CN110048569A - 机器人用双层halbach阵列的定子无铁心伺服电机 - Google Patents

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Abstract

本发明机器人用双层halbach阵列的定子无铁心伺服电机，包括无铁心定子盘、位于无铁心定子盘两侧的由两个对称的磁钢盘构成的双转子和转子外壳；无铁心定子盘由绕组直接浇塑而成；电枢绕组安装在定子骨架上，且定子骨架上有冷却通道，定子骨架由工业陶瓷材料制作而成；双转子的转子背轭包络每极分块的永磁体A，转子背轭由硅钢片材料制成；无铁心定子盘内侧通过粘结剂固定设置有永磁体B，永磁体B为双层halbach阵列结构，且轴向充磁。

Description

机器人用双层halbach阵列的定子无铁心伺服电机
技术领域
本发明涉及动力驱动部件，特别涉及科研机器人用动力驱动部件，具体的，其展示一种机器人用双层halbach阵列的定子无铁心伺服电机。
背景技术
在机器人设计中90%要使用伺服电机，伺服电机是电气伺服系统的核心部件，对外而言，它是伺服系统的执行部件，而在伺服系统内部，它又是伺服控制器的控制对象。伺服电机一般安装在机器人的“关节”处，机器人的关节驱动离不开伺服系统，关节越多，机器人的柔韧性和精准度越高，需要使用的伺服电机的数量也就越多。伺服电机是整个伺服系统的中心及根本，其性能的高低直接决定了伺服系统最终性能的优劣。电机矢量控制技术、稀土永磁交流电机的普遍应用和电力电子技术的飞速发展，使得永磁交流伺服系统在伺服系统市场中占据主要地位。
伺服电机主要有两个关键的指标：转矩波动、动态时间响应参数。
转矩波动是衡量电机性能的重要标准之一，如果转矩波动较大的话，会影响电机正常运行的稳定性以及转速的稳定性，且不易控制，造成转矩波动的主要原因是齿槽转矩和纹波转矩，所谓齿槽转矩是指由于电机铁芯开槽，当转子转动时，磁路中的磁阻将发生变化，从而导致磁场能量发生变化，产生磁阻转矩，使电机的转矩随齿槽的变化而变化，形成齿槽转矩的原因有很多，比如：齿槽效应、磁路不对称、定转子不同轴、工艺槽影响磁路等，所以抑制齿槽转矩的方法也有很多，比如：直接法、抵消法、极槽配合、无槽设计等，但是每一种方法都会对电机的性能产生影响；机器人用伺服电机在消除齿槽转矩方面无法较好的兼顾电机其他性能；另一方面，伺服电机在消除纹波转矩上，需要电机的反电动势和驱动器电流尽可能正弦；现阶段使用的伺服电机没有较好的方法既能消除纹波转矩，又能保证电机的其他性能。
动态时间响应参数包括电气时间常数和机械时间常数,其中电气时间常数影响电流环,机械时间常数影响速度环；电气时间常数的值总是远远小于机械时间常数的值，所以机械时间常数为影响伺服电机的主要因素；如何合理的调节机械时间常数来优化伺服电机的动态性能是一大技术难点。
因此，有必要提供一种机器人用双层halbach阵列的定子无铁心伺服电机来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种机器人用双层halbach阵列的定子无铁心伺服电机，其可以有效的抑制转矩波动，并且使伺服电机具有良好的动态性能。
技术方案如下：
一种机器人用双层halbach阵列的定子无铁心伺服电机，包括无铁心定子盘、位于无铁心定子盘两侧的由两个对称的磁钢盘构成的双转子和转子外壳；
无铁心定子盘由绕组直接浇塑而成；
电枢绕组安装在定子骨架上，且定子骨架上有冷却通道，定子骨架由工业陶瓷材料制作而成；
双转子的转子背轭包络每极分块的永磁体A，转子背轭由硅钢片材料制成；
无铁心定子盘内侧通过粘结剂固定设置有永磁体B，永磁体B为双层halbach阵列结构，且轴向充磁。
