CN105680581A - 一种高功率密度的永磁伺服电机及其定子结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高功率密度电机的定子结构，包括定子齿部铁芯、定子轭部铁芯和绕组，所述定子齿部铁芯上缠绕有所述绕组，并与所述定子轭部铁芯拼接连接，并用填充剂在真空高压环境下进行灌封；拼接后，所述定子齿部铁芯的头端形成带有间隙的环形。本发明还涉及一种高功率密度伺服电机，包括上述的定子结构、转子及其转子磁钢，所述磁钢贴于转子铁芯外表面，所述磁钢外表面采用偏心结构；所述转子位于定子结构内部，并与定子同轴；所述定子结构与转子之间的气隙为非均匀气隙。本发明既能保证定子铁芯内圆光滑，减低电机的齿槽转矩，又能提高电机的槽满率。

Description

一种高功率密度的永磁伺服电机及其定子结构

技术领域

本发明涉及伺服电机技术领域，特别是涉及一种高功率密度的永磁伺服电机及其定子结构。

背景技术

随着工业生产应用的复杂化和控制性能要求的不断提高，对伺服电机的要求也越来越高。作为机器人各关节的驱动执行元件，高功率密度的永磁电机成为主流。随着永磁材料性能的不断提高，永磁电机功率密度也随之增加，槽满率成为提高电机功率密度的主要技术瓶颈之一，而定子铁芯结构决定了电机的槽满率。

在专利《一种高槽满率高性能开口槽直齿永磁电机》，申请公布号CN103647421A中，主要采用定子齿制成齿宽相等的直齿来提高槽满率，开口槽直齿虽然有利于绕组的下线，进而提高槽满率，但是槽口对气隙磁导变化较大，对电机的转矩的影响较大。

在专利《伺服电机铁芯、伺服电机铁芯工装及制造方法》，申请公布号为CN103762757A中，主要提出了一种伺服电机铁芯的及其工装制造方法，定子由分块式铁芯组成，分块式铁芯的外周壁设置有用于供工装的定位槽，通过定位槽拼接形成整圆，但是分块拼接式的定子铁芯结构目前主要集中在环形铁芯结构，定子铁芯外面套有外壳，对于无外壳的电机结构很难采用分块拼接来实现。

在专利《定子及旋转电机》，授权公告号为CN203722352U中，主要提出了一种定子，由外铁芯和内铁芯构成，内铁芯沿圆周分布多个齿，各个齿通过齿尖相连。但是内环的齿尖相连，会导致永磁体产生的磁场，通过齿尖形成了闭环磁路，增大了齿尖漏磁，影响电机的输出功率。

在现有的永磁伺服电机中，定子铁芯结构很多，不同的定子铁芯结构决定了电机的性能和制作流程。有整体开半闭口槽的，如图1所示，绕组一般都是先根据跨距绕好后通过人工嵌入到定子槽中，这种方式自动化程度低，不利于自动化生产，绕组下线较困难，特别是受槽口大小的影响，导线的线径也受到限制，大电流时，需采用对根细导线并饶，导致电机的槽满率较低，通常不超过60％，限制了电机功率密度的提高。

在此基础上，提出了开口槽直齿的结构，该结构方便的绕组下线，提高了电机的槽满率，但是槽口对气隙磁导变化较大，对电机的转矩的影响较大。

为了提高电机生产的自动化程度和槽满率，定子可分块拼接，如图2所示。分块式的定子铁芯提高了电机的槽满率，但是拼接后铁芯内圆的光滑度直接影响电机的齿槽效应，降低电机的性能。分块拼接式的定子铁芯结构目前主要集中在环形铁芯结构，定子铁芯外面套有外壳，对于无外壳的电机结构很难采用分块拼接来实现。

还有一种方式是将定子齿部通过内环的齿尖连接在一起，线圈通过外圈缠绕上齿槽中，如图3所示，这有利于提高电机槽满率，但是内环的齿尖相连，会导致永磁体产生的磁场，通过齿尖形成了闭环磁路，增大了齿尖漏磁，影响电机的输出功率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高功率密度的永磁伺服电机及其定子结构，既能保证定子铁芯内圆光滑，减低电机的齿槽转矩，又能提高电机的槽满率，方便电机绕组下线的定子铁芯结构，永磁转子能够在定转子之间的气隙中产生正弦波气隙磁通。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种高功率密度电机的定子结构，包括定子齿部铁芯、定子轭部铁芯和绕组，所述定子齿部铁芯上缠绕有所述绕组，并与所述定子轭部铁芯拼接连接，并用填充剂在真空高压环境下进行灌封；拼接后，所述定子齿部铁芯的头端形成带有间隙的环形。

