CN110620449B - 一种盘式横向磁通永磁无刷电机及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提出了一种盘式横向磁通永磁无刷电机及方法，包括：两个定子盘和一个转子盘，两个定子盘对称分布在转子盘两侧，转子盘与转轴相连接；所述转子盘上分布有两组沿圆周分布的永磁体，沿径向方向，分别称为内永磁体组和外永磁体组，每组均包含若干沿圆周方向N极、S极交错排列的永磁体，径向上下两块永磁体极性相反；每个定子盘由沿圆周方向均匀分布的若干定子铁心构成，一块定子铁心包含一块C型铁心极身，一块扇形铁心极靴以及缠绕在一个C型铁心臂上的电枢绕组。扩展了工业机器人伺服PMSM的种类，电机转矩密度提高，电机轴向长度缩小，可以灵活运用在更多场合，电机转子部分重量大幅下降，减小了电机的转动惯量，提升了电机的转矩惯量比。

Description

一种盘式横向磁通永磁无刷电机及方法

技术领域

本公开涉及电机技术领域，特别是涉及一种盘式横向磁通永磁无刷电机及方法，伺服永磁同步交流电动机适合于要求小体积的工业机器人用。

背景技术

工业机器人是集合了数个学科的高新技术设备，在智能领域应用前景广阔，近几十年发展迅速，工业机器人技术具有很高的自动化程度，可灵活应用，同时抗干扰能力强，可以胜任大多数的生产环境，可以一定程度上代替人类的体力和脑力劳动。工业机器人的4大组成部分为：本体、伺服系统(包括伺服驱动和伺服电动机)、减速器、控制器，该4大组成部分成本占工业机器人整体的比例分别是：22％、24％、36％、12％，而其他部分占6％。伺服电动机作为工业机器人伺服系统中的关键执行部件，虽然在国内一些单位已开始研究并取得了一些进步，部分产品亦已在国产工业机器人中得到应用，但与国外高性能的交流伺服电动机相比，还存在较大差距，暂时无法满足高端工业机器人的需要。与国外高性能的伺服电动机相比，国产工业机器人用伺服电机主要在可靠性、功率密度、动态反应能力等方面存在较大差距。

目前主流工业机器人制造厂商伺服系统大多采用永磁同步交流伺服电动机(以下简称伺服PMSM)，尽管伺服PMSM仍存在一些关键技术问题没有解决，暂时无法满足高端工业机器人智能化、灵活性、可靠性、长寿命等方面的需要，但是随着技术的不断发展，一些关键问题有望被攻克。

当今几大工业机器人制造企业均是伺服电动机和控制器的主要厂商，如欧美系的瑞士ABB、德国KUKA(库卡)，以及日系的FANUC(法那科)、YASKAWA(安川)等。上述企业往往是从电机企业发展成为工业机器人企业。这也充分说明了电动机技术在工业机器人领域的重要性。美国是开发工业机器人最早的国家，该国Consolidated Control Corp.和AMP公司，早在1961年就成功研制出世界上第一台机器人。目前，在民用领域，国际上占据了工业机器人绝大部分市场的是“四大家族”企业：瑞士ABB公司、日本法那科、日本安川，以及德国库卡。从国外各大工业机器人所配套的电动机品种来看，均已使用伺服PMSM替代之前的直流伺服电动机或步进电动机，而且均已进入到了工业机器人厂商根据自身机器人性能要求向电动机厂家深度定制机器人专用伺服电动机产品，或由工业机器人厂商与电动机厂家共同研发机器人专用伺服电动机产品的全新发展阶段。

