CN112865356A - 一种双余弦气隙定子电励磁伺服电机 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种双余弦气隙定子电励磁伺服电机，包括转子以及设置在转子外侧的电励磁定子，转子与电励磁定子之间留有气隙，气隙的转子侧边界、定子侧边界均呈余弦曲线形状。本发明气隙的转子侧边界、定子侧边界均呈余弦曲线形状，相比传统的光滑圆柱形气隙电机，能够有效的削弱产生转矩脉动的气隙磁场谐波分量，进而降低转矩波动，同时保证了足够的输出转矩。

Description

一种双余弦气隙定子电励磁伺服电机
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定子电励磁伺服电机。
背景技术
随着稀土永磁材料的发展，具有高转矩密度、高效率的永磁同步电机在工业领域得到了广泛的应用。然而，永磁材料成本高，高速运行下散热困难造成不可逆退磁等缺点也限制了永磁电机的应用，尤其是高速驱动伺服电机领域。其次，转子电励磁电机和永磁电机相似，具有较高的转矩密度和效率，但是转子励磁绕组需要与滑环连接，维护成本高且容易损坏，同样不适用于高速驱动伺服电机领域。
因此，研究学者将转子侧的励磁绕组放置在定子侧，即定子电励磁电机，实现了交流无刷运行。定子电励磁电机方案没有永磁材料和励磁绕组滑环，降低了电机成本和维护成本，不易损坏；其次，定子电励磁电机转子为实心凸极转子，对散热要求较低，可适用于环境条件更恶劣的场合。虽然定子电励磁电机解决了永磁电机和转子励磁电机的缺点，但是定子电励磁电机为双凸极结构，存在转矩脉动大的缺点，造成转速、位置的控制精度不高，难以满足伺服系统对伺服电机的要求。
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定子电励磁伺服电机。
本发明提出的一种双余弦气隙定子电励磁伺服电机，包括转子以及设置在转子外侧的电励磁定子，转子与电励磁定子之间留有气隙，气隙的转子侧边界、定子侧边界均呈余弦曲线形状。
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，定子包括定子铁芯、交流绕组和直流励磁绕组，定子铁芯内圆周设置有多个定子齿，定子齿靠近转子一端呈弧形结构，相邻两个定子齿之间形成一个定子槽，交流绕组嵌装在定子槽内并横跨其邻近的定子槽后绕制在定子齿上，相邻两个定子槽内不同时嵌装交流绕组且任意相邻两个交流绕组之间的定子槽内嵌装直流励磁绕组，直流励磁绕组横跨其邻近的定子槽后绕制在定子齿上。
优选的，气隙的定子侧边界的余弦曲线函数为Rs(θ)＝Ra2+As*cos(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表示定子齿的数量。
优选的，气隙的转子侧边界的余弦曲线振幅Ar是气隙转子侧边界的余弦曲线的起始半径Ra1的2.5％-3.5％。
优选的，气隙的定子侧边界的余弦曲线振幅As是气隙的转子侧边界的余弦曲线振幅Ar的13％-17％。
优选的，交流绕组、直流励磁绕组采用集中式绕组或分布式绕组。
本发明提出的一种双余弦气隙定子电励磁伺服电机，气隙的转子侧边界、定子侧边界均呈余弦曲线形状，相比传统的光滑圆柱形气隙电机，能够有效的削弱产生转矩脉动的气隙磁场谐波分量，进而降低转矩波动，同时保证了足够的输出转矩；交流绕组和直流励磁绕组均设置在定子侧，克服了永磁电机永磁体散热及热退磁问题，解决了转子电励磁滑环结构不易维护，易损坏的问题，具有良好的散热能力，功率密度大，效率高。
综上所述，本发明的一种双余弦气隙定子电励磁伺服电机，具有结构简单、易维护、寿命长、功率密度高、散热能力强、转矩脉动低等优点，非常适合于速度伺服和位置伺服驱动系统。
附图说明
图1为本发明提出的一种双余弦气隙定子电励磁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定子电励磁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定子电励磁伺服电机中定子铁芯的结构示意图；
图4为本发明提出的一种双余弦气隙定子电励磁伺服电机中气隙的结构示意图；
图5为本发明提出的一种双余弦气隙定子电励磁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定子电励磁伺服电机与光滑圆柱气隙定子电励磁电机的气隙谐波对比图；
图7为本发明提出的一种双余弦气隙定子电励磁伺服电机与光滑圆柱气隙定子电励磁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定子电励磁伺服电机，包括转子1以及设置在转子外侧的电励磁定子，转子1与电励磁定子之间留有气隙3，其中：
转子1沿断面圆周均匀设置多个凸极齿101，凸极齿101远离转子一端呈弧形结构。气隙3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表示凸极齿的数量。
定子包括定子铁芯201、交流绕组202和直流励磁绕组203，定子铁芯201内圆周设置有多个定子齿204，定子齿204靠近转子1一端呈弧形结构，相邻两个定子齿204之间形成一个定子槽，交流绕组202嵌装在定子槽内并横跨其邻近的定子槽后绕制在定子齿204上，相邻两个定子槽内不同时嵌装交流绕组202且任意相邻两个交流绕组202之间的定子槽内嵌装直流励磁绕组203，直流励磁绕组203横跨其邻近的定子槽后绕制在定子齿204上，交流绕组202、直流励磁绕组203采用集中式绕组或分布式绕组。
气隙3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(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表示定子齿的数量。
本发明气隙的转子侧边界、定子侧边界均呈余弦曲线形状，相比传统的光滑圆柱形气隙电机，能够有效的削弱产生转矩脉动的气隙磁场谐波分量，进而降低转矩波动，同时保证了足够的输出转矩。
具体地，气隙的转子侧边界的余弦曲线振幅Ar是气隙转子侧边界的余弦曲线的起始半径Ra1的2.5％-3.5％。气隙的定子侧边界的余弦曲线振幅As是气隙的转子侧边界的余弦曲线振幅Ar的13％-17％。
具体实施例中，定子铁芯201由硅钢片叠压而成，其截面形状如图3所示，定子齿204端部呈弧形结构，制作时，可以先对定子铁芯进行余弦曲线形切割再进行开槽，也可以先进行开槽，在进行余弦曲线形切割。
具体实施例中，转子1同样采用硅钢片叠压而成，其截面形状如图2所示，转子1外圆周均匀分布凸极齿101，凸极齿101端部呈弧形。制作时，先对转子外周进行余弦曲线切割在进行开槽；也可以先进行开槽，再进行余弦曲线形切割。转子1可以根据定子槽数设置不同数量的凸极齿101，以三相24槽定子为例，转子余弦齿数可以为10、11、13、14等。
本发明通过对定子齿和转子凸极齿进行余弦形切割，能够削弱产生转矩脉动的气隙磁场谐波(如5所示)，降低反电动势谐波，从而产生非常正弦的反电动势(如图6所示)，降低转矩脉动，从而提高速度和位置控制精度。如图7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波动仅为1.3％，原光滑圆柱气隙磁通切换电机转矩波动为8.5％，降低了84.7％。转矩波动的计算方法如下所示。
Figure BDA0002924149470000051
根据以上数据，本发明的一种双余弦气隙定子电励磁伺服电机相比于传统电励磁电机在反电动势波形正弦度、转矩脉动抑制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，是一种结构简单、易维护、寿命长、冷却条件良好、转矩脉动低、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 (8)

