CN107733118B - 一种低转动惯量伺服电机 - Google Patents
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Abstract
一种低转动惯量伺服电机，属于电机技术领域，包括电机外壳、励磁定子铁心、电枢定子铁心、转子铁心、励磁绕组、电枢绕组和轴。其特征在于：呈圆盘状的转子铁心固定在轴上，转子铁心的圆盘上有4k个均布的扇形通孔，k为正整数；所述转子铁心的轴向两侧分别有励磁定子铁心和电枢定子铁心；励磁定子铁心有3k个向转子铁心一侧突出的励磁定子极，励磁定子极呈扇形，电枢定子铁心有3k个向转子铁心一侧突出的电枢定子极，电枢定子极呈扇形。本发明的技术励磁绕组与电枢绕组互相隔离，转子铁心仅为一个带大面积通孔的圆盘，转动惯量小，因此非常适合作为低转动惯量的伺服电机。
Description
技术领域
本发明涉及一种低转动惯量伺服电机，属于电动车特种电机工程领域。
背景技术
伺服电机的转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。伺服电机用在高精度场合下必须保证其电机的可靠性，其工作的可靠性一般是由电机控制方法和电机本体结构设计两方面来决定。
伺服电机属于机电元件，在系统中起着执行、检测的作用。从运行原理上讲，伺服电机和普通的电机都是依据电磁感应定理和电磁力定理实现机电能量转换和信号传递的装置，没有本质的差别。但普通的电机着重于对电机的力学指标方面的要求，而直流伺服电机则着重于对特性、高精度和快速响应方面的要求。
目前，关于伺服电机的研究主要是以控制方法和性能测试为主。例如申请号为201610731573.0的专利申请：一种电机的控制方法，公开了一种伺服电机控制方法，能够解决现有电机存在由于设置转矩限制值过大导致驱动的机械部件损坏和生产成本高的问题。还有申请号为201610968476.3的专利：一种交流伺服电机的检测方法及系统，公开了一种交流电机的速度检测方法，能够在电机低速运转时，提高系统的检测精度，获得理想的速度特性和伺服性能。
另外，也有一些相关专利文献是关于伺服电机本体的设计，例如申请号为201610533985.3的专利申请：一种伺服电机的转子及该伺服电机，该发明能够使得现有伺服电机的轴向缩短，整体结构紧凑同时使得连接的导线电缆对伺服机构的阻力矩减少，并提高导线电缆的使用寿命。
转动惯量作为伺服电机的一项参数指标，对电机的很多性能都有影响:高转动惯量将导致电机的机电时间常数变大、灵敏度差、转矩波动较大、在低速运转时不平稳，换向火花带来无线电干扰，并影响电机寿命，使电机的使用受到一定限制。因此降低转动惯量可以有效的提高直流伺服电机快速响应能力、实现高精度，改善性能的目标。
发明内容
为了发明一种低转动惯量伺服电机，实现该电机转速的快速调节和高功率密度，本发明采用如下技术方案：
一种低转动惯量伺服电机，属于电机技术领域，包括电机外壳、励磁定子铁心、电枢定子铁心、转子铁心、励磁绕组、电枢绕组和轴，其特征在于：
所述低转动惯量伺服电机为内转子结构，呈圆盘状的转子铁心固定在轴上，转子铁心的圆盘上有4k个均布的扇形通孔，k为正整数；
所述转子铁心的轴向两侧分别有励磁定子铁心和电枢定子铁心，皆为圆盘状的励磁定子铁心和电枢定子铁心都固定在电机外壳上，励磁定子铁心和电枢定子铁心的圆盘中心有穿过轴的孔；
励磁定子铁心有3k个向转子铁心一侧突出的励磁定子极，励磁定子极呈扇形，各个励磁定子极由励磁定子铁心的轭部连接；
电枢定子铁心有3k个向转子铁心一侧突出的电枢定子极，电枢定子极呈扇形，各个电枢定子极由电枢定子铁心的轭部连接；
励磁定子极和电枢定子极在轴向上对齐。
如上所述的一种低转动惯量伺服电机，其特征在于：