我国的工业机器人研究工作开始于上世纪70年代，到现在已有40多年的历程。国内的一些单位已经在工业机器人用伺服PMSM的研究上取得了进步，部分产品已在国产工业机器人中得到应用。如作为传统的机床数控设备供应厂商，广州数控从2007年开始研制工业机器人专用伺服PMSM，其所生产的工业机器人全部配套使用自己研制的“SJTR”系列伺服PMSM；作为传统的自动化设备供应厂商，南京埃斯顿所生产的工业机器人大部分配套使用自己研制的伺服PMSM；作为传统的专业电机生产企业洛阳诚冠、上海翡叶动力等厂商也陆续有工业机器人用伺服PMSM面世，并部分被国内厂商集成配套到国产工业机器人上使用。但与国外高性能的伺服电动机相比，还存在较大差距，性能及可靠性等还需由市场作进一步的检验。

横向磁通永磁无刷电机作为一种新型结构电机，凭借其转矩密度高、设计自由度大、绕组形式简单、电路磁路相互解耦等优点受到了国内外研究学者的青睐，但是其应用在工业机器人上替代伺服PMSM先例较少。这种基于横向磁通永磁无刷电机的伺服电机系统潜力巨大，由于横向磁场电机仍属于同步电机的范畴，因而同步电机的控制方法如矢量控制、直接转矩控制等方法以及现代控制理论的算法如模糊控制、神经网络控制等，仍旧可以应用到横向磁场电机中；并且各相间的解耦使控制更加灵活方便，可以通过控制绕组电流来满足不同驱动系统对转矩密度、效率和功率因数等的要求。

横向磁通永磁电机是20世纪80年代末由德国的H.Weh教授提出的一种新型电机结构形式。磁路结构的改变使其从理论上克服了传统电机齿槽位于同一截面，几何尺寸相互制约，电机转矩难以根本提高的缺陷，特别适合高转矩、直接驱动等应用场合。德国于1988年率先研制了首台45kW横向磁通永磁电机样机，1999年又将横向磁通永磁电机作为电动车发展优选部件之一；英国Rolls-Royce国际研发中心于1997年设计并制作了3.0MW采用C形定子铁心的横向磁通永磁电机样机，目前正在研制16相20MW横向磁通永磁电机；美国通用汽车Allsion传动部着手于研究复合软磁材料(SMC)成形定子的横向磁通电机和爪形齿横向磁通电机，并研制了30kW电动车用横向磁通电机。

国内对横向磁通电机的研究开展较晚，但目前已有不少样机研制成功。此外横向磁通永磁电机还被应用于磁悬浮、风力发电、直线驱动等领域。

目前，工业机器人等高新技术领域对伺服电动机的需求与日俱增，从而对伺服同步电动机的研究及应用提出了更高更迫切的要求。纵观前人所做的工作，国内生产的传统伺服PMSM主要在可靠性、功率密度、转矩密度、动态反应能力等方面与国外同类产品差距较大，不能得到有效推广使用。横向磁通永磁无刷电机作为一种新型结构电机，凭借其转矩密度高、设计自由度大、绕组形式简单、电路磁路相互解耦以及各相间解耦等优点成为伺服PMSM的未来发展方向。但由于横向磁通永磁无刷电机结构和原理的特殊性，为最终实现其产业化、商业化，需重点研究和解决以下方面的问题：

1.新结构样机的研发和电机结构的优化设计问题。根据工业机器人对结构紧凑、转动惯量小、性能优良的要求，研制开发采用横向磁通原理的新型盘式横向磁通永磁无刷电机，以扩展工业机器人伺服PMSM的种类，拓宽横向磁通永磁无刷电机的应用范围。优化盘式横向磁通永磁无刷电机结构，使电机结构简单，便于制造，降低电机工艺难度，合理设计电机尺寸，减轻重量，减小体积。

2.新材料在横向磁通电机中的应用问题。由于横向磁通电机的特殊结构，电机磁路为三维路径，另外横向磁通电机齿槽开口较大，导致电机漏电抗高，电机功率因数得不到改善，为了解决横向磁通电机的诸多问题，相关研究学者在新材料方面谋求突破。软磁复合材料(SMC)是一种新型导磁功能材料，与电机通用的叠压硅钢材料相比，具有高频铁耗低、各向同性、磁热特性等明显优势，用于电机时可实现电机的三维磁路结构、多极高频及模块化设计，基于SMC的工业机器人用永磁无刷伺服电机具有高效、高功率密度和高转矩密度等优势。将软磁复合材料(SMC)应用到横向磁通永磁无刷电机成为提高横向磁通电机性能的重要可行手段。

