CN201975958U - 数控转台双转子不等极永磁力矩电机 - Google Patents

Abstract

数控转台双转子不等极永磁力矩电机，包括内电机和外电机，其中内电机包括内电机定子、内电机转子；外电机包括外电机定子、外电机转子；电机横截面中心向外依次安装内电机转子轭部、内电机定子轭部、电机冷却结构、外电机定子轭部、外电机转子磁钢和外电机转子轭部，在内电机转子轭部和内电机定子轭部中有内部气隙；内电机定子轭部上有内电机定子齿和内电机定子槽；外电机定子轭部上有外电机定子齿、外电机定子槽；外电机定子轭部与外电机转子磁钢有外部气隙。本实用新型充分利用外转子电机内部空间，在其内部增加一个内转子电机，并且采用内外电机不等极数结构，内外转子刚性联接，同速旋转，具有良好的制造工艺性和高的转矩密度及伺服精度。

Description

数控转台双转子不等极永磁力矩电机

技术领域

本实用新型涉及多轴联动直接驱动高档数控机床制造领域，具体指用于数控机床转台的双转子不等极数永磁力矩电机。

背景技术

直接驱动方式打破了传统的驱动方式，取消了从电机到工作台之间所有的传动环节，将机床进给传动链的长度尽可能的缩短为零，直接驱动方式与传统驱动方式相比具有损耗低、转矩大、响应速度快等优点，其突破了很多结构性的技术极限，直接驱动已经成为先进制造领域内一项很重要技术。

由于直接驱动技术的特殊性也给电气传动增加了很大的技术难度，因为取消了机械传动设备，所以这就要求转台电机自身能够产生较大的转矩。由于数控机床转台受到空间限制，并且产生的转矩必须满足强度和动态响应的要求，所以设计出的力矩电机要有良好的加工工艺性以及高的转矩密度，同时还要求电机自身有尽量低的转矩波动。

双转子永磁电机是一种新型结构电机，采用永磁体而获得高转矩密度和高效率，其结构可看作一台外转子永磁同步电机与一台内转子永磁同步电机套在一起的新型电机。具有结构小巧、简单、噪音小、寿命长、效率高等优点，可以大大减小体积，提高系统的效率和动态性能，因此在机械加工、电动车、飞机引擎的涡轮发动机以及发电等领域得到广泛应用。按照磁通方向可以将电机分为轴向磁场永磁电机和径向磁场永磁电机，这两种结构双转子电机的转矩密度，损耗和效率基本近似，但是双转子轴向磁场永磁电机的材料消耗高，需要更多的永磁体，且这种结构不适用于直接驱动数控转台。

传统的双转子电机采用内外电机槽极数都相等的结构，但内电机由于受到空间限制，使得内电机齿特别薄且对生产工艺要求特别高，降低电机适用寿命，给电机生产制造带来困难。采用内外电机不等极数结构，打破了传统的双转子电机结构，提高电机的工艺性。由于内外电机极数不等，且内外转子刚性联接，同速旋转，所以为了保证电机具有较高的伺服精度，必须降低电机的合成齿槽转矩波动。

发明内容

本实用新型是针对多轴联动直接驱动高档数控机床转台电机要求，为保证电机具有高转矩密度和良好的加工工艺性，采用双转子不等极数永磁力矩电机这种特殊结构。由于内外电机极数不等且内外转子刚性联接，同速旋转，所以为了保证电机具有较高的伺服精度，采用在内电机齿顶均匀开有辅助槽口的方法，使内外电机齿槽转矩波动曲线具有相同的频率，通过选择合适的内外电机槽口尺寸或改变内外电机槽口相对位置这两种方法都可以使内外定子转矩脉动形成反向的相位差，达到内外电机齿槽转矩曲线反向叠加的效果，从而降低电机合成转矩脉动。

