CN104539073A - 一种直驱式力矩电机 - Google Patents

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陈争
张�浩
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Abstract

本发明公开了一种直驱式力矩电机。包括转轴、前端盖、后端盖、机壳、转子、定子和多个永磁体；转子为圆筒结构，安装在转轴上；定子固定在机壳上；转轴、转子和定子依次同轴设置；永磁体为条状结构，其横截面为由第一圆弧、第一直线、第二圆弧和第二直线依次连接围成的封闭图形，该封闭图形相对于过第一圆弧和第二圆弧的直线对称，第一圆弧的曲率大于第二圆弧的曲率；多个永磁体均匀设置在转子的外壁，与转子的中心轴平行，每个永磁体中第二圆弧所在的面与转子的外壁紧密贴合。本发明能有效降低电机的转矩脉动和振动噪声，保证弱磁调速时对永磁体的去磁效果和电机低速时的力矩输出，有效减小了齿槽转矩波动，有利于提高加工精度。

Description

一种直驱式力矩电机
技术领域
本发明属于力矩电机技术领域，更具体地，涉及一种直驱式力矩电机。
背景技术
现有的力矩电机主要分为传统伺服电机和直驱式力矩电机。
虽然传统伺服电机中机械传动链具有较好的静态刚度，但在完成启动、加速、减速、反转及停车等运动时，会产生弹性变形、摩擦和反向间隙等，造成机械振动、运动响应慢、动态刚度差及其它非线性误差，难以实现高精度加工。相较于传统伺服电机，直驱式力矩电机直接驱动数控转台，消除了由中间机械传动机构引起的消耗及限制，能直接提供转矩给执行机构，具有损耗低、电气时间常数小、加速度高和响应速度快等特点，用于制造半导体设备、电子装配和平板产品等一些要求高运行精度的高端机械。直驱式力矩电机的转矩脉动和控制精度越高，工件加工精度越高。
然而，由于直驱式力矩电机取消了机械传动机构，这就要求电机自身具有超低速、高转矩的特性。因此需要设计特殊的结构来降低转矩脉动并削弱齿槽转矩。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种直驱式力矩电机，能有效降低电机的转矩脉动和振动噪声，提高永磁体的利用率，保证弱磁调速时对永磁体的去磁效果，具有较宽的调速范围，保证了电机低速时的力矩输出，此外，有效减小了齿槽转矩波动，有利于提高加工精度。
为实现上述目的，本发明提供了一种直驱式力矩电机，其特征在于，包括转轴、前端盖、后端盖、机壳、转子、定子和多个永磁体；所述转轴的一端固定在所述前端盖上，另一端固定在所述后端盖上，所述前端盖、所述后端盖和所述机壳构成所述力矩电机的外壳；所述转子为圆筒结构，安装在所述转轴上；所述定子固定在所述机壳上，包括定子铁芯和缠绕在所述定子铁芯上的绕组；所述转轴、所述转子和所述定子依次同轴设置；所述永磁体为条状结构，其横截面为由第一圆弧、第一直线、第二圆弧和第二直线依次连接围成的封闭图形，该封闭图形相对于过所述第一圆弧和所述第二圆弧的直线对称，所述第一圆弧的曲率大于所述第二圆弧的曲率；所述多个永磁体均匀设置在所述转子的外壁，与所述转子的中心轴平行，每个永磁体中第二圆弧所在的面与所述转子的外壁紧密贴合。
优选地，所述定子铁芯包括不等齿宽的第一齿结构和第二齿结构，所述第一齿结构和所述第二齿结构交替均匀排列在所述定子铁芯的内壁。
优选地，所述定子还包括包覆在所述定子铁芯外壁的冷却结构；所述冷却结构包括多个紧密排列的环形冷却管，这些环形冷却管的沿所述定子铁芯的轴向的两侧分别通过第一轴向冷却管和第二轴向冷却管连通，所述第一轴向冷却管上设置有冷却剂入口，所述第二轴向冷却管上设置有冷却剂出口。
优选地，所述环形冷却管的管道横截面为矩形。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、永磁体采用条状面包型结构，均匀设置在转子外壁，产生的气隙磁密波形非常接近正弦曲线，且反电势中高次谐波含量少，能有效降低电机的转矩脉动和振动噪声，提高永磁体的利用率，保证弱磁调速时对永磁体的去磁效果，具有较宽的调速范围，保证了电机低速时的力矩输出。
2、定子铁芯采用不等齿宽设计，在电机旋转过相同电角度的情况下，不等齿宽结构调制了气隙磁导，使齿槽转矩波动的周期个数变为等齿宽的一半，从而有效减小了齿槽转矩波动，有利于提高加工精度。
3、定子铁芯外壁包覆冷却结构，该冷却结构含有多个紧密排列的环形冷却管，管道横截面为矩形，能充分利用冷却空间，冷却效果更好，进而能有效提高电机电流密度，增大电机转矩密度，降低电机体积，提高电机动态性能和热负荷能力。