3.电机齿槽转矩优化问题。伺服电动机运行时转矩脉动过大会导致机器人工作时产生抖动现象，从而影响机器人的定位精度，而齿槽转矩是定子铁心的齿槽与转子永磁体相互作用产生的磁阻转矩，是转矩脉动的重要组成部分。因此，降低电机的槽转矩对抑制转矩脉动具有十分重要的意义。

4.电机制造和加工工艺问题。由于横向磁通永磁无刷电机的结构形状与常规的伺服PMSM有明显差别，所以许多用于常规电机设计的经验公式和图标曲线均不适用于横向磁通永磁无刷电机的设计。因此，必须根据横向磁通永磁无刷电机的具体结构特点，总结出电机设计经验公式，为以后横向磁通永磁无刷电机的优化设计提供参考。此外，由于横向磁通永磁无刷电机结构复杂，加工比较困难，所以还必须重视横向磁通永磁无刷电机加工工艺的研究，提高横向磁通永磁无刷电机加工的精确度。

5.电动机驱动控制问题。横向磁通永磁无刷电机是典型的机电一体化产品，在满足通用伺服驱动器功能的前提下，研究横向磁通永磁无刷电机在线参数辨识、转动惯量辨识、负载转矩估算、控制参数自整定等算法，实现工业机器人高性能永磁无刷伺服驱动器。

发明内容

本说明书实施方式的目的是提供一种盘式横向磁通永磁无刷电机，相较于传统伺服PMSM，同等额定功率下，新型盘式横向磁通永磁无刷电机体积更小，转子质量更低，可以获得小转动惯量，使电机获得良好的动态响应能力，在工业机器人用伺服电动机中具有明显优势。

本说明书实施方式提供一种盘式横向磁通永磁无刷电机，通过以下技术方案实现：

包括：两个定子盘和一个转子盘，两个定子盘对称分布在转子盘两侧，转子盘与转轴相连接；

所述转子盘上分布有两组沿圆周分布的永磁体，沿径向方向，分别称为内永磁体组和外永磁体组，每组均包含若干沿圆周方向N极、S极交错排列的永磁体，径向上下两块永磁体极性相反；

每个定子盘由沿圆周方向均匀分布的若干定子铁心构成，一块定子铁心包含一块C型铁心极身，一块扇形铁心极靴以及缠绕在一个C型铁心臂上的电枢绕组。

进一步的技术方案，前后两个定子盘内周部分分别对应留出放置机器人伺服电机制动器以及轴承的空间。

进一步的技术方案，C型铁心极身为硅钢片叠压制成的，扇形铁心极靴为软磁复合材料制成的；

优选的，定子铁心上下臂结构不对称，下壁末端为平面式，上臂末端为“凸”字型结构；

扇形铁心极靴中间开有通孔，与定子铁心上臂末端“凸”字型结构配合，起到定位和固定作用。

进一步的技术方案，扇形铁心极靴外径和转子盘外径相同，即与转子盘外永磁体外径相同，电机定子盘和转子盘保持同轴度，两个定子盘在转子盘两侧镜像对称分布，定子盘和转子盘间的气隙通过尺寸链保证。

进一步的技术方案，定子铁心前端插入硬塑料板中，定子铁心后端固定在不导磁支架上；

所述硬塑料板外周部分开有半圆形通孔，与机壳内半圆槽配合，起到定位作用。

进一步的技术方案，永磁体整体为扇形结构，轴向充磁，永磁体两边为“凸”字型结构，配合转子盘内设有“凹”型槽，永磁体沿径向“凹”型槽插入转子盘中，转子盘内周部分开有均匀分布圆形通孔，与转轴采用螺栓固定。

