CN112821700B - 一种双余弦气隙磁通切换伺服电机 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种双余弦气隙磁通切换伺服电机，包括转子以及设置在转子外部的定子，定子与转子之间留有气隙，气隙的转子侧边界、定子侧边界均呈余弦曲线状。本发明气隙的转子侧边界、定子侧边界均呈余弦曲线状，能够有效的削弱产生齿槽转矩的气隙磁场谐波，进而降低齿槽转矩，减小转矩波动，同时保证了足够的输出转矩。

Description

一种双余弦气隙磁通切换伺服电机
技术领域
本发明涉及伺服电机技术领域，尤其涉及一种双余弦气隙磁通切换伺服电机。
背景技术
随着电力电子学、微电子学、传感技术、永磁技术和控制理论的快速发展，尤其是先进控制策略的成功应用，交流伺服系统的研究和应用取得了举世瞩目的发展，其动态与静态特性已完全可与直流伺服系统相媲美，交流伺服系统取代直流伺服系统己成重要的发展趋势。其中，交流永磁同步电机又以其结构简单、气隙磁密高、功率密度大、转动惯量小的优点，成为当今伺服驱动系统热点。
然而，传统的伺服电机存在以下问题：1)永磁体置于转子表面的结构加大了气隙长度，增加电机体积，减弱气隙磁密，影响出力；2)永磁体置于转子铁心内部影响转子的机械强度，不利于高速运行，增加了制作工艺难度；3)转子永磁型结构不利于永磁体散热；4)绕组产生的电枢反应磁通进入转子，与永磁体相互耦合，转子永磁体存在一定的去磁危险。因此，开发能够克服上述缺点的新型永磁电机成为伺服系统的关键。
专利号为ZL200710022804.1公开的绕组互补型磁通切换双凸极永磁电机，其结构特点是永磁体设置在定子侧，气隙为光滑圆柱形，能够克服上述转子永磁型电机的缺点。但是，由于该电机采用双凸极结构，导致电机齿槽转矩大、输出转矩波动大，不满足伺服系统对转速、位置的控制精度要求。
发明内容
基于背景技术中存在的技术问题，本发明提出了一种双余弦气隙磁通切换伺服电机。
本发明提出的一种双余弦气隙磁通切换伺服电机，包括转子以及设置在转子外部的定子，定子与转子之间留有气隙，气隙的转子侧边界、定子侧边界均呈余弦曲线状。
优选的，转子沿断面圆周均匀设置多个凸极齿，凸极齿远离转子一端呈弧形结构。
优选的，气隙的转子侧边界的余弦曲线函数为Rr(θ)＝Ra1+Ar*cos(Pr*θ)，其中：Ra1表示气隙转子侧边界的余弦曲线的起始半径，Ar表示气隙转子侧边界的余弦曲线的振幅；Pr表示凸极齿的数量。
优选的，定子包括永磁体、定子铁芯和定子绕组，永磁体、定子铁芯在圆周方向交替排列安装，定子铁芯朝向转子一侧设有两个定子齿，两个定子齿端部均呈弧形结构，定子绕组的线圈嵌装在两个定子齿内并缠绕在永磁体、定子齿上。
优选的，气隙的定子侧边界的余弦曲线函数为Rs(θ)＝Ra2+As*cos(2*Ps*θ)，其中：Ra2表示气隙定子侧边界的余弦曲线的起始半径，As表示气隙定子侧边界的余弦曲线的振幅；Ps表示定子的定子极数。
优选的，相邻的两块永磁体极性相反。
优选的，气隙转子侧边界的余弦曲线的振幅Ar为气隙转子侧边界的余弦曲线的起始半径Ra1的4.5％-5.5％。
优选的，气隙定子侧边界的余弦曲线的振幅As为气隙转子侧边界的余弦曲线幅值Ar的9％-11％。
本发明提出的一种双余弦气隙磁通切换伺服电机，气隙的转子侧边界、定子侧边界均呈余弦曲线状，相比于传统的光滑圆柱形气隙磁通切换电机，能够有效的削弱产生齿槽转矩的气隙磁场谐波，进而降低齿槽转矩，减小转矩波动，同时保证了足够的输出转矩；永磁体设置在定子侧，有利于改善电机的冷却条件，减小端部长度，降低绕组电机和铜耗，功率密度大，效率较高。
综上所述，本发明的一种双余弦气隙磁通切换伺服电机，绕组电阻小、效率高、功率密度高、冷却散热能力良好，同时，齿槽转矩小，转矩波动低，非常适合于伺服驱动系统。
附图说明
图1为本发明提出的一种双余弦气隙磁通切换伺服电机的结构示意图；
图2为本发明提出的一种双余弦气隙磁通切换伺服电机中转子的结构示意图；
图3为本发明提出的一种双余弦气隙磁通切换伺服电机中定子的局部结构示意图；
图4为本发明提出的一种双余弦气隙磁通切换伺服电机中定子铁芯的成型原理图；
图5为本发明提出的一种双余弦气隙磁通切换伺服电机的相反电动势波形图；
图6为本发明提出的一种双余弦气隙磁通切换伺服电机与光滑圆柱气隙磁通切换电机的齿槽转矩波形对比图；
图7为本发明提出的一种双余弦气隙磁通切换伺服电机与光滑圆柱气隙磁通切换电机的输出转矩波形对比图。
具体实施方式
参照图1-图4，本发明提出一种双余弦气隙磁通切换伺服电机，包括转子1以及设置在转子1外部的定子，定子与转子1之间留有气隙2，其中：
