CN110460182B - 基于交替极的模块化永磁复合自减速伺服电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于交替极的模块化永磁复合自减速伺服电机，其包含电枢绕组以及从内至外依次同轴设置的内定子固定环，内定子模块、外转子和不导磁铝壳。其中，不导磁铝壳上的燕尾凸起能够与外转子外侧燕尾槽咬合，以增强转子鲁棒性；内定子为模块化结构，且分为主、副齿；内定子主齿上有两个分裂齿；内定子副齿没有分裂齿；内定子副齿与内定子主齿上的分裂齿在尺寸上一致；每个内定子模块的定子轭部均设有多边形凹槽与多边形凸起，保证各内定子模块稳定咬合；转子上置有极性相同的交替极磁钢，磁钢外侧采用弧形结构以增加永磁极的基波含量；电枢绕组以隔齿绕的方式绕制在内定子主齿上，以增强电枢绕组的相间磁、热隔离。

Description

基于交替极的模块化永磁复合自减速伺服电机

技术领域

本发明涉及电机结构设计领域，特别是一种基于交替极的模块化永磁复合自减速伺服电 机。

背景技术

随着电机技术的不断发展，交流伺服电机凭借着其出色的性能和低廉的成本，已经开始 逐渐替代直流电机，成为了伺服系统中重要的电机类型。由于交流伺服电机在机床、印刷设 备、包装设备、纺织设备、激光加工设备、机器人、电子、制药、金融机具、自动化生产线 等相关领域都有着非常广泛的应用，已成为了近年来的研究热点之一。随着交流伺服电机的 快速普及，企业对于交流伺服电机的需求量也日益增大。据不完全统计，我国相关行业对于 伺服电机的需求量从2014年的385万台，猛增至2017年的872万台，行业前景非常可观。 但问题也随之而来，由于生产条件及技术的制约，使得我国本土伺服电机企业在产品供应上 出现了明显的产能不足。同时，随着伺服电机的广泛应用，对伺服电机的控制精度、效率以 及输出能力上也有了更高的要求。

如上所述，虽然伺服电机的工作速域相对较低，但在输出转矩、控制精度、加工工艺以 及结构可靠性上都有着较高的要求。通常情况下，伺服电机在机器人应用中对其关节转速的 要求不高，一般保持在每秒两、三转左右。因此，伺服电机通常需要配以机械齿轮箱进行降 速。与常规永磁电机相比，自减速电机将原动机和磁齿轮整合为一体，从而能够以更低的成 本实现更高的自减速能力，并且有助于实现更精确的转速控制。除此之外，由于电机自带减 速能力，可有效替代传统的齿轮箱，消除机械上的摩擦损耗，并有效降低传动噪音等缺陷， 提升传动效率。

目前，自减速伺服电机主要为游标电机结构。即通过定、转子之间的场调制作用来实现 电机的自减速功能。首先，由于伺服电机的电枢绕组极对数通常为定子齿数和转子极对数之 差的绝对值，因而其减速比通常是由定子齿数和磁钢极对数所共同决定的；其次，由于槽极 配比的制约，电枢绕组通常会以整数槽分布绕组的型式进行绕制，因而使得绕线方式更为复 杂，端部绕组更大，这会增加电机的电损耗与绕组轴向所占空间；并且，由于电机结构较为 复杂，会使整套设备的可靠性下降，增加后期的维护难度。同时，为较好地实现自减速功能， 电机的转子极对数通常设计的较大，以达到低速大转矩的目的，但这也会带来极间漏磁增大、 磁钢用量增多以及转子可靠性降低等诸多问题。为获得更大的转矩密度以及更低的空载反电 势畸变率，部分自减速电机采用了Halbach阵列的转子结构，这将进一步增加转子安装时的 复杂程度，并使得电机成本大幅增高。除此之外，为降低转子的漏磁问题，并提高磁钢设计 的自由度，部分伺服电机开始尝试运用交替极的设计思路，即采用铁芯极替代原有的部分磁 钢，以减少漏磁与制造成本，但由于磁钢用量相对较少，会使得电机的电磁性能出现一定程 度的下降。因此，磁钢的交替极构型需要进行优化设计，以确保伺服电机具备具体应用场合 所要求的转矩密度和功率密度。同时，通过绕组理论可知，由于传统伺服电机采用整数槽分 布绕组的绕制方式，其绕线结构较为复杂，端部较大，因而相间互感和绕组温升较为严重， 不利于电机长时间运行，并增加了电机组装及后期故障排查的难度。因此，有必要对传统伺 服电机的结构进行优化设计。

