CN104052222A - 用于大型转台的双边弧形永磁同步电机 - Google Patents

Abstract

本发明用于大型转台的双边弧形永磁同步电机，由多块定子组和一个转子组成，每块定子组由上下两块相同的定子件、铁心单元、铁心定位件、线圈绕组、定子外壳、连接件构成。上下两块定子件由连接件连接定位；铁心单元上绕有线圈绕组，铁心单元和线圈绕组通过铁心定位件连接定位；铁心单元和线圈绕组通过环氧浇注的方式固定在定子外壳里，整块定子组用螺钉通过定子外壳上的螺纹孔固定在转台设备的固定台面上；转子由四块相同的弧形扇区机构拼接，每块扇区结构由永磁体和磁轭构成，磁轭上下两表面分别粘有永磁，转子整体用螺钉通过磁轭上通孔固定在转台设备的转动部分上；所述多块定子采用错位排列方式安装。

Description

用于大型转台的双边弧形永磁同步电机

技术领域

本发明属于电动机设计领域，涉及一种用于大型转台的双边弧形永磁同步电机。

背景技术

传统的大型转台设备采用的传动方式主要包括：蜗轮蜗杆传动、齿轮传动、摩擦传动和力矩电机同轴安装传动。这些传统的传动方式在大型转台设备的发展的过程中都起到了举足轻重的作用，但是这些传动方式仍然存在着诸多的缺点，尤其是随着科学技术的不断进步，研制新一代大型转台设备时这些传动方式已不能胜任。采用涡轮蜗杆传动方式时，涡轮的尺寸难以做得很大，而且大尺寸涡轮精度难以得到保证，对于大型转台设备而言传动质量一般都很大，常常使涡轮部分的惯量与其啮合的蜗杆部分惯量难以匹配。在大型转台设备被制动时，蜗杆副的不可逆转特性会产生很大的冲击，若采取在蜗杆轴上加质量的办法来匹配惯量消除冲击，不仅需要增加许多质量，而且会使大型转台设备伺服系统的机电时间常数增大，延长了起、制动时间，也降低了伺服跟踪性能。蜗轮蜗杆传动已经不适应对于控制要求越来越高的现代大型转台设备；摩擦传动虽然克服了涡轮蜗杆传动的致命弱点，但传动刚度差、低速爬行和滑移则是自身的致命弱点，低速爬行会影响运动稳定性和传动精度，而滑移则会引起观测目标的像在视场中抖动，严重时像会漂移出视场；齿轮传动与涡轮蜗杆传动类似，都属于啮合传动，同样存在反向间隙、高频齿形误差、较高齿面接触应力等问题；采用力矩电机同轴安装传动时，由于传统的大力矩低转速旋转电机极数多、直径大、电刷多，产生的摩擦力矩和惯量大，使控制系统成为严重的非线性，不易实现高精度跟踪。同时随着电机尺寸的增大，会给电机的加工、运输带来诸多不便，使电机的制造成本增加。

发明内容

为了解决现有技术的问题不足，本发明的目的是提供一种用于大型转台的双边弧形永磁同步电机，该电机可以有效减小电机由齿槽力、边端力、径向吸引力造成的力矩波动，以实现大型转台设备的平稳、高精度运行，满足大型转台设备对大型低力矩波动弧形电机的需要。

本发明一种用于大型转台的双边弧形永磁同步电机，是一种由多块相同弧形定子组成的大力矩、低波动交流永磁同步电机，所述电机由多块结构相同的定子组和一个转子装配而成；每块定子组由两块相同的定子件、连接件、铁心定位件、线圈绕组、铁心单元、定子外壳构成；上下两块定子件由连接件连接定位；铁心单元上绕有线圈绕组，铁心单元和线圈绕组通过铁心定位件连接定位；铁心单元和线圈绕组通过环氧浇注的方式固定在定子外壳里，整块定子组用螺钉通过定子外壳上的螺钉孔固定在大型转台设备的固定台面上；转子由四块相同的弧形扇区机构拼接而成，每块扇区结构由永磁体和磁轭构成，磁轭上下两表面分别粘有永磁铁；转子整体用螺钉通过磁轭上通孔固定在大型转台设备的转动部分上；所述多块定子采用错位排列方式安装，用于有效降低电机整体的磁阻力，减小电机的力矩波动。

上述的一种用于大型转台的双边弧形永磁同步电机传动装置主要是为大型转台设备的实验样机设计的，尺寸是按照比例进行缩放的，为了节约成本，定子块也只设计加工为3块，永磁铁的个数设计加工为64极。但是按照本发明的设计思想，完全可以制造出直径为8～10米的弧形电机，为了得到更大的力矩，永磁体的个数和定子块的个数可以任意增加。

