CN113270970B - 一种无接触式一体化游标伺服电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种无接触式一体化游标伺服电机，游标伺服电机包括磁减速器和游标电机，所述磁减速器包括低速转子、高速转子和调磁极，高速转子上设有高速永磁体，低速转子上设有低速永磁体；所述游标电机包括定子、游标电机转子、永磁体、电枢绕组及隔磁块。本发明游标伺服电机的电机转子采用轮辐式永磁体结构，提高了聚磁效果，后为了减少永磁体的体积，采用了N/S交替极排布，在交替极处使用隔磁装置，防止其自漏磁，提升功率因数；电机转子齿采用不等气隙结构，以降低转矩波动，在转子齿顶部加入辅助永磁体，以此来提升电机的功率因数，采用表贴式、交替极结构以此来削减转矩波动。

Description

一种无接触式一体化游标伺服电机
技术领域
本发明涉及一种电机，具体是一种无接触式一体化游标伺服电机。
背景技术
随着永磁电机的发展日趋成熟，在无新材料和新工艺的情况下，转矩密度难以进一步提升。而磁场调制原理的完善，打破了传统的永磁电机设计思路，可在定转子磁极对数不等的情况下，利用调磁极在空间上进行调制，以此可实现“自减速”效应，提高电机的转矩密度。
而游标电机作为磁场调制电机其中的一种，由于其结构简单、转矩密度大等特点被广泛关注。但是该型电机由于其永磁体自漏磁较严重，致使其功率因数较低，进而会选择较大容量的控制器。最终，导致资源的浪费，整体驱动系统成本提升。并且，游标电机作为一种低速直驱型电机，其转矩密度并达不到高速电机外接机械减速器这种形式，造成游标电机无法适应更高的市场需求，因此提升转矩密度、减少驱动系统成本是亟待解决的核心问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无接触式一体化游标伺服电机，采用轮辐式永磁体结构，提高了聚磁效果，后为了减少永磁体的体积，采用了N/S交替极排布，在交替极处使用隔磁装置，防止其自漏磁，提升功率因数；电机转子齿采用不等气隙结构，以降低转矩波动，在转子齿顶部加入辅助永磁体，以此来提升电机的功率因数，采用表贴式、交替极结构以此来削减转矩波动；电机输出端口为磁减速器低速转子端口，低速转子直径小于定子直径，可以作为无框转子，直接驱动负载，极大的减少了机械摩擦损耗。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种无接触式一体化游标伺服电机，游标伺服电机包括磁减速器和游标电机，所述磁减速器包括低速转子、高速转子和调磁极，高速转子上设有高速永磁体，低速转子上设有低速永磁体。
所述游标电机包括定子、游标电机转子、永磁体、电枢绕组和隔磁块。
所述游标伺服电机将游标电机转子与磁减速器内的高速转子结合，将定子和调磁极组合，低速转子直径小于定子直径。
进一步地，所述低速转子作为无框转子直接与负载连接。
进一步地，所述永磁体包括主永磁体与辅助永磁体，主永磁体采用轮辐式N/S交替极结构，且在转子齿端，加入交替极结构的辅助永磁体，主永磁体和辅助永磁体均采用表贴式结构，并且在转子齿，采用不等气隙边界，在交替极处，进行开孔，采用隔磁块进行填充。
进一步地，所述游标电机的主永磁体采用嵌入式结构，在主永磁体的底端放入隔磁块，辅助永磁体采用表贴式结构，根据磁路对其所占比例进行调整。
进一步地，所述游标电机的定子齿采用分裂齿结构，且分裂齿在轴向上突出，作为磁减速器的调磁极，电枢绕组采用环形绕组形式，定子采用模块化设计，定子分为6个单元模块。
进一步地，在端部一体化的磁减速器，采用轴向磁齿轮结构，在游标电机转子顶部放置磁减速器轴向充磁的高速永磁体。
本发明的有益效果：
1、本发明游标伺服电机的电机转子采用轮辐式永磁体结构，提高聚磁效果，减少永磁体的体积，采用了N/S交替极排布，在交替极处使用隔磁装置，防止其自漏磁，提升功率因数。