进一步的技术方案，不导磁滑块用于间隔内外两块永磁体，所述永磁体及不导磁滑块的“凸”字型结构与非导磁材料制成的辐形圆盘的“凹”型槽配合，安装过程中，按照内圈永磁体、不导磁滑块以及外圈永磁体的顺序依次插入到圆盘中；永磁体装配完成后，将外圈套环嵌套到位。

进一步的技术方案，所述永磁体厚度和转子盘厚度相同，转子盘上沿内外周开有通孔，用于放置永磁体；

优选的，在转子盘外圈加装套环，用于沿径向固定永磁体，套环材质为不导磁材料铝，转子盘与不导磁套环之间的机械配合方式为过盈配合。

进一步的技术方案，所述机壳分为前后两部分，分别安装两个定子盘，定子盘安装方式相同，安装到位后，配合工装灌胶固定。

进一步的技术方案，所述转轴与前后两个轴承采用过盈配合，前后两个轴承分别放置在前后两个端盖的轴承室中。

进一步的技术方案，所述电枢绕组为集中绕组，缠绕在定子铁心的磁极上，设定沿轴向方向，定子铁心装有软磁复合材料极靴的一侧为前端，另一侧为后端，绕组正向电流产生的磁场若由定子铁心后端指向前端，则该绕组为+绕组，反之，为-绕组；

相邻两个定子铁心相互错开30度机械角度。

本说明书公开了一种工业机器人，其伺服系统采用盘式横向磁通永磁无刷电机。

本说明书公开了一种盘式横向磁通永磁无刷电机的工作方法，包括：

永磁磁依次通经转子盘外周永磁体、气隙(前外)、左半部分定子铁心、气隙(后外)、转子盘内周永磁体、气隙(后内)、左半部分定子铁心、气隙(前内)、转子盘外周永磁体形成闭合回路；

沿圆周方向以及径向相邻两个永磁体极性相反，当转子盘旋转时，定子铁心内磁通交变，缠绕在定子铁心上的定子绕组内感生出感应电动势；

当定子绕组通三相交流电时，形成同步速旋转磁场，与永磁体产生的磁场相互作用，产生同步电磁转矩，进而驱动电机旋转。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

1.本公开采用新的工作原理和电机结构，扩展了工业机器人伺服PMSM的种类，电机转矩密度提高，电机轴向长度缩小，可以灵活运用在更多场合，电机转子部分重量大幅下降，减小了电机的转动惯量，提升了电机的转矩惯量比。

2.本公开拓宽了新材料的应用范围。本公开采用了横向磁通结构，即转子旋转方向垂直于电机主磁路所在平面。单纯应用传统硅钢材料不能够解决电机的三维磁路结构以及齿槽位置漏磁问题，通过引进软磁复合材料，制造SMC-硅钢铁心，可以有效解决横向磁通永磁无刷电机面临的问题，同时拓宽了软磁复合材料应用范围，达到产业互补推动的效果。

3.本公开解决了电磁耦合问题。横向磁通永磁无刷电机电路磁路相互解耦以及各相间解耦，极大简化了电机的电磁计算和性能分析，解决了横向磁通永磁无刷电机研究过程中的关键问题。

4.本公开简化了电机制造和加工工艺。本公开提出的电机为盘式结构，分为两个定子盘和一个转子盘，安装时可采用模块化装配思路，相较于以往的跨极式结构，该电机的定位固定难度大幅降低。

5、本公开简化了电机的驱动控制系统。一般来说，伺服电机要实现高性能转矩控制必须采用矢量解耦变换，但传统伺服PMSM三相电枢绕组并非各相独立，各相间复杂的磁联系使其存在非线性强耦合的特点，调节一相电流势必要影响其它两相电流的变化,故三相电流独立调节不能很好实现线性化解耦控制。本公开电机采用了分块电枢铁心结构，单个定子盘上12块定子铁心相互独立，因此磁路结构上可以实现电机各相磁路间的解耦,进而通过三相电流的独立调节可以很好实现线性化解耦控制，这在很大程度上降低了的电机强耦合性,增强了电机的可控性,有利于通过简单的电流控制方法实现高性能转矩控制，降低驱动系统开发难度及开发成本。