1.一种双余弦气隙定子电励磁伺服电机，其特征在于，包括转子(1)以及设置在转子(1)外侧的电励磁定子，转子(1)与电励磁定子之间留有气隙(3)，气隙(3)的转子(1)侧边界、定子侧边界均呈余弦曲线形状。
2.根据权利要求1所述的双余弦气隙定子电励磁伺服电机，其特征在于，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。
3.根据权利要求2所述的双余弦气隙定子电励磁伺服电机，其特征在于，气隙(3)的转子(1)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(3)转子(1)侧边界的余弦曲线的起始半径，Ar表示气隙(3)转子(1)侧边界的余弦曲线的振幅，Pr表示凸极齿(101)的数量。
4.根据权利要求2或3所述的双余弦气隙定子电励磁伺服电机，其特征在于，定子包括定子铁芯(201)、交流绕组(202)和直流励磁绕组(203)，定子铁芯(201)内圆周设置有多个定子齿(204)，定子齿(204)靠近转子(1)一端呈弧形结构，相邻两个定子齿(204)之间形成一个定子槽，交流绕组(202)嵌装在定子槽内并横跨其邻近的定子槽后绕制在定子齿(204)上，相邻两个定子槽内不同时嵌装交流绕组(202)且任意相邻两个交流绕组(202)之间的定子槽内嵌装直流励磁绕组(203)，直流励磁绕组(203)横跨其邻近的定子槽后绕制在定子齿(204)上。
5.根据权利要求4所述的双余弦气隙定子电励磁伺服电机，其特征在于，气隙(3)的定子侧边界的余弦曲线函数为Rs(θ)＝Ra2+As*cos(Ps*θ)，其中：Ra2表示气隙(3)定子侧边界的余弦曲线的起始半径，As表示气隙(3)定子侧边界的余弦曲线的振幅，Ps表示定子齿(204)的数量。
6.根据权利要求4所述的双余弦气隙定子电励磁伺服电机，其特征在于，气隙(3)的转子(1)侧边界的余弦曲线振幅Ar是气隙(3)转子(1)侧边界的余弦曲线的起始半径Ra1的2.5％-3.5％。
7.根据权利要求6所述的双余弦气隙定子电励磁伺服电机，其特征在于，气隙(3)的定子侧边界的余弦曲线振幅As是气隙(3)的转子(1)侧边界的余弦曲线振幅Ar的13％-17％。
8.根据权利要求4-7中任一项所述的双余弦气隙定子电励磁伺服电机，其特征在于，交流绕组(202)、直流励磁绕组(203)采用集中式绕组或分布式绕组。
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