2、本发明游标伺服电机的电机转子齿采用不等气隙结构，以降低转矩波动，在转子齿顶部加入辅助永磁体，提升电机的功率因数，采用表贴式、交替极结构来削减转矩波动。
3、本发明游标伺服电机与无接触磁减速器组合，省去了传动轴，降低了机械损耗，在轴向上能够进行二次“自减速”，在无机械减速器的情况下，达到低速大扭矩输出，增加转矩密度。
4、本发明游标伺服电机采用环形绕组、分裂齿等结构，使定子易于模块化设计，便于运输，并且能够减少端部漏磁，提高电机效率。
5、本发明游标伺服电机输出端口为磁减速器低速转子端口，低速转子直径小于定子直径，作为无框转子直接驱动负载，减少了机械摩擦损耗。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明游标伺服电机结构示意图；
图2是本发明游标伺服电机爆炸图；
图3是本发明游标伺服电机结构示意图；
图4是本发明无接触磁齿轮结构示意图；
图5是本发明游标电机的磁力线分布(b)与现有轮辐式游标电机磁力线分布(a)对比示意图；
图6是本发明游标伺服电机结构示意图；
图7是本发明分裂齿及模块化结构示意图；
图8是本发明游标伺服电机结构示意图；
图9为本发明游标伺服电机部分结构示意图；
图10为本发明轴向磁齿轮的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种无接触式一体化游标伺服电机，游标伺服电机包括磁减速器1和游标电机2，如图1所示，磁减速器1包括低速转子1-1、高速转子1-3和调磁极1-2，高速转子1-3上设有高速永磁体1-4，低速转子1-1上设有低速永磁体1-5。
如图1至图4所示，游标电机2包括定子3、游标电机转子4、永磁体5、电枢绕组6及隔磁块7；永磁体5包括主永磁体5-1与辅助永磁体5-2；
磁减速器高速转子1-3与游标电机转子4同轴，使磁减速器1的高速转子1-3与游标电机转子4共速共转矩，定子3与调磁极1-2均延轴向进行叠压组合，低速转子1-1的直径小于定子3直径，低速转子1-1可以作为无框转子，直接与负载连接。
由于定转子极对数不等，无法生成恒定转矩，根据磁场调制原理，可通过加入调磁极对其极对数进行调制，以此达到自减速的效果。
若调磁极数为Pf，电枢极对数为Ps，转子永磁体极对数为Pr，则满足式：
Ps＝|Pf±Pr|
Pf、Ps和Pr三者的关系与三极管的三个电流关系类似，可以起到一个“转矩放大器”的作用，转矩增益表示为转子极对数与电枢极对数之比Pr/Ps；而轴向的一体化磁减速器能够再次起到“转矩放大器”的作用，从而使该结构能够进行二次自减速，直接达到机械减速器所能输出的减速比。
因此、无接触一体化游标伺服电机转矩增益比例S，
Figure BDA0003081874920000051
式中，Psi和Pso分别为磁齿轮高速转子极对数和低速转子极对数。
本实施例中的游标电机2采用主永磁体5-1与辅助永磁体5-2结合的形式，来提升电机的聚磁能力，提高游标电机的功率因数和转矩密度，且进一步降低齿槽转矩与转矩脉动。
主永磁体5-1采用轮辐式交替极结构来减少永磁体用量，使磁路更加通畅，如图5所示，本实施例提出在交替极处进行开孔，主永磁体5-1表贴于孔壁处，且交替极处直接采用隔磁块7进行填充，来降低永磁体5的自漏磁；辅助永磁体5-2放置在转子齿4-1的端部，采用径向充磁形式，对主永磁体5-1的漏磁进行梳理，提升电机功率因数；交替极放置隔磁块7结构会加剧齿槽转矩与转矩波动，为了降低波动的影响，转子齿4-1采用不等气隙结构，对齿槽转矩与转矩波动进行削弱。
实施例2
如图6所示，游标电机2在永磁体5放置方式上进行改变，主永磁体5-1进行嵌入式处理，在底端加入隔磁块7对永磁体5底部的磁路进行封闭，同样也防止其自漏磁，增加装置的凸极性，提升部分磁阻转矩；由于主永磁体5-1嵌入到游标电机转子4内部，其主磁路发生变化，辅助永磁体5-2将调整所占转子齿4-1齿端的比例，假设主永磁体的宽度为x，那么辅助永磁体占转子齿的比例为：