更具体地说就是，设计制造更大尺寸的弧形电机，就是可以将永磁体的极数取得更多，这样每块永磁体的对应的中心角就会变得更小，只要保证每块定子节距对应160°电角度，那么每块定子对应的中心角就会减小，这样就可以排放下更多的定子块，并且电机总体出力和定子的个数成正比例，这样就可以使电机整体出更多的力矩。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明采用多弧线电机的方式来驱动大型转台设备，与传统的驱动方式相比，省去了大量的齿轮、丝杠、摩擦轮等中间传动环节，大大地提高了系统的传动精度和传动效率；系统中没有相互接触的摩擦副，不存在摩擦现象和各种摩擦引起的爬行问题，同时该种传动方式将驱动力均匀地分布在整个传动机构上，大大减小了传动系统局部变形，提高了传动系统的刚度。随着科技的发展，大型转台设备的尺寸越来越大，需要的力矩电机的尺寸越来越大。与同轴安装力矩电机相比，本发明可以将电机的定子分成多块，大大地减小了加工和运输难度，可以满足大型转台设备的发展对新型传动方式的需要，实现大型转台设备的平稳、高精度运行。本发明中每块定子组结构形式完全一样，由上下两块相同的定子组成，上下两块定子由连接件连接定位。每块定子由铁心单元、铁心定位件、线圈绕组、定子外壳、定子外壳连接件构成。转子由四块相同的弧形扇区机构拼接而成，每块扇区结构由永磁体和磁轭构成，磁轭上下两表面分别粘有永磁铁。整个电机采用分数槽结构设计，永磁铁的形状、每块定子的长度、以及齿槽的形状经过有限元优化设计，可以将由边端效应和齿槽效应造成的力矩波动大大减小。该种电机可以根据实际应用情况进行定制，可以满足各种大型转台的尺寸需求。该种电机可以很好地抵消转子和定子之间的巨大吸引力，方便安装和拆卸。另外由于该种电机定子和转子分块加工测试，可以有效降低大型电机加工难度，同时也可以降低加工、运输、安装费用。

附图说明

图1本发明实例整体结构图；

图2本发明实例转子弧形扇区单元结构图；

图3本发明实例定子组整体结构图；

图4本发明实例定子外壳结构图；

图5本发明实例定子铁心整体及绕组结构图；

图6本发明实例单块定子绕组排布图；

图7本发明实例定子铁心单元连接件结构图；

图8本发明实例定子铁心单元结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1示出本发明用于大型转台的双边弧形永磁同步电机的实例整体结构，电机主要由三个定子组1-1、1-2、1-3、转子构成。每块定子组结构形式完全一样，由上下两块相同的定子件组成，上下两块定子组由连接件6连接定位。如图3、4、5所示每块定子组由由两块相同的定子件、连接件6、铁心定位件11、线圈绕组12、铁心单元13、定子外壳构成。参照图4、图5、图7所示，铁心单元13上缠绕有线圈绕组12，铁心单元13和线圈绕组12通过铁心定位件11连接定位；铁心单元13和线圈绕组12通过环氧浇注的方式固定在定子外壳里，整块定子组1-1、1-2、1-3用螺钉通过定子外壳上的螺钉孔5固定在大型转台设备的固定台面上；转子由四块相同的弧形扇区机构拼接而成，每块扇区结构由永磁体3和磁轭2构成，磁轭2上下两表面分别粘有永磁铁3；转子整体用螺钉通过磁轭上通孔2-1、2-2固定在大型转台设备的转动部分上；所述多块定子采用错位排列方式安装，用于有效降低电机整体的磁阻力，减小电机的力矩波动。

多块铁心单元13安装在铁心定位件11上，在铁心单元13上缠绕线圈绕组12，铁心定位件11通过通孔14和15安装在定子外壳内。如图2所示，转子由四块弧形扇区单元组成，每块弧形扇区单元90度。每块弧形扇区单元由永磁体3和转子磁轭2构成，永磁体3贴在转子磁轭2的上下表面。

如图1所示，所述每块定子采用分数槽结构设计，定子槽开口大小采用有限元最优化设计，这样可以最大限度地减小齿槽转矩。定子组1-1、1-2、1-3的个数可以随意增加或减少，定子组1-1、1-2、1-3安装时只需保证相邻定子组之间角度为360/n，其中n为定子组1-1、1-2、1-3的个数，这样可以最大限度地减小齿槽转矩和边端转矩，减小由此产生的力矩波动；不同定子组1-1、1-2、1-3之间相同相线圈绕组12采用并联的连接方式。

如图2所示转子弧形扇区单元结构图，转子由四块相同的弧形扇区单元拼接成为一个整圆。转子通过通孔2-1、2-2安装在大型转台设备的转动部分上。转子弧形扇区单元外贴永磁体，永磁体3的形状采用有限元法优化设计，使气隙中磁场成正弦规律分布，以用以最大限度地减小电机产生的力矩波动。永磁体3的最高高度为8mm，电机转子磁轭2采用导磁性良好的45号钢。永磁体3的材料型号为NdFeB，该种永磁体3剩磁达到1.08T，矫顽力达到790KA/m。

如图3定子组整体结构图所示，每块定子组结构形式完全一样，由上下两块相同的定子组成，上下两块定子由连接件6连接定位。上下两块定子间的相应相绕组通过线缆插头4串联在一起。不同定子组之间相同相绕组采用并联的连接方式。每块定子组上开有螺纹孔5，可以方便安装/拆卸机构的安装。