所述绕组在模具上绕好后整体嵌入在所述定子齿部铁芯上。

所述模具为绝缘材料制成的骨架。

所述定子齿部铁芯与所述定子轭部铁芯通过卡槽拼接。

所述定子齿部铁芯为平行齿，每个齿都是单独的，所述绕组独立缠绕在齿上；所述定子轭部铁芯内环为卡槽结构，所述卡槽结构与所述平行齿的形状相互匹配。

所述定子齿部铁芯的齿底为三角结构，所述定子轭部铁芯的内环为三角卡槽结构。

所述定子齿部铁芯的齿底为T型结构，所述定子轭部铁芯的内环为T型槽结构。

所述填充剂为导热绝缘胶，在拼接部与所述定子齿部铁芯灌注。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：还提供一种高功率密度的伺服电机，包括上述的定子结构、转子及其转子磁钢，所述磁钢贴于转子铁芯外表面，所述磁钢外表面采用偏心结构；所述转子位于定子结构内部，并与定子同轴；所述定子结构与转子之间的气隙为非均匀气隙。

所述非均匀气隙中产生正弦波气隙磁场。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

本发明的定子结构，保证定子铁芯内圆光滑，减低电机的齿槽转矩，又能提高电机的槽满率，方便电机绕组下线，槽满率提高到75％以上，方便了电机的自动化产生，提高了电机的功率密度，单位体积的功率是常规电机的1.3倍以上，降低了电机的成本。

本发明的永磁伺服电机采用外环偏心的磁钢，在定转子气隙之间形成正弦波气隙磁场，即使定子采用集中式的绕组结构也能很好的抑制转矩脉动。

本发明采用集中式绕组结构，减小了电机的轴向长度，电机结构紧凑，绕组用铜量减小接近20％，而且采用环氧树脂胶灌封，便于将铜耗产生的热量传导到端盖，加快端部绕组的散热。

附图说明

图1是传统伺服电机的定子结构示意图；

图2是分块拼接伺服电机的定子结构示意图；

图3是定子铁芯内环连接的定子结构示意图；

图4是本发明中的伺服电机定子轭部铁芯主视图；

图5是本发明中的伺服电机定子齿轭拼接示意图；

图6是本发明中的电机绕组结构图；

图7是本发明中的整个定子结构示意图；

图8是本发明中的伺服电机转子结构示意图；

图9是本发明中的伺服电机整体结构示意图；

图10是本发明中伺服电机的外形图；

图11是本发明中的电机的电磁特性图；

(a)磁力线分布图；(b)反电势波形图；(c)输出转矩波形图

图12是齿尖相连电机的电磁特性图；

(a)磁力线分布图；(b)反电势波形图；(c)输出转矩波形图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明涉及一种高功率密度电机的定子结构，包括定子齿部铁芯、定子轭部铁芯和绕组，所述定子齿部铁芯上缠绕有所述绕组，并与所述定子轭部铁芯通过卡槽拼接，并用导热绝缘胶在真空高压环境下进行灌封使得导热绝缘胶在卡槽中与铁芯灌注。其中，导热绝缘胶可以采用树脂胶粘合剂。

由此可见，本发明的定子结构保证定子铁芯内圆光滑，减低电机的齿槽转矩，又能提高电机的槽满率，方便电机绕组下线，槽满率提高到75％以上，方便了电机的自动化产生，提高了电机的功率密度，单位体积的功率是常规电机的1.3倍以上，降低了电机的成本。

本发明采用集中式绕组结构，减小了电机的轴向长度，电机结构紧凑，绕组用铜量减小接近20％，而且采用环氧树脂胶灌封，便于将铜耗产生的热量传导到端盖，加快端部绕组的散热。

本发明还涉及一种高功率密度的伺服电机，包括上述的定子结构、转子及其转子磁钢，所述磁钢贴于转子铁芯外表面，所述磁钢外表面采用偏心结构；所述转子位于定子结构内部，并与定子同轴；所述定子结构与转子之间的气隙为非均匀气隙。

本发明的永磁伺服电机采用外环偏心的磁钢，在定转子气隙之间形成正弦波气隙磁场，即使定子采用集中式的绕组结构也能很好的抑制转矩脉动。

下面通过具体的实施例来进一步说明本发明。

一种高功率密度的永磁伺服电机，其结构如图9和图10所示，该伺服电机包括定子轭部铁芯1、定子齿部铁芯2、绕组3、磁钢4、转子铁芯5、转轴6、前端盖7、后端盖8、光电编码器9、制动器10、轴承11。其中，电机转轴6处于电机中部，转子铁芯5套在转轴6外面，与转轴6同轴心，磁钢4贴于转子铁芯5表面，磁钢外表面采用偏心结构，在定转子之间的非均匀气隙中产生正弦波气隙磁场，轴承11设在转轴6的后端，光电编码器9也固定在转轴6的后端，从后端盖8引出反馈线提供转子位置信号，定子绕组3缠绕在定子齿部铁芯2上，之后定子齿部铁芯2与定子轭部铁芯1相互拼接，形成整个电机定子。