由于传统游标电机存在上述种种限制，因而需要设计一种具有自减速功能新型电机，旨 在提高减速比的同时，简化绕组结构，使得自减速电机能够在减少端部绕组所占空间，且能 够有效实现磁、热隔离。此外，该类结构还需要在降低磁钢用量的前提下，尽可能地保证永 磁电机的电磁性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提出一种基于交替极的模块化 永磁复合自减速伺服电机。该种结构采用隔齿绕的方式，极大地降低了端部绕组所占空间， 并通过不等齿结构有效实现了电机的热、磁隔离；并可在降低永磁体用量的同时，最大程度 地保证电机的电磁性能，提高电机的永磁利用率。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于交替极的模块化永磁复合自 减速伺服电机，包括电枢绕组以及从内至外依次同轴设置的内定子固定环、内定子模块、外 转子和不导磁铝壳；所述外转子和内定子模块之间有空气气隙；所述外转子中设置有永磁体； 所述内定子模块轭部内侧与外转子轭部外侧均设置有燕尾槽。

所述内定子模块包括主齿模块和副齿模块，其中主齿模块和副齿模块交替分布，每个主 齿模块上有两个分裂齿，副齿模块上无分裂齿，以此增大电机的减速比系数；主、副齿均不 含极靴；每个主齿和副齿均为独立定子模块；每个定子模块的轭部均含有相同规格的多边形 凹槽和凸起。

内定子内侧设有模块固定环，以进一步地固定住各内定子模块，使得内定子可靠性更强。

内定子上绕有三相电枢绕组，并以隔齿绕的方式绕制在主齿赤身上，相邻相绕组间隔有 副齿。

由于相邻电枢绕组间设有副齿，因而可极大地降低不同相序电枢绕组之间的相互影响。

电枢绕组的极对数为定子总齿数和转子极对数之差的绝对值。

主齿模块和副齿模块通过内定子多边形槽/凸起1进行咬合，所述内定子模块的边缘设置有燕 尾槽15，所述燕尾槽能够和内定子模块固定环相卡合，进一步增加内定子模块结构的稳定性， 使合成后的内定子鲁棒性更强。

作为本发明的一种改进，外转子上设置有基于交替极结构的磁钢，这样既能降低电机的 稀土材料用量，还能保证永磁电机固有的电磁特性。

作为本发明的一种改进，外转子轭部外侧设有一同轴不导磁铝壳，不导磁铝壳上设有燕尾 凸起，能够与外转子外侧燕尾槽咬合，以此增加转子运转时的稳定性。并且，由于铝壳不导 磁的特性，电机原有的磁路并不会受到影响。

作为本发明的一种改进，内定子上绕有三相电枢绕组，并以隔齿绕的方式绕制在主齿赤身 上，相邻相绕组间隔有副齿。主、副齿交替分布，且能够通过副齿有效实现各绕组间的热、 磁隔离，并大幅度降低电枢绕组的相间互感。

作为本发明的一种改进，电枢绕组以分数槽集中绕组的绕线方式进行绕制，可减小端部绕 组空间，降低铜耗，并提高电机效率。

作为本发明的一种改进，外转子上的磁钢为交替极结构，磁钢与转子相贴合的一面为弧 形结构，转子中的磁钢为同极性，且相邻永磁极间隔有铁芯极作为磁路。相比于常规表贴式 磁钢，该新型弧形磁钢结构能够在相同永磁体用量下，提供更多的转子基波成分，以增强电 机的转矩输出能力。

作为本发明的一种改进，所述内定子内侧设置有模块固定环，以进一步地固定住各内定子模 块，使得内定子可靠性更强；内定子主齿上分裂齿的齿宽与副齿齿宽相等，其尺寸略小于主齿 齿身的宽度；外转子上的永磁体内嵌在转子中，外转子磁钢槽内侧边缘有凸起，以便于卡住 磁钢，外转子外侧有燕尾槽，能与不导磁铝壳内侧燕尾凸起相咬合，以增强转子鲁棒性。