6、本公开电机优化手段增加。该电机定子铁心部分使用了软磁复合材料制作的定子铁心极靴，通过优化定子铁心极靴的厚度及圆弧角度，可以达到减小电机漏磁以及降低电机齿槽转矩的效果，为电机优化设计提供了更为有效的手段。

7、本公开的新型盘式横向磁通永磁无刷电机与传统伺服永磁同步电动机相比具有高转矩惯量比、设计计算方便、驱动控制方式简单、优化措施丰富的优势，为推动国产工业机器人用伺服永磁同步电动机的实用化、产业化、商业化提供了新的思路和解决方案。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例子的整体三维结构图；

图2为本公开实施例子的电机转轴结构图；

图3为本公开实施例子的电机本体部分三维结构图；

图4为本公开实施例子的单个定子铁心结构图；

图5为本公开实施例子的单个定子盘组装示意图；

图6为本公开实施例子的定子铁心灌胶工装；

图7(a)-图7(b)为本公开实施例子的内周永磁体和外周永磁体结构图；

图8为本公开实施例子的转子盘滑块结构图；

图9为本公开实施例子的转子盘组装示意图；

图10为本公开实施例子的定子线圈接线示意图；

图11为本公开实施例子的电机主磁路示意图；

图中，1.前端盖，2.前轴承，3.制动器，4.前机壳，5.转子盘，6.转轴，7.后机壳，8.后轴承，9.后端盖，10.定子铁心，11.定子绕组；

6-1、轴伸端，6-2、第二区域，6-3、第一区域，6-4、转轴台阶，6-5、第三区域，6-6、第四区域；

5-1、辐形圆盘，5-2、外圈套环，5-3、外圈永磁体，5-4、内圈永磁体，5-5、不导磁滑块；

4-2、不导磁支架，4-3、硬塑料板，4-4、定子盘。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例子一

该实施例公开了一种新型盘式横向磁通永磁无刷电机，当本公开用作工业机器人用伺服永磁同步电动机时，电机整体结构如图1所示，包括前端盖1、前轴承2、制动器3、前机壳4(包含前侧定子盘)、转子盘5、转轴6、后机壳7(包含后侧定子盘)、后轴承8和后端盖9。

转轴6在电机设计及装配中起到关键作用，结合图2对转轴分段进行讲解，

转轴6包括转轴台阶，沿远离转轴台阶的方向圆周直径逐渐减小，一侧分别为第一区域6-3、第二区域6-2及轴伸端6-1，另一侧分别为第三区域6-5及第四区域6-6。

转轴6轴伸端6-1用于输出转矩连接负载；转轴第二区域6-2与前轴承配合，装配时采用过盈配合；制动器3转子部分与转轴第一区域6-3配合固定，固定方式采用紧定螺钉，沿径向锁紧；转轴台阶6-4沿圆周均匀分布有6个通孔，与转子盘5上的6个通孔配合，使用螺栓固定；转轴第三区域6-5与后轴承配合，装配时采用过盈配合；转轴第四区域6-6与编码器连接，输出电机转速位置数据，实现电机精确控制。

图3是所述发明的电机本体部分，电机本体分为定子和转子两部分，定子又可分为前后两个定子盘。单个定子盘由12个分块的定子铁心10组成以及缠绕在定子铁心10上的定子绕组11组成，转子盘5由非导磁材料制成的辐形圆盘5-1、非导磁材料制成的外圈套环5-2、10块外圈永磁体5-3、10块内圈永磁体5-4以及用于分隔内外两块永磁体的非导磁滑块5-5组成。所述定子铁心组装方式由图4给出，一块定子铁心包含一块硅钢片叠压制成的C型铁心极身10-2，一块软磁复合材料制成的扇形铁心极靴10-1。定子硅钢铁心上下臂结构不对称，下壁末端为平面式，上臂末端做成“凸”字型结构，铁心极靴中间开有通孔，与硅钢定子铁心上臂末端配合，起到定位和固定作用。