Figure BDA0003081874920000052
实施例3
如图7、图8所示，游标电机定子齿3-1采用分裂齿结构，分裂齿部在轴向上进行叠压，充当磁减速器的调磁极1-2，因叠片是轴向进行叠压，所以在缩小体积，减少材料应用的前提下，其磁路是相互独立互不干扰的；电枢绕组采用环形绕组，能够更好地降低其端部效应，减少电磁损耗，而定子3采用模块化设计，将定子3分为6个子单元，方便运输的同时，能够减少端部漏磁，提高电机效率。
实施例4
如图9、图10所示，与结合径向磁减速器1原理相同，在游标电机2轴向端部连接轴向磁减速器1结构，该型结构在轴向长度上缩短，径向半径增大；游标电机转子4的顶部放置轴向磁减速器1的轴向充磁高速永磁体1-4，游标电机转子4与磁减速器1的高速转子1-3共速共转矩，节省空间，且磁场互不干扰；而在高速转子1-3的轴向上，分别放置调磁极1-2、低速转子1-1和低速永磁体1-5，同样低速转子1-1与输出轴进行刚性连接，作为低速直驱装置，在减少装置体积的同时，利用转矩增益，获得成倍增加的转矩，以此提升转矩密度。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”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发明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、材料或者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。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (4)

1.一种无接触式一体化游标伺服电机，游标伺服电机包括磁减速器(1)和游标电机(2)，其特征在于，所述磁减速器(1)包括低速转子(1-1)、高速转子(1-3)和调磁极(1-2)，高速转子(1-3)上设有高速永磁体(1-4)，低速转子(1-1)上设有低速永磁体(1-5)；
所述游标电机(2)包括定子(3)、游标电机转子(4)、永磁体(5)、电枢绕组(6)和隔磁块(7)；
所述游标伺服电机将游标电机转子(4)与磁减速器(1)内的高速转子(1-3)结合，将定子(3)和调磁极(1-2)组合，低速转子(1-1)直径小于定子(3)直径；
所述低速转子(1-1)作为无框转子直接与负载连接；
所述永磁体(5)包括主永磁体(5-1)与辅助永磁体(5-2)，主永磁体(5-1)采用轮辐式N/S交替极结构，且在转子齿端，加入交替极结构的辅助永磁体(5-2)，主永磁体(5-1)和辅助永磁体(5-2)均采用表贴式结构，并且在转子齿(4-1)，采用不等气隙边界，在交替极处，进行开孔，采用隔磁块(7)进行填充。
2.根据权利要求1所述的一种无接触式一体化游标伺服电机，其特征在于，所述游标电机(2)的主永磁体(5-1)采用嵌入式结构，在主永磁体(5-1)的底端放入隔磁块(7)，辅助永磁体(5-2)采用表贴式结构，根据磁路对其所占比例进行调整。
3.根据权利要求1所述的一种无接触式一体化游标伺服电机，其特征在于，所述游标电机(2)的定子齿(3-1)采用分裂齿结构，且分裂齿在轴向上突出，作为磁减速器(1)的调磁极(1-2)，电枢绕组(6)采用环形绕组形式，定子(3)采用模块化设计，定子(3)分为6个单元模块。
4.根据权利要求1所述的一种无接触式一体化游标伺服电机，其特征在于，在端部一体化的磁减速器(1)，采用轴向磁齿轮结构，在游标电机转子(4)的顶部放置磁减速器(1)的高速永磁体(1-4)。
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