本发明具有如下有益效果：

(1)通过一种基于交替极的模块化永磁复合自减速伺服电机结构，在气隙中调制出与电 枢绕组极对数相等的谐波，由于基波极对数大于调制谐波极对数，因而能够在伺服电机保持 电流频率一定的前提下，降低转子额定转速，以实现电机的自减速能力。

(2)外转子内的永磁体外侧为弧形，即可使同一块磁钢在不同弧度位置的磁动势不同， 这样能够在保证永磁体用量不变的情况下，增大转子的基波幅值，提高了永磁体利用率，并 降低了空载反电势畸变率。

(3)外转子中的永磁体为交替极结构，即所有磁钢磁化方向相同，且相邻磁钢间以铁芯 极进行隔离。相比于常规磁钢结构，交替极结构能够有效降低永磁体用量，减少极间漏磁。

(4)外转子外侧开燕尾型槽口，且能够与不导磁铝壳内侧的燕尾凸起相咬合，能够有效 地固定住外转子，增强外转子的稳定性和可靠性。

(5)内定子为模块化结构。由于各定子轭部均设有多边形凹槽和凸起，因而可实现定子 模块间的自由拆卸、组装。方便加工和后期维护。

(6)内定子以模块化的方式组合，可以增强定子设计时的自由度。并简化定子生产和安 装时的加工难度，增加了控制的多样性，电机的容错性和稳定性。

(7)内定子上的定子齿分为主齿和副齿，其中，主齿上有分裂齿，副齿上没有分裂齿。

(8)电枢绕组为分数槽集中绕组，以隔齿绕的方式绕制在主齿的齿身上，且以副齿作为 间隔，以降低相间互感和端部绕组的所占空间。

(9)电枢绕组为分数槽集中绕组，能够感应到气隙中更多的有用谐波成分，增加了电机 的功率密度和转矩输出能力。

(10)内定子上的主副齿结构能够较为有效地实现磁、热隔离，并且由于主齿为分裂齿 结构，因而可扩大自减速电机的减速比系数。

附图说明

图1为本发明的一种基于交替极的模块化永磁复合自减速伺服电机的结构示意图。

图2为本发明的爆炸示意图。

图3为本发明内定子的模块化示意图。

图4为本发明的2D横截面示意图。

图5为本发明的磁钢构型示意图。

其中：1外转子；2磁钢；3磁钢卡扣。

图6为本发明弧形磁钢结构的谐波成分与传统磁钢结构的谐波成分对比示意图。

图7为本发明的磁路示意图。

图8为本发明的内定子电枢绕组示意图。

其中：1内定子多边形槽/凸起；2内定子副齿模块；3内定子主齿模块；4 内定子主齿分裂齿一；5内定子主齿分裂齿二；6内定子主齿齿身；7外转子；8 内定子电枢绕组；9定、转子间气隙；10外转子交替极磁钢；11外转子交替极 铁芯极；12不导磁铝壳燕尾凸起/外转子燕尾槽；13不导磁铝壳；14内定子模块 固定环；15内定子固定环燕尾凸起/内定子燕尾槽,

16调制谐波磁路；2-1交替极基波磁路一；2-2交替极基波磁路二；3外转子轭部；4内 定子齿。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：参见图1，一种基于交替极的模块化永磁复合自减速伺服电机，包括内定子副 齿模块2，内定子主齿模块3，外转子7，内定子电枢绕组8，外转子交替极磁钢10，不导磁 铝壳13，外转子7与内定子模组之间存在定、转子间气隙9，所述外转子7、不导磁铝壳13和内定子模组的轴心相同，外转子7内侧设置有交替极磁钢10，且磁钢间以外转子交替极铁芯极11进行隔离。外转子7外侧则开有燕尾槽15，以方便和不导磁铝壳13进行连接固定。 由于不导磁铝壳13不导磁，因而不会干扰原有磁路。同时，该结构还能在增加外转子7稳定 性的同时，保证电机原有的电磁性能。外转子7中的内定子主齿模块3设有两个分裂齿，分 别为内定子主齿分裂齿一4，内定子主齿分裂齿二5，且其尺寸规格完全一致。外转子7中的 内定子副齿模块2没有分裂齿，置于两块内定子主齿模块3之间，且其齿身宽度略小于内定 子主齿模块3的内定子主齿身6的宽度。内定子包括内定子副齿模块2和内定子主齿模块3。 两组模块间依靠内定子多边形槽/凸起1进行咬合。内定子模块的轭部边缘存在内定子燕尾槽15，能够和内定子模块固定环14上的燕尾凸起15相卡合，进一步地增加内定子模块化结构的稳定性。内定子主齿模块3上绕制有内定子电枢绕组8，且其绕制方式为分数槽集中绕组的形式。由于每相绕组之间均存在一个内定子副齿模块，因而可有效降低相间互感。内定子中的每个模块的内定子轭上均存在一对内定子多边形槽/凸起1，能够较为巧妙地卡住各定子 模块。使各模块能够较为合理、稳定地组成一个整体。