主磁路提及的气隙，根据轴向和径向方位分为前外、后外、后内、前内，添加附图11具体表述电机主磁路，同时对一条主磁路中的四个气隙进行标注。

结合图3以及图11说明本公开电机工作原理：永磁磁通经转子盘外周永磁体5-3→气隙(前外a)→图3左半部分定子铁心10→气隙(后外b)→转子盘内周永磁体5-4→气隙(后内c)→图3左半部分定子铁心10→气隙(前内d)→转子盘外周永磁体5-3形成闭合回路。沿圆周方向以及径向相邻两个永磁体极性相反。当转子盘5旋转时，定子铁心10内磁通交变，缠绕在定子铁心10上的定子绕组11内感生出感应电动势。当定子绕组通三相交流电时，形成同步速旋转磁场，与永磁体产生的磁场相互作用，产生同步电磁转矩，进而驱动电机旋转。

电机定子盘部分为12个分块电枢铁心，在固定以及定位上与传统电机有着根本区别，图5是所述电机定子盘装配过程，在这里只讨论图3左侧定子盘装配过程，即图5中定子盘4-4。硬塑料板4-3与定子盘4-4右端配合，安装时，定子铁心10逐个插入到硬塑料板4-3的开口中，硬塑料板4-3硬塑料板外周部分开有半圆形通孔，与机壳内半圆槽配合，起到定位作用。不导磁支架4-2与定子盘左端采用过盈配合，安装时首先加热不导磁支架4-2，然后将支架按压在定子盘4-4左端，此时硬塑料板4-3与定子盘4-4右端配合这一工序应已进行完成。使用硬塑料板4-3和不导磁支架4-2固定好后的定子盘整体放入到所述电机前机壳4中，安装过程中，硬塑料板4-3上的半圆形定位孔与机壳上的半圆形定位孔应对齐。

电机定子盘若只采用前后两个支撑架的固定方式并不可靠，为保证电机可靠运转，需要对定子盘施行灌胶操作。不导磁支架4-2上开有两个Φ6圆孔，用于进行灌胶，灌胶过程中，两个圆孔选择一个作为进胶口，另一个作为排气孔。灌胶工序需要配以图6所示工装，以对定子盘进行密封，工装从硬塑料板4-3部分开始插入，直到工装台面与硬塑料板4-3接触。

电机转子永磁体结构如图7(a)-图7(b)所示，外圈永磁体5-3、内圈永磁体5-4在结构上，永磁体圆周方向两侧均为“凸”字型结构，另外用于间隔内外两块永磁体的不导磁滑块5-5结构与两块永磁体类似。如图8所示，所述永磁体及不导磁滑块的“凸”字型结构与非导磁材料制成的辐形圆盘5-1的“凹”型槽配合，安装过程中，参见附图9所示，按照内圈永磁体5-4、不导磁滑块5-5以及外圈永磁体5-3的顺序依次插入到圆盘5-1中。永磁体装配完成后，将非导磁材料制成的外圈套环5-2嵌套到位。

所述电机绕组接线方式如图10所示，所述定子绕组11为集中绕组，缠绕在定子铁心10-2上。设定沿轴向上，定子铁心装有软磁复合材料极靴的一侧为前端，另一侧为后端，绕组正向电流产生的磁场若由定子铁心后端指向前端，则该绕组为+绕组，反之，为-绕组。按照该方式，若图3中左侧定子盘绕组排布方式为(A+)-(A-)-(B-)-(B+)-(C+)-(C-)-(A-)-(A+)-(B+)-(B-)-(C-)-(C+)，则右侧定子盘绕组排布方式为(A-)-(A+)-(B+)-(B-)-(C-)-(C+)-(A+)-(A-)-(B-)-(B+)-(C+)-(C-)。