进一步的，转子外壳由高机械强度、非磁性材料制作而成。
进一步的，无铁心定子盘内设置有定子，定子的A、B、C三相绕组采用分数槽集中绕组的形式，且选用每齿都绕线的双层结构。
进一步的，绕组使用专用的绕线机在单齿中进行线圈直绕，且采用定子齿顶开槽方法削弱齿槽转矩。
进一步的，定子节距为1，每个线圈只绕在一个齿上，以此缩短线圈的周长和绕组端部伸出长度，减少了用铜量，且线圈端部不重叠，不必设置相间绝缘；定子各绕组之间无铁心，采用环氧树脂浇灌风干固定,且该定子是将绕组定型后放入模具中注塑而成的；且采用8极9虚槽的极槽配合。
进一步的，永磁体A和永磁铁B的材料选用铁氧体永磁体，铁心采用非晶合金材料。
进一步的，伺服电机的转轴上，永磁体采用表贴式结构，且用铁氧体永磁体，铁心采用非晶合金材料，用90°halbach（每四块组成一对极）阵列的永磁体排列方式进行排列粘贴，并用玻璃丝绳将永磁体捆扎固定。
进一步的，在满足转子磁路结构要求的前提下，在转子冲片上加开了工艺槽，其提高了电机的动态响应速度和系统性能；
进一步的，为了防止电机在高速运行或强振动条件下表贴永磁体的脱落，在转子外圆上套一个套筒。
进一步的，为防止套筒发热及涡流损耗，该套筒使用强度高的碳纤维或环氧材料。
与现有技术相比，本发明采用单定子、双转子结构，且采用基于halbach阵列的定子无铁心结构，同时采用了各种新材料，有效的抑制了伺服电机的转矩波动，且机械时间常数满足电机动态性能的要求。
附图说明
图1是本发明的结构示意图之一。
图2是本发明的结构示意图之二。
图3是本发明的双层永磁阵列二维拓扑结构。
具体实施方式
实施例：
本实施例展示一种基于双层halbach阵列的定子无铁心电机，无铁心定子盘、位于无铁心定子盘两侧的由两个对称的磁钢盘构成的双转子和转子外壳；
无铁心定子盘由绕组直接浇塑而成；
电枢绕组安装在定子骨架上，且定子骨架上有冷却通道，定子骨架由工业陶瓷材料制作而成；
双转子的转子背轭包络每极分块的永磁体A，转子背轭由硅钢片材料制成；
无铁心定子盘内侧通过粘结剂固定设置有永磁体B，永磁体B为双层halbach阵列结构，且轴向充磁。
双层的halbach永磁阵列采用了90°阵列的磁极排布形式；且定子和转子采用了新结构和新材料。
参阅图1，1为A相绕组，2为B相绕组，3为C相绕组，4为转轴，5为气隙，6为环氧树脂，7为90°的halbach永磁阵列形式。
该电机的主要尺寸如下：定子外径为20mm，定子内径为12mm，转子外径为10mm，转子铁心的长度为100mm，转子采用8极9槽的结构，每相串联匝数为1000匝。
转轴选用不锈钢材料制成，其外径设计为6mm。
永磁体直接粘在转轴上，双层halbach阵列两组永磁体高度为3.3mm，其中大尺寸的永磁体的宽度为6.6mm，小尺寸永磁体宽度可自由调整，记两组永磁体宽度比为d’/d=n。
电机的气隙要根据永磁体的厚度来选择，本设计采用1.5mm的气隙，此时，波形趋近于正弦波。
永磁体的材料选用铁氧体永磁体，铁心采用非晶合金材料。
参阅图2，其展示Halbach阵列示意图，A为永磁体磁化方向，Halbach阵列是一种永磁体排列方式，图2中箭头表示径向和切向都有充磁的永磁体，将其结合在一起粘接在转子的表面；
这种结构使径向磁场和切向磁场相互重叠，一侧增磁一侧消磁，消磁侧相当于自我屏蔽，不需要铁心作为磁路，可节约成本并降低铁耗；增磁侧磁场显著增强，具有典型的聚磁效果；
此外，优化的双层永磁阵列二维拓扑结构如图3所示：
每对磁极由4段磁体构成，永磁体充磁方向互差90°；
无铁心定子盘内设置有定子，定子的A、B、C三相绕组采用分数槽集中绕组的形式，且选用每齿都绕线的双层结构；
绕组使用专用的绕线机在单齿中进行线圈直绕，且采用定子齿顶开槽方法削弱齿槽转矩；