在内定子中，预设内定子主齿模块3的数量为N。同样地，为保证结构的对称以及稳定 性，内定子副齿模块2数也须设为N。因此，外转子7的永磁极对数p_pm可由下列公式得到

p_pm＝|3N±p_a| (1)

其中，p_a为内定子电枢绕组极对数。

进一步地，该类新型拓扑的交流相数m、内定子主齿模块3的数量N以及电枢绕组极对 数p_a的关系可以根据分数槽集中绕组隔齿绕的固有特性进行确定

为了减小端部绕组空间，增大转矩密度，并缩小线圈跨距，电机相数优取m＝3，槽极配 比设为12槽/20极，电枢绕组极对数p_a为2，k为正整数。其中，内定子副齿模块2和内定子主齿模块3的数量N均为6，由于每个主齿端部有两个分裂齿，副齿没有，因而总齿数为18。此外，相邻电枢绕组之间相隔一个内定子副齿模块2，从而实现良好的电机控制能力和容错能力。

当电机出现“缺相”，“相间干扰”等故障时，能够通过更换定子模块或者调整控制策略， 从而及时优化转矩输出以及反电势畸变率。

如图2所示，为该种基于交替极的模块化永磁复合自减速伺服电机的爆炸示意图。通过 该图可发现，该种电机结构简单，可靠性强，具有较强的鲁棒性。同时，由于本发明采用了 单极性的磁钢，因而磁钢用量降低，从而有效地节省了电机加工成本。

如图3所示，为该种基于交替极的模块化永磁复合自减速伺服电机的内定子模块化示意 图。内定子可进行模块化组装，降低了内定子的加工难度与内定子电枢绕组嵌线工艺的要求。 由于采取了分数槽集中绕组，电机端部所占空间减少。同时，由于本发明采用了模块化内定 子结构，使得电机嵌线更为容易，提高了电机的槽满率与功率密度。除此之外，由于模块化 内定子结构，使电机内部空间更为均匀合理，可提高电机的容错性。这样既能够降低电机的 加工工艺，还能便于电机在出现故障时，及时地进行故障排查及修复。

如图4所示，为该种基于交替极的模块化永磁复合自减速伺服电机的二维剖面图。从该 图不难看出，该结构定、转子结构简单可靠，鲁棒性高，适应范围广，容错性强。

如图5所示，为该种基于交替极的模块化永磁复合自减速伺服电机的磁钢结构示意图。 如图所示，在磁钢用量一定的条件下，将磁钢与转子的接触面做成弧形，可扩大磁钢基波幅 值，从而增加了其气隙中的基波成分。虽然电机利用的是定、转子经过场调制之后所得到的 谐波，但该可利用谐波是通过转子基波调制而成，因而转子基波的含量将直接影响有用谐波 的含量。因此，增加基波含量可有效提升转矩密度。

如图6所示，为该种基于交替极的模块化永磁复合自减速伺服电机的磁钢的基波含量示 意图，由图可知，当磁钢构型为弧形的时候，其基波含量将大于传统表贴式磁钢构型。因而 可知，在经过场调制后，气隙基波幅值相比于传统结构将明显提高。因此，可得出结论，在 永磁体用量一定的条件下，将磁钢制作成如图6所示的弧形结构能够有效增大转子基波含量， 在增加电机的转矩输出能力的同时，还能够优化空载反电势波形，并降低反电势畸变率。