转子1沿断面圆周均匀设置多个凸极齿101，凸极齿101远离转子1一端呈弧形结构。气隙的转子侧边界呈余弦曲线状，气隙的转子侧边界的余弦曲线函数为Rr(θ)＝Ra1+Ar*cos(Pr*θ)，其中：Ra1表示气隙转子侧边界的余弦曲线的起始半径，Ar表示气隙转子侧边界的余弦曲线的振幅；Pr表示凸极齿101的数量。
定子包括永磁体301、定子铁芯302和定子绕组303，永磁体301、定子铁芯302在圆周方向交替排列安装且相邻的两块永磁体301极性相反，定子铁芯302朝向转子1一侧设有两个定子齿，两个定子齿端部均呈弧形结构，定子绕组303的线圈嵌装在两个定子齿内并缠绕在永磁体301、定子齿上。
气隙的定子侧边界呈余弦曲线状，气隙的定子侧边界的余弦曲线函数为Rs(θ)＝Ra2+As*cos(2*Ps*θ)，其中：Ra2表示气隙定子侧边界的余弦曲线的起始半径，As表示气隙定子侧边界的余弦曲线的振幅；Ps表示定子的定子极数。
本发明气隙的转子侧边界、定子侧边界均呈余弦曲线状，相比于传统的光滑圆柱形气隙磁通切换电机，能够有效的削弱产生齿槽转矩的气隙磁场谐波，进而降低齿槽转矩，减小转矩波动，同时保证了足够的输出转矩。
具体地，转子1采用硅钢片叠压而成，其截面形状如图1、图2所示，转子1沿圆周均匀开槽，形成弧形凸极齿101，如图4所示。具体地，转子1可以先进行余弦曲线形切割，再进行开槽；也可以先进行开槽，再进行余弦曲线形切割。
具体地，定子铁芯302由硅钢片叠压而成，整体形状呈U形，其截面形状如图1、图3和图4所示。定子铁芯302的两个定子齿端部均呈弧形，制作时，可以先对定子铁芯302齿进行余弦曲线形切割，在开槽，如图4所示，
在具体实施例中，永磁体301可以为钕铁硼、铁氧体等材料制成。
在具体实施例中，定子绕组303在由永磁体301和定子铁芯302的齿共同组成的定子齿上，为集中绕组结构。定子绕组303也可以为分布绕组结构。
在具体实施例中，气隙转子侧边界的余弦曲线的振幅Ar为气隙转子侧边界的余弦曲线的起始半径Ra1的4.5％-5.5％。气隙定子侧边界的余弦曲线的振幅As为气隙转子侧边界的余弦曲线幅值Ar的9％-11％。
本发明通过对定子齿和转子凸极齿101进行余弦形切割，能够削弱产生齿槽转矩的气隙磁场谐波，降低反电动势谐波，从而产生非常正弦的反电动势(如图5所示)，削弱齿槽转矩，降低转矩波动。如图6所示，本发明的一种双余弦气隙磁通切换伺服电机齿槽转矩峰峰值仅有0.1Nm，原光滑圆柱气隙磁通切换电机齿槽转矩峰峰值为3Nm，降低了96.7％。如图7所示，本发明的一种双余弦气隙磁通切换伺服电机转矩波动仅为1.46％，原光滑圆柱气隙磁通切换电机转矩波动为21.72％，降低了93.3％。转矩波动的计算方法如下所示：
根据以上数据，本发明的一种双余弦气隙磁通切换伺服电机相比于传统磁通切换永磁电机在反电动势波形正弦度、齿槽转矩抑制和转矩波动减小等方面具有较大提升，能满足速度伺服和位置伺服驱动系统对驱动电机的要求，是一种冷却条件良好、齿槽转矩小、转矩波动低、转矩密度高、控制精度高的伺服电机。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种双余弦气隙磁通切换伺服电机，其特征在于，包括转子(1)以及设置在转子(1)外部的定子，定子与转子(1)之间留有气隙(2)，气隙的转子侧边界、定子侧边界均呈余弦曲线状；
转子(1)沿断面圆周均匀设置多个凸极齿(101)，凸极齿(101)远离转子(1)一端呈弧形结构；
气隙的转子侧边界的余弦曲线函数为Rr(θ)＝Ra1+Ar*cos(Pr*θ)，其中：Ra1表示气隙转子侧边界的余弦曲线的起始半径，Ar表示气隙转子侧边界的余弦曲线的振幅；Pr表示凸极齿(101)的数量；
定子包括永磁体(301)、定子铁芯(302)和定子绕组(303)，永磁体(301)、定子铁芯(302)在圆周方向交替排列安装，定子铁芯(302)朝向转子(1)一侧设有两个定子齿，两个定子齿端部均呈弧形结构，定子绕组(303)的线圈嵌装在两个定子齿内并缠绕在永磁体(301)、定子齿上；
气隙的定子侧边界的余弦曲线函数为Rs(θ)＝Ra2+As*cos(2*Ps*θ)，其中：Ra2表示气隙定子侧边界的余弦曲线的起始半径，As表示气隙定子侧边界的余弦曲线的振幅；Ps表示定子的定子极数。
2.根据权利要求1所述的双余弦气隙磁通切换伺服电机，其特征在于，相邻的两块永磁体(301)极性相反。
3.根据权利要求1所述的双余弦气隙磁通切换伺服电机，其特征在于，气隙转子侧边界的余弦曲线的振幅Ar为气隙转子侧边界的余弦曲线的起始半径Ra1的4.5％-5.5％。
4.根据权利要求3所述的双余弦气隙磁通切换伺服电机，其特征在于，气隙定子侧边界的余弦曲线的振幅As为气隙转子侧边界的余弦曲线幅值Ar的9％-11％。
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