本公开提出的新型盘式横向磁通永磁无刷电机的工作原理为：

永磁磁通经转子盘外周永磁体→气隙(前外)→定子铁心→气隙(前外)→转子盘内周永磁体→气隙(前外)→定子铁心→气隙(前外)→转子盘外周永磁体形成闭合回路，当定子绕组通三相交流电时，形成同步速旋转磁场，与永磁体产生的磁场相互作用，产生同步电磁转矩，进而驱动电机旋转。

相比于传统结构的工业机器人用伺服永磁同步电动机，本公开的显著优势之一体现在电机整体体积大幅缩小。工业机器人在停电状态下，要求机器臂断电停摆，这要求伺服电动机需要配套相应刹车系统，即制动器，传统伺服PMSM配套制动器需要安装在电机本体前侧或后侧，在轴向上占据更多空间，而本公开提出的新型盘式横向磁通永磁无刷电机对这部分进行了合理设计，制动器3可部分放置在前定子壳4内的定子盘空腔中，减小电机整体体积。另外电机的后轴承以及编码器均可设计在电机定子盘内空腔中，实现空间利用最大化。本公开的另一个显著优势是电机转子转动惯量小，电机转子部分为转子盘5，相较于传统结构的工业机器人用伺服永磁同步电动机转子，尽管转子外径相应扩大但是重量明显降低，凭借转动惯量小的优势，本公开提出的新型盘式横向磁通永磁无刷电机更能适应工业机器人对伺服电机动态响应的要求。

实施例子二

工业机器人的4大组成部分为：本体、伺服系统(包括伺服驱动和伺服电动机)、减速器、控制器，伺服电动机作为工业机器人伺服系统中的关键执行部件，在该实施例子中，其伺服系统采用实施例子一中的盘式横向磁通永磁无刷电机，具体电机结构参见实施例子一所示，此处不再进行详细的描述。

实施例子三

本说明书公开了一种盘式横向磁通永磁无刷电机的工作方法，包括：

永磁磁依次通经转子盘外周永磁体、气隙、左半部分定子铁心、气隙、转子盘内周永磁体、气隙、左半部分定子铁心、气隙、转子盘外周永磁体形成闭合回路；

沿圆周方向以及径向相邻两个永磁体极性相反，当转子盘旋转时，定子铁心内磁通交变，缠绕在定子铁心上的定子绕组内感生出感应电动势；

当定子绕组通三相交流电时，形成同步速旋转磁场，与永磁体产生的磁场相互作用，产生同步电磁转矩，进而驱动电机旋转。

可以理解的是，在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“另一实施例”、“其他实施例”、或“第一实施例～第N实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料的特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种盘式横向磁通永磁无刷电机，其特征是，包括：两个定子盘和一个转子盘，两个定子盘对称分布在转子盘两侧，转子盘与转轴相连接；

所述转子盘上分布有两组沿圆周分布的永磁体，沿径向方向，分别称为内永磁体组和外永磁体组，每组均包含若干沿圆周方向N极、S极交错排列的永磁体，径向上下两块永磁体极性相反；

每个定子盘由沿圆周方向均匀分布的若干定子铁心构成，一块定子铁心包含一块C型铁心极身，一块扇形铁心极靴以及缠绕在一个C型铁心臂上的电枢绕组；

定子铁心上下臂结构不对称，下壁末端为平面式，上臂末端为“凸”字型结构；

扇形铁心极靴中间开有通孔，与定子铁心上臂末端“凸”字型结构配合，起到定位和固定作用。

2.如权利要求1所述的一种盘式横向磁通永磁无刷电机，其特征是，前后两个定子盘内周部分分别对应留出放置机器人伺服电机制动器以及轴承的空间。

3.如权利要求1所述的一种盘式横向磁通永磁无刷电机，其特征是，C型铁心极身为硅钢片叠压制成的，扇形铁心极靴为软磁复合材料制成的。

4.如权利要求1所述的一种盘式横向磁通永磁无刷电机，其特征是，扇形铁心极靴外径和转子盘外径相同，即与转子盘外永磁体外径相同，电机定子盘和转子盘保持同轴度，两个定子盘在转子盘两侧镜像对称分布，定子盘和转子盘间的气隙通过尺寸链保证。