每个励磁定子极上绕有励磁绕组，相邻励磁绕组的绕制方向相反；
每个电枢定子极上都绕有集中式的电枢绕组，相邻电枢绕组的绕制方向相反。
如上所述的一种低转动惯量伺服电机，其特征在于：
每个励磁定子极的极弧角度为40/k度；
每个电枢定子极的极弧角度为40/k度；
每个转子铁心上的扇形通孔弧长为50/k度。
如上所述的一种低转动惯量伺服电机，其特征在于：
励磁定子极和电枢定子极的内径相同，转子铁心的扇形通孔的内径比电枢定子极的内径小；励磁定子极和电枢定子极的外径相同，转子铁心的扇形通孔的外径比电枢定子极的外径大。
如上所述的一种低转动惯量伺服电机，其特征在于：
所述励磁定子铁心和电枢定子铁心由卷绕成盘状的硅钢片线切割制成。
根据以上的技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下的有益效果：
1 转子铁心只有一个带通孔的转盘，质量轻，转动惯量小，响应迅速；
2实现了制动盘和轮毂电机转子铁心合二为一，减轻了重量，节省了空间；提出了非整圆分布的定转子电机；
3依据无刷直流电机或电励磁同步电机原理工作，控制技术成熟；
4各相绕组完全隔离，励磁绕组和电枢绕组隔离，短路电流不会引起故障的传播，提高了可靠性；
5定转子导磁面积大，在同样饱和的磁密下，本申请的技术磁通量大，反电势高，电机功率大；
6励磁绕组和电枢绕组易于散热，能适合高温运行环境。
附图说明
图1是本发明一种低转动惯量伺服电机结构示意图；其中：1、轴；2、轴承；3、电机外壳；4、励磁定子铁心；5、励磁绕组；6、转子铁心；7、电枢绕组；8、电枢定子铁心。
图2是本发明励磁定子极示意图；其中：4、励磁定子铁心；5、励磁绕组。
图3是转子铁心结构示意图；其中：1、轴；6、转子铁心。
图4是电枢定子极示意图；其中：7、电枢绕组；8、电枢定子铁心。
图5是A相绕组磁链特性图。
具体实施方式
本发明提供一种低转动惯量伺服电机，此处所描述的具体实施仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
图1是本发明一种低转动惯量伺服电机结构示意图。如图所示，所述一种低转动惯量伺服电机，属于电机技术领域，包括电机外壳、励磁定子铁心、电枢定子铁心、转子铁心、励磁绕组、电枢绕组和轴。
所述低转动惯量伺服电机为内转子结构，呈圆盘状的转子铁心固定在轴上，转子铁心的圆盘上有4k个均布的扇形通孔，k为正整数，在本实施例中k=2。
所述转子铁心的轴向两侧分别有励磁定子铁心和电枢定子铁心，皆为圆盘状的励磁定子铁心和电枢定子铁心都固定在电机外壳上，励磁定子铁心和电枢定子铁心的圆盘中心有穿过轴的孔。
励磁定子铁心有3k个向转子铁心一侧突出的励磁定子极，励磁定子极呈扇形，各个励磁定子极由励磁定子铁心的轭部连接；k为正整数，在本实施例中，k=2。
电枢定子铁心有3k个向转子铁心一侧突出的电枢定子极，电枢定子极呈扇形，各个电枢定子极由电枢定子铁心的轭部连接；k为正整数，在本实施例中，k=2。
励磁定子极和电枢定子极在轴向上对齐。
图2是本发明励磁定子极示意图。励磁定子铁心有6个向转子铁心一侧突出的励磁定子极，励磁定子极呈扇形，各个励磁定子极由励磁定子铁心的轭部连接；每个励磁定子极上绕有励磁绕组，相邻励磁绕组的绕制方向相反；每个励磁定子极的极弧角度为20度；所述励磁定子铁心由卷绕成盘状的硅钢片线切割制成。
图3是转子铁心结构示意图。所述低转动惯量伺服电机为内转子结构，呈圆盘状的转子铁心固定在轴上，转子铁心的圆盘上有8个均布的扇形通孔。
所述转子铁心的轴向两侧分别有励磁定子铁心和电枢定子铁心，皆为圆盘状的励磁定子铁心和电枢定子铁心都固定在电机外壳上，励磁定子铁心和电枢定子铁心的圆盘中心有穿过轴的孔；每个转子铁心上的扇形通孔弧长为25度。所述转子铁心由导磁材料制成。