如图7所示，为本发明的磁路示意图。该新型拓扑通过调制原理将磁钢20极对基波调制 为2极对谐波。由图7可知，假定磁钢的磁化方向由上至下，因而磁通离开磁钢后，会立即 进入空气气隙，随后进入定子齿(副齿或者主齿上的分裂齿)。此时磁路可分为三条，第一条 为调制谐波磁路16，即穿过内定子主齿之后到达内定子轭部，然后经过相邻内定子主齿之后， 通过分裂齿再回到转子形成闭合回路；第二条为交替极基波磁路一2-1，磁通在穿过空气气隙， 进入定子齿后便立即返回转子形成闭合回路；第三条为交替极基波磁路二2-2，磁通穿过空气 气隙后，进入定子主齿，随后在进入定子轭后与到达下一个内定子主齿前，便立即通过内定 子副齿回到了转子内。其中，第一条和第三条磁通线路能够被电枢绕组感应到，成为有效匝 链。而第二条磁路的磁通由于在还未被电枢绕组感应到之前便折返回转子，因此不能够成为 有效匝链，即漏磁，这也是场调制游标电机中所不可避免的现象。除此之外，在不考虑磁钢 饱和的前提下，各磁路可等效于并联状态。因此可知，由于各磁路之间互相独立，相应励磁 源独立、互不干扰，从而降低了退磁风险。

如图8所示，为保证电机内转子的简易安装，该结构采用了分数槽集中绕组中的隔齿绕 方式，由于设计电机的容量较小，因而并联支路数为1。此外，每个线圈间由一个定子副齿 作为间隔，以保证电机良好的磁、热隔离能力。为了降低安装成本，并能够与自动化工业相 匹配，本电机将采用交流3相，以保证和市面上相对成熟且应用广泛的3相供电系统相匹配。

与原有电机相比，该种新型电机拓扑能够以增添副齿的办法，扩大电机的减速比，并抑 制了各线圈间的相间互感，使得电机运行更加安全、稳定、可靠。相比于其他拓扑，该结构 通过模块化设计，简化了定子绕组结构，增加了电机设计时的自由度，缩小了端部，因而能 够有效地降低电枢反应。由于电机绕组为分数槽集中绕组，因而能够利用到更多的有用谐波。 除此之外，电机内定子采用了模块化组合的方式，因而能够在电机发生故障时，迅速找到故 障点，将故障模块进行快速修复与替换。为保证电机的结构强度以及鲁棒性，本发明在转子 外侧和内定子内侧进行了开槽，并设有内定子固定环和不导磁铝壳进行固定。同时，为降低 电机永磁体用量，本发明中的永磁体采用了交替极结构，保证了永磁电机的固有电磁特性。 综上所述，该种电机能够利用到空气气隙中更多的有用谐波成分，增加了输出转矩和功率密 度，并且还能够实现磁、热隔离，以及电机的高容错性和更宽泛的控制方式。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体 细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同 变换均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于交替极的模块化永磁复合自减速伺服电机，其特征在于：包括电枢绕组以及从内至外依次同轴设置的内定子固定环、内定子模块、外转子和不导磁铝壳；所述外转子和内定子模块之间有空气气隙；所述外转子中设置有永磁体；所述内定子模块轭部内侧与外转子轭部外侧均设置有燕尾槽；所述内定子模块包括主齿模块和副齿模块，其中主齿模块和副齿模块交替分布，每个主齿模块上有两个分裂齿，副齿模块上无分裂齿，以此增大电机的减速比系数；主齿模块和副齿模块通过内定子多边形槽/凸起进行咬合，所述内定子模块的边缘设置有燕尾槽，所述燕尾槽能够和内定子模块固定环相卡合；外转子上设置有基于交替极结构的磁钢；外转子轭部外侧设有一同轴不导磁铝壳，不导磁铝壳上设有燕尾凸起，能够与外转子外侧燕尾槽咬合，外转子上的磁钢为交替极结构，磁钢与转子相贴合的一面为弧形结构，转子中的磁钢为同极性，且相邻永磁极间隔有铁芯极作为磁路。

2.根据权利要求1所述的一种基于交替极的模块化永磁复合自减速伺服电机，其特征在于：内定子上绕有三相电枢绕组，并以隔齿绕的方式绕制在主齿齿身上，相邻相绕组间隔有副齿。

3.根据权利要求2所述的一种基于交替极的模块化永磁复合自减速伺服电机，其特征在于：电枢绕组以分数槽集中绕组的绕线方式进行绕制。

4.根据权利要求3所述的一种基于交替极的模块化永磁复合自减速伺服电机，其特征在于：内定子主齿上分裂齿的齿宽与副齿齿宽相等，其尺寸略小于主齿齿身的宽度。

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