5.如权利要求1所述的一种盘式横向磁通永磁无刷电机，其特征是，定子铁心前端插入硬塑料板中，定子铁心后端固定在不导磁支架上；

所述硬塑料板外周部分开有半圆形通孔，与机壳内半圆槽配合，起到定位作用。

6.如权利要求1所述的一种盘式横向磁通永磁无刷电机，其特征是，永磁体整体为扇形结构，轴向充磁，永磁体两边为“凸”字型结构，配合转子盘内设有“凹”型槽，永磁体沿径向“凹”型槽插入转子盘中，转子盘内周部分开有均匀分布圆形通孔，与转轴采用螺栓固定。

7.如权利要求6所述的一种盘式横向磁通永磁无刷电机，其特征是，不导磁滑块用于间隔内外两块永磁体，所述永磁体及不导磁滑块的“凸”字型结构与非导磁材料制成的辐形圆盘的“凹”型槽配合，安装过程中，按照内圈永磁体、不导磁滑块以及外圈永磁体的顺序依次插入到圆盘中；永磁体装配完成后，将外圈套环嵌套到位。

8.如权利要求1所述的一种盘式横向磁通永磁无刷电机，其特征是，所述永磁体厚度和转子盘厚度相同，转子盘上沿内外周开有通孔，用于放置永磁体。

9.如权利要求1所述的一种盘式横向磁通永磁无刷电机，其特征是，在转子盘外圈加装套环，用于沿径向固定永磁体，套环材质为不导磁材料铝，转子盘与不导磁套环之间的机械配合方式为过盈配合。

10.如权利要求5所述的一种盘式横向磁通永磁无刷电机，其特征是，所述机壳分为前后两部分，分别安装两个定子盘，定子盘安装方式相同，安装到位后，配合工装灌胶固定。

11.如权利要求1所述的一种盘式横向磁通永磁无刷电机，其特征是，所述转轴与前后两个轴承采用过盈配合，前后两个轴承分别放置在前后两个端盖的轴承室中。

12.如权利要求1所述的一种盘式横向磁通永磁无刷电机，其特征是，所述电枢绕组为集中绕组，缠绕在定子铁心的磁极上，设定沿轴向方向，定子铁心装有软磁复合材料极靴的一侧为前端，另一侧为后端，绕组正向电流产生的磁场若由定子铁心后端指向前端，则该绕组为+绕组，反之，为-绕组；

相邻两个定子铁心相互错开30度机械角度。

13.一种工业机器人，其特征是，其伺服系统采用权利要求1-8任一所述的盘式横向磁通永磁无刷电机。

14.权利要求1-12任一所述的一种盘式横向磁通永磁无刷电机的工作方法，其特征是，包括：

主磁路提及的气隙，根据轴向和径向方位分为前外、后外、后内、前内；

永磁磁依次通经转子盘外周永磁体、前外气隙、定子铁心、前外气隙、转子盘内周永磁体、前外气隙、定子铁心、前外气隙、转子盘外周永磁体形成闭合回路；

沿圆周方向以及径向相邻两个永磁体极性相反，当转子盘旋转时，定子铁心内磁通交变，缠绕在定子铁心上的定子绕组内感生出感应电动势；

当定子绕组通三相交流电时，形成同步速旋转磁场，与永磁体产生的磁场相互作用，产生同步电磁转矩，进而驱动电机旋转。

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