定子节距为1，每个线圈只绕在一个齿上，以此缩短线圈的周长和绕组端部伸出长度，减少了用铜量，且线圈端部不重叠，不必设置相间绝缘；定子各绕组之间无铁心，采用环氧树脂浇灌风干固定,且该定子是将绕组定型后放入模具中注塑而成的；且采用8极9虚槽的极槽配合；
伺服电机的转轴上，永磁体采用表贴式结构，且用铁氧体永磁体，铁心采用非晶合金材料，用90°halbach（每四块组成一对极）阵列的永磁体排列方式进行排列粘贴，并用玻璃丝绳将永磁体捆扎固定；
在满足转子磁路结构要求的前提下，在转子冲片上加开了工艺槽，其提高了电机的动态响应速度和系统性能；
为了防止电机在高速运行或强振动条件下表贴永磁体的脱落，在转子外圆上套一个套筒；
为防止套筒发热及涡流损耗，该套筒使用强度高的碳纤维或环氧材料。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种机器人用双层halbach阵列的定子无铁心伺服电机，其特征在于：包括无铁心定子盘、位于无铁心定子盘两侧的由两个对称的磁钢盘构成的双转子和转子外壳；
无铁心定子盘由绕组直接浇塑而成；
电枢绕组安装在定子骨架上，且定子骨架上有冷却通道，定子骨架由工业陶瓷材料制作而成；
双转子的转子背轭包络每极分块的永磁体A，转子背轭由硅钢片材料制成；
无铁心定子盘内侧通过粘结剂固定设置有永磁体B，永磁体B为双层halbach阵列结构，且轴向充磁。
2.根据权利要求1所述的一种机器人用双层halbach阵列的定子无铁心伺服电机，其特征在于：转子外壳由高机械强度、非磁性材料制作而成。
3.根据权利要求2所述的一种机器人用双层halbach阵列的定子无铁心伺服电机，其特征在于：无铁心定子盘内设置有定子，定子的A、B、C三相绕组采用分数槽集中绕组的形式，且选用每齿都绕线的双层结构。
4.根据权利要求3所述的一种机器人用双层halbach阵列的定子无铁心伺服电机，其特征在于：绕组使用专用的绕线机在单齿中进行线圈直绕，且采用定子齿顶开槽方法削弱齿槽转矩。
5.根据权利要求4所述的一种机器人用双层halbach阵列的定子无铁心伺服电机，其特征在于：定子节距为1，每个线圈只绕在一个齿上，以此缩短线圈的周长和绕组端部伸出长度，减少了用铜量，且线圈端部不重叠，不必设置相间绝缘；定子各绕组之间无铁心，采用环氧树脂浇灌风干固定,且该定子是将绕组定型后放入模具中注塑而成的；且采用8极9虚槽的极槽配合。
6.根据权利要求5所述的一种机器人用双层halbach阵列的定子无铁心伺服电机，其特征在于：永磁体A和永磁铁B的材料选用铁氧体永磁体，铁心采用非晶合金材料。
7.根据权利要求6所述的一种机器人用双层halbach阵列的定子无铁心伺服电机，其特征在于：伺服电机的转轴上，永磁体采用表贴式结构，且用铁氧体永磁体，铁心采用非晶合金材料，用90°halbach（每四块组成一对极）阵列的永磁体排列方式进行排列粘贴，并用玻璃丝绳将永磁体捆扎固定。
8.根据权利要求7所述的一种机器人用双层halbach阵列的定子无铁心伺服电机，其特征在于：在满足转子磁路结构要求的前提下，在转子冲片上加开了工艺槽，其提高了电机的动态响应速度和系统性能。
9.根据权利要求8所述的一种机器人用双层halbach阵列的定子无铁心伺服电机，其特征在于：为了防止电机在高速运行或强振动条件下表贴永磁体的脱落，在转子外圆上套一个套筒。
10.根据权利要求9所述的一种机器人用双层halbach阵列的定子无铁心伺服电机，其特征在于：为防止套筒发热及涡流损耗，该套筒使用强度高的碳纤维或环氧材料。
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