图4是电枢定子极示意图。电枢定子铁心有6个向转子铁心一侧突出的电枢定子极，电枢定子极呈扇形，各个电枢定子极由电枢定子铁心的轭部连接；每个电枢定子极上都绕有集中式的电枢绕组，相邻电枢绕组的绕制方向相反；每个电枢定子极的极弧角度为20度；所述电枢定子铁心由卷绕成盘状的硅钢片线切割制成。
由于定子极和转子铁心导磁部分角度不同，当A相电枢定子极对齐转子铁心导磁部分时，B相电枢定子极一个在脱离转子铁心导磁部分，C相电枢定子极在接近转子铁心导磁部分。三相绕组相差120度电角度。
励磁定子极和电枢定子极的内径相同，转子铁心的扇形通孔的内径比电枢定子极的内径小。励磁定子极和电枢定子极的外径相同，转子铁心的扇形通孔的外径比电枢定子极的外径大。这是为了减小漏磁并提高功率密度。
图5是A相绕组磁链特性图。可以看出A相绕组磁链随着转子位置变化而变化，而且磁链幅值随着励磁电流的增加而增加。
其工作原理为：
由于本发明的电励磁磁极和电枢极在轴向上对齐，因此当转子铁心能导磁的部分与电枢极对齐时，该电枢极匝链的磁阻最小、电枢绕组磁链最大；当转子铁心的扇形通孔对齐电枢极时，该电枢极匝链的磁阻最大、电枢绕组磁链最小。
当转子铁心能导磁的部分逐渐靠近电枢极时，该相电枢绕组与励磁绕组的互感在增加；该相电枢绕组的自感也在增加。当转子铁心能导磁的部分脱离电枢极时，该相电枢绕组与励磁绕组的互感在增加；该相电枢绕组的自感也在增加。
由于本申请电机电枢绕组与励磁绕组的互感、电枢绕组匝链的磁链也在不断变化，因此如果给励磁绕组通电提供励磁磁场并移动转子铁心，则电枢绕组会产生感应电动势。这就是本申请电机作为发电机运行的原理。
本申请电机作为电动机运行时，给产生正的感应电动势的一相绕组通以正向电流，则该绕组可以产生正的转矩；给产生负的感应电动势的一相绕组通以正向电流，则该绕组可以产生负的转矩。
Claims (5)
1.一种低转动惯量伺服电机，包括电机外壳、励磁定子铁心、电枢定子铁心、转子铁心、励磁绕组、电枢绕组和轴，其特征在于：
所述低转动惯量伺服电机为内转子结构，呈圆盘状的转子铁心固定在轴上，转子铁心的圆盘上有4k个均布的扇形通孔，k为正整数；
所述转子铁心的轴向两侧分别有励磁定子铁心和电枢定子铁心，皆为圆盘状的励磁定子铁心和电枢定子铁心都固定在电机外壳上，励磁定子铁心和电枢定子铁心的圆盘中心有穿过轴的孔；
励磁定子铁心有3k个向转子铁心一侧突出的励磁定子极，励磁定子极呈扇形，各个励磁定子极由励磁定子铁心的轭部连接；
电枢定子铁心有3k个向转子铁心一侧突出的电枢定子极，电枢定子极呈扇形，各个电枢定子极由电枢定子铁心的轭部连接；
励磁定子极和电枢定子极在轴向上对齐。
2.如权利要求1所述的一种低转动惯量伺服电机，其特征在于：
每个励磁定子极上绕有励磁绕组，相邻励磁绕组的绕制方向相反；
每个电枢定子极上都绕有集中式的电枢绕组，相邻电枢绕组的绕制方向相反。
3.如权利要求1所述的一种低转动惯量伺服电机，其特征在于：
每个励磁定子极的极弧角度为40/k度；
每个电枢定子极的极弧角度为40/k度；
每个转子铁心上的扇形通孔弧长为50/k度。
4.如权利要求1所述的一种低转动惯量伺服电机，其特征在于：
励磁定子极和电枢定子极的内径相同，转子铁心的扇形通孔的内径比电枢定子极的内径小；励磁定子极和电枢定子极的外径相同，转子铁心的扇形通孔的外径比电枢定子极的外径大。
5.如权利要求1所述的一种低转动惯量伺服电机，其特征在于：
所述励磁定子铁心和电枢定子铁心由卷绕成盘状的硅钢片线切割制成。
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