参考附图4、5所示，本实施例提供的一种伺服电机的定子结构，包括定子齿部铁芯1，定子轭部铁芯2，定子齿部铁芯1的齿底为三角结构，定子轭部铁芯的内环为三角卡槽结构，通过齿轭的卡槽将定子齿部铁芯1与定子轭部铁芯2拼接在一起。

值得一提的是，所述定子齿部铁芯的齿底还可以为T型结构，此时，为了使得定子轭部铁芯能够与定子齿部铁芯相匹配，所述定子轭部铁芯的内环为T型槽结构，从而可通过齿轭的卡槽将定子齿部铁芯1与定子轭部铁芯2拼接在一起。

以10极12槽电机为例，定子轭部铁芯上均匀的分布着12个套有绕组的定子齿，如图8所示，转子永磁体的对数为5，每一对有一个N极一个S极，平均分布在转子铁芯表面，永磁体为径向充磁，在气隙磁场中形成正弦波磁场。

如图6、7所示，电机绕组在模具上先绕好后整体嵌入到定子齿上，与齿部铁芯一一对应，定子齿和定子轭拼接后，采用环氧树脂胶在真空高压环境下灌封，使得环氧树脂胶在槽中与定子铁芯粘贴，保证在电机工作时，绕组之间不会因为电机振动而摩擦松散，而且保证绕组端部与电机两侧端盖紧贴，有利于电机绕组的端部散热。

绕组缠在骨架上之后，通过骨架套入定子铁芯，骨架为绝缘材料，这样既方便绕组的嵌入，又保证了绕组与电机铁芯之间的绝缘，不需要另外加一层绝缘纸。

参考图11和图12，利用电磁分析软件计算出的本发明的电机和齿尖相连电机的磁力线分布图，从中可以看出本发明电机的磁力线基本通过齿轭与转子交链，漏磁很少，而齿尖相连的电机，漏磁较多。

对比两电机的反电势波形和转矩波形，可以发现本发明电机在保持电机转子结构和绕组匝数一样的情况下，反电势波形的正弦度更好，且幅值提高了，在没有增大电机转矩波动的情况下，电机的转矩提高了5％。

Claims (10)

1.一种高功率密度电机的定子结构，包括定子齿部铁芯、定子轭部铁芯和绕组，其特征在于，所述定子齿部铁芯上缠绕有所述绕组，并与所述定子轭部铁芯拼接连接，并用填充剂在真空高压环境下进行灌封；拼接后，所述定子齿部铁芯的头端形成带有间隙的环形。

2.根据权利要求1所述的高功率密度电机的定子结构，其特征在于，所述绕组在模具上绕好后整体嵌入在所述定子齿部铁芯上。

3.根据权利要求2所述的高功率密度电机的定子结构，其特征在于，所述模具为绝缘材料制成的骨架。

4.根据权利要求1所述的高功率密度电机的定子结构，其特征在于，所述定子齿部铁芯与所述定子轭部铁芯通过卡槽拼接。

5.根据权利要求4所述的高功率密度电机的定子结构，其特征在于，所述定子齿部铁芯为平行齿，每个齿都是单独的，所述绕组独立缠绕在齿上；所述定子轭部铁芯内环为卡槽结构，所述卡槽结构与所述平行齿的形状相互匹配。

6.根据权利要求5所述的高功率密度电机的定子结构，其特征在于，所述定子齿部铁芯的齿底为三角结构，所述定子轭部铁芯的内环为三角卡槽结构。

7.根据权利要求5所述的高功率密度电机的定子结构，其特征在于，所述定子齿部铁芯的齿底为T型结构，所述定子轭部铁芯的内环为T型槽结构。

8.根据权利要求1所述的高功率密度电机的定子结构，其特征在于，所述填充剂为导热绝缘胶，在拼接部与所述定子齿部铁芯灌注。

9.一种高功率密度的伺服电机，包括如权利要求1-8中任一权利要求所述的定子结构、转子及其转子磁钢，其特征在于，所述磁钢贴于转子铁芯外表面，所述磁钢外表面采用偏心结构；所述转子位于定子结构内部，并与定子同轴；所述定子结构与转子之间的气隙为非均匀气隙。

10.根据权利要求9所述的高功率密度的伺服电机，其特征在于，所述非均匀气隙中产生正弦波气隙磁场。