如图4定子外壳结构图所示，每个定子壳上开有4个相同的通孔7，用以安装定子外壳连接件。8和9是螺纹孔，用以安装铁心定位件。10是线缆插头的安装位置，铁心定位件11是安装/拆卸机构的安装位置。

如图5定子铁心整体及绕组结构图所示，铁心单元13上绕有线圈绕组12，铁心单元13和线圈绕组12通过铁心定位件11连接定位。多块铁心单元13安装在铁心定位件11上以后，然后在铁心单元13上缠绕线圈，最后用螺钉将铁心定位件11安装在定子壳内。

如图5和图6单块定子绕组排布图所示电机每块定子九极八槽，线圈绕组12采用跨相邻槽的方式缠绕，从右至左，线圈绕组12分别按AaaAAaBbbBBbCccCCc的方式缠绕，其中A表示A相线圈绕进，a表示A相线圈绕出，B表示B相线圈绕进，b表示B相线圈圈绕出，、C表示C相线圈绕进，c表示C相线圈绕出。电机线圈绕组12采用漆包线，线圈绕组12采用双股并绕的方式。

如图7定子铁心单元连接件结构图所示，铁心定位件上有九个伸出梁用来安装铁心单元，铁心定位件上开有通孔14、15用来将铁心和线圈绕组固定在定子壳内部。

如图5和图8定子铁心单元结构图所示，电机由多块完全相同的定子块组成，每块定子由九个相同的铁心单元组成，每个铁心单元由多片厚度为0.5mm的轧制矽钢片叠压而成，定子矽钢片材料型号是M19_24G，每块定子的长度经过有限元优化设计，用以最大限度地减小边端力矩造成的力矩波动。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (10)

1.一种用于大型转台的双边弧形永磁同步电机，其特征在于：所述电机由多块结构相同的定子组和一个转子装配而成；每块定子组由两块相同的定子件、连接件、铁心定位件、线圈绕组、铁心单元、定子外壳构成；上下两块定子件由连接件连接定位；铁心单元上绕有线圈绕组，铁心单元和线圈绕组通过铁心定位件连接定位；铁心单元和线圈绕组通过环氧浇注的方式固定在定子外壳里，整块定子组用螺钉通过定子外壳上的螺钉孔固定在大型转台设备的固定台面上；转子由四块相同的弧形扇区机构拼接而成，每块扇区结构由永磁体和磁轭构成，磁轭上下两表面分别粘有永磁铁；转子整体用螺钉通过磁轭上通孔固定在大型转台设备的转动部分上；所述多块定子采用错位排列方式安装，用于有效降低电机整体的磁阻力，减小电机的力矩波动。

2.根据权利要求1所述的用于大型转台的双边弧形永磁同步电机，其特征在于：永磁体的结构采用有限元法优化设计，使气隙中磁场成正弦规律分布，用以最大限度地减小电机产生的力矩波动。

3.根据权利要求1所述的用于大型转台的双边弧形永磁同步电机，其特征在于：磁轭采用导磁性良好的45号钢，永磁体最高高度为8mm，该种永磁体剩磁达到1.08T，矫顽力达到790KA/m。

4.根据权利要求1所述的用于大型转台的双边弧形永磁同步电机，其特征在于：所述每块铁心单元由多片厚度为0.5mm的矽钢片轧制而成，定子矽钢片材料型号是M19_24G，每块定子的长度经过有限元优化设计，用以最大限度地减小边端力矩造成的力矩波动。

5.根据权利要求1所述的用于大型转台的双边弧形永磁同步电机，其特征在于：所述线圈绕组采用跨相邻槽的方式缠绕，从右至左，线圈绕组分别按AaaAAaBbbBBbCccCCc的方式缠绕，其中A表示A相线圈绕进，a表示A相线圈绕出，B表示B相线圈绕进，b表示B相线圈绕出、C表示C相线圈绕进，c表示C相线圈绕出。

6.根据权利要求5所述的用于大型转台的双边弧形永磁同步电机，其特征在于：所述线圈绕组采用漆包线，线圈绕组采用双股并绕的方式。

7.根据权利要求1所述的用于大型转台的双边弧形永磁同步电机，其特征在于：所述每块定子采用分数槽结构设计，定子槽开口大小采用有限元最优化设计，用以最大限度地减小齿槽转矩。

8.根据权利要求1所述的用于大型转台的双边弧形永磁同步电机，其特征在于：所述定子组个数随意增加或减少，定子组安装时只需保证相邻定子组之间角度为360/n，其中n为定子组个数；这样能以最大限度地减小齿槽转矩和边端转矩，用于减小由此产生的力矩波动；不同定子组之间相同相线圈绕组采用并联的连接方式。

9.根据权利要求1所述的用于大型转台的双边弧形永磁同步电机，其特征在于：多块铁心单元安装在铁心定位件上，在铁心单元上缠绕线圈绕组，最后用螺钉将铁心定位件安装在定子壳内。

10.根据权利要求1所述的用于大型转台的双边弧形永磁同步电机，其特征在于：上下两块定子间的相应相绕组采用串联方式连接。