磁通Φ是相等的，感应电势E与磁通Φ之间的关系式：E＝4.44fWΦ，其中f表示电机旋转的同步频率，W表示电机一相绕组的匝数，由此可以看出对于正常的等气隙齿来说，其产生的感应电势E应该均匀，则感应电流I相同，同时由定位力矩T与磁通Φ之间的关系式T＝C_TΦI可知，定位力矩T在一个齿的范围内为均匀的，其中C_T表示转矩常数。

本实施方式中在定子齿2-1-1的气隙侧开半圆形槽2-1-3，导致气隙磁阻呈现不均匀现象，磁通也发生变化，由此产生定位力矩T的波动，它增大了定位力矩的幅值。就磁场而言，由于存在储能现象，这个开槽产生的定位力矩波动不会影响电机平均力矩的大小。半圆形槽2-1-3半径的大小视所需保持力矩而定。具有半圆形槽2-1-3的定子齿2-1-1的数目也视具体需要而定，例如当有三个定子齿2-1-1上具有半圆形槽2-1-3，对于齿的选定也视所需定位力矩的大小而定。如果需要较大的定位力矩，则可将其放置在一相绕组所缠绕的定子齿2-1-1上；如果需要较小的定位力矩，则可以将具有半圆形槽2-1-3的定子齿2-1-1分别设在两相绕组所对应的定子齿2-1-1上。

采用卡环式转子轭1-2与转子磁极1-1的间隙配合方式，能够对转子结构起到固定作用。这样的结构可以保证对于月球等冷热温差在±150℃的太空环境及剧烈震动前提下的转子保持稳定，同时可以防止在较大温度变化范围内卡环式转子轭1-2与转子磁极1-1由于膨胀系数不同造成过盈量加大而使永磁材料发生挤碎现象。为达到在相同输出力能指标情况下，尽量减小转子惯量及电机整体重量，达到便于控制的目的，转子采用中空盘式结构，中空部分可用于走线或者安装旋转变压器等位置传感器，充分的利用了转子的有效空间。

本发明所述电机在月球引力或其他引力的作用下，在不上电时也有保持机械臂的固定姿态不下落的稳定定位力矩。正常情况下，电机的定位力矩的作用是不利的，通常会经过合理的设计减小定位力矩。本发明通过设置半圆形槽2-1-3来适当增加定位力矩，使电机在不改变整体力能特性的前提下，通过规则地改变定子磁阻分布来达到增加定位力矩的目的。

本实施方式中定子铁心2-1的块数与极对数及相数相关，多块定子铁心2-1上的绕组通过灌注环氧工艺填充与连接。使用时可在定子2上增加铝壳与霍尔元件电路及安装板，使电机具有霍尔、旋变冗余位置传感结构。本发明电机结构紧凑、效率高、重量轻、伺服性能优良，适用于高精度位置控制机器人关节系统。

具体实施方式二：本实施方式与实施方式一的不同之处在于所述半圆形槽2-1-3的半径范围为0.1mm-0.2mm。其它组成及连接关系与实施方式一相同。

半圆形槽2-1-3的半径尺寸视所需定位保持力矩的大小而定，若需定位保持力矩较大，则半径选择相对大一点，反之则相反。

具体实施方式三：本实施方式与实施方式一或二的不同之处在于所述气隙范围为0.25mm-0.35mm。其它组成及连接关系与实施方式一或二相同。

气隙在保证装配要求的前提下尽量减小能够适当增加气隙磁场密度，提高电机的功率密度。

具体实施方式四：本实施方式与实施方式三的不同之处在于所述转子磁极1-1采用钐钴永磁材料。其它组成及连接关系与实施方式三相同。

Claims (4)

1.一种具有力矩保持作用的机械臂用高功率密度永磁无刷电机，其特征在于：它包括中空盘式永磁转子(1)和定子(2)，中空盘式永磁转子(1)由转子磁极(1-1)和卡环式转子轭(1-2)组成，转子磁极(1-1)与卡环式转子轭(1-2)采用间隙式配合；定子(2)由多块定子铁心(2-1)组成，每块定子铁心(2-1)上有一个定子齿，多块定子铁心(2-1)首尾相接形成相互间隔的定子齿(2-1-1)与定子槽(2-1-2)，所述定子齿(2-1-1)上呈分数槽式缠绕三相对称绕组，每一相绕组的匝数相等，各定子齿(2-1-1)上缠绕的同相绕组之间相互串联；多块定子铁心(2-1)的内圆表面与转子磁极(1-1)的外圆表面之间为气隙；所述多块定子铁心(2-1)的定子齿(2-1-1)中部分定子齿(2-1-1)在气隙侧开有半圆形槽(2-1-3)。

2.根据权利要求1所述的具有力矩保持作用的机械臂用高功率密度永磁无刷电机，其特征在于：所述半圆形槽(2-1-3)的半径范围为0.1mm-0.2mm。

3.根据权利要求1或2所述的具有力矩保持作用的机械臂用高功率密度永磁无刷电机，其特征在于：所述气隙范围为0.25mm-0.35mm。

4.根据权利要求3所述的具有力矩保持作用的机械臂用高功率密度永磁无刷电机，其特征在于：所述转子磁极(1-1)采用钐钴永磁材料。

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