附图说明
图1是本发明实施例的直驱式力矩电机的结构示意图；
图2是转子及永磁体的结构示意图；
图3是定子铁芯的局部示意图；
图4是冷却结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-转轴，2-前端盖，3-后端盖，4-转子水套，5-后端轴承，6-绕组，7-冷却剂入口，8-定子铁芯，9-转子，10-冷却结构，11-冷却剂出口，12-前端轴承，13-永磁体，14-第一齿结构，15-第二齿结构。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1和图2所示，本发明实施例的直驱式力矩电机包括转轴1、前端盖2、后端盖3、机壳、光电编码器、转子9、定子和多个永磁体13。
转轴1的一端通过前端轴承12固定在前端盖2上，另一端通过后端轴承5固定在后端盖3上，前端盖2、后端盖3和机壳构成电机外壳。光电编码器固定在后端盖3上，与转轴哦1同轴安装，用于检测转子9的位置信号。转子9为圆筒结构，安装在转轴1上，转子9和转轴1之间设有转子水套4。定子固定在机壳上，包括绕组6和定子铁芯8，绕组6缠绕在定子铁芯8上。转轴1、转子9和定子依次同轴设置。电机的三相绕组从后端盖3引出并通过电压保护模块与逆变器模块相连。
永磁体13为条状结构，其横截面为由第一圆弧、第一直线、第二圆弧和第二直线依次连接围成的封闭图形，该封闭图形相对于过第一圆弧和第二圆弧的直线对称，第一圆弧的曲率大于第二圆弧的曲率。多个永磁体13均匀设置在转子9的外壁，与转子9的中心轴平行。永磁体13中第二圆弧所在的面与转子9的外壁紧密贴合。
永磁体13的这种面包型结构使其产生的气隙磁密波形非常接近正弦曲线，且反电势中高次谐波含量少，能有效降低电机的转矩脉动和振动噪声，提高永磁体的利用率，保证弱磁调速时对永磁体的去磁效果，具有较宽的调速范围，保证了电机低速时的力矩输出。
如图3所示，定子铁芯8包括第一齿结构14和第二齿结构15，第一齿结构14的齿宽为W1，第二齿结构15的齿宽为W2，W1≠W2，第一齿结构14和第二齿结构15交替均匀排列在定子铁芯8的内壁。定子铁芯的这种不等齿宽设计能调制气隙磁导，在电机旋转过相同电角度的情况下，使齿槽转矩波动的周期个数变为等齿宽的一半，从而有效减小了齿槽转矩波动，有利于提高加工精度。
如图1所示，定子还包括包覆在定子铁芯8外壁的冷却结构10。如图4所示，冷却结构10包括多个紧密排列的环形冷却管，这些环形冷却管的沿定子铁芯8的轴向的两侧分别通过第一轴向冷却管和第二轴向冷却管连通，两个冷却剂入口7分别设置在第一轴向冷却管的两端，两个冷却剂出口11分别设置在第二轴向冷却管的两端。冷却剂由两个冷却剂入口7同时进入这些环形冷却管，在两个冷却剂出口11汇流并流出。优选地，环形冷却管的管道横截面为矩形，有利于充分利用冷却空间，冷却效果更好。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种直驱式力矩电机，其特征在于，包括转轴、前端盖、后端盖、机壳、转子、定子和多个永磁体；
所述转轴的一端固定在所述前端盖上，另一端固定在所述后端盖上，所述前端盖、所述后端盖和所述机壳构成所述力矩电机的外壳；所述转子为圆筒结构，安装在所述转轴上；所述定子固定在所述机壳上，包括定子铁芯和缠绕在所述定子铁芯上的绕组；所述转轴、所述转子和所述定子依次同轴设置；
所述永磁体为条状结构，其横截面为由第一圆弧、第一直线、第二圆弧和第二直线依次连接围成的封闭图形，该封闭图形相对于过所述第一圆弧和所述第二圆弧的直线对称，所述第一圆弧的曲率大于所述第二圆弧的曲率；所述多个永磁体均匀设置在所述转子的外壁，与所述转子的中心轴平行，每个永磁体中第二圆弧所在的面与所述转子的外壁紧密贴合。
2.如权利要求1所述的直驱式力矩电机，其特征在于，所述定子铁芯包括不等齿宽的第一齿结构和第二齿结构，所述第一齿结构和所述第二齿结构交替均匀排列在所述定子铁芯的内壁。
3.如权利要求1或2所述的直驱式力矩电机，其特征在于，所述定子还包括包覆在所述定子铁芯外壁的冷却结构；所述冷却结构包括多个紧密排列的环形冷却管，这些环形冷却管的沿所述定子铁芯的轴向的两侧分别通过第一轴向冷却管和第二轴向冷却管连通，所述第一轴向冷却管上设置有冷却剂入口，所述第二轴向冷却管上设置有冷却剂出口。
4.如权利要求3所述的直驱式力矩电机，其特征在于，所述环形冷却管的管道横截面为矩形。
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