本实用新型的技术方案为：

数控转台双转子不等极永磁力矩电机，其特征在于：所述电机包括內电机和外电机，其中内电机包括内电机定子、內电机转子；外电机包括外电机定子、外电机转子；电机的横截面中心向外依次安装有内电机转子轭部、内电机定子轭部、电机冷却结构、外电机定子轭部、外电机转子磁钢和外电机转子轭部，其中在内电机转子轭部和内电机定子轭部之间有内部气隙；内电机定子轭部上安装有内电机定子齿和内电机定子槽；外电机定子轭部上安装有外电机定子齿、外电机定子槽；外电机定子轭部与外电机转子磁钢之间有外部气隙。

所述电机的内电机转子和外电机转子之间刚性连接，同速旋转。

所述内电机定子齿顶均匀开有辅助槽。

所述每个辅助槽的深度和宽度均相同。

所述内电机和外电机的极数、槽数均不相等。

所述电机采用外电机为40极48槽，内电机为20极24槽的分数槽绕组形式。

所述电机的绕组采用每相线圈放置在相邻的两个槽中这种单齿成型的集中绕组结构。

所述电机冷却结构采用水冷装置。

本实用新型的有益效果为：

(1) 采用永磁体代替电励磁，使得电流减小，因此减小了电机的铜耗，并且转子铁心中的磁通方向不会发生改变，磁滞损耗几乎是零。

(2) 因为电机的转矩密度正比于电机的气隙面积，而双转子电机这种特殊结构具有内外两个转子，形成内外双气隙结构，相当于增加了电机的有效气隙面积，电机有效气隙面积增大则电机的转矩密度增大。

(3) 采用集中分数槽绕组结构，可以使绕组端部大大地缩短，生产工艺简单，降低成本，降低铜耗，在不斜槽的情况下，减少了齿槽效应，改善了电机的电势波形，大大减小了电机静态和低速时的转矩波动。

(4) 因为双转子电机的结构采用的内外两个转子这种特殊结构，理论上可以使得其内外径向磁拉力可以相互抵消，另一方面，由于内外转子作用在定子上的电磁转矩方向是相反的，定子受到的合成转矩就会较小，有利于定子的固定，提高双转子电机的机械稳定性。

(5) 采用的是内外两个电机不等极数的结构，即外电机采用40极48槽，而内电机采用20极24槽，在同样的空间情况下，减小内电机齿槽数，相当于增宽齿的厚度，提高电机加工工艺性，延长了电机使用寿命。

(6) 在内电机每个齿顶均匀开有辅助槽口，使得内外电机齿槽转矩波动频率相同，通过选择合适的内外电机槽口尺寸或改变内外电机槽口相对位置这两种方法可以使内外定子转矩脉动曲线形成反向的相位差，形成反向相互叠加的效果，有效降低电机合成齿槽转矩，提高电机伺服精度。

(7) 双转子电机采用水冷结构，水冷装置置于内外电机定子之间，这样可以有效地增加电机散热能力。

附图说明：

图1是本实用新型数控转台双转子不等极数永磁力矩电机在转台上的安装示意图；

图2是本实用新型数控转台双转子不等极数永磁力矩电机横截面示意图；

图3是本发明数控转台双转子不等极数永磁力矩电机内定子齿顶开辅助槽口示意图；

图4是本发明数控转台双转子不等极数永磁力矩电机内外电机不等槽口结构示意图；

图5是本发明数控转台双转子不等极数永磁力矩电机改变内外电机槽口相对位置结构示意图；

附图标记说明：

1.转台工作面、2.內电机转子、3.內电机定子、4.电机冷却及定子安装结构、5.外电机定子、6.外电机转子、7.电机轴承、8.底座、9.冷却通道、10.内电机定子轭部、11. 内电机定子齿、12.内电机定子槽、13.内电机转子轭部、14.辅助槽、15.外部气隙、16.内部气隙、17.电机冷却结构、18.外电机转子磁钢、19.外电机转子轭部、20.外电机定子槽、21.外电机定子齿、22.外电机定子轭部。

具体实施方式：

下面结合附图对本实用新型进行详细说明。

图1是本实用新型数控转台双转子不等极数永磁力矩电机在转台上的安装示意图，如图所示，底座8与转台工作面1通过电机轴承7连接，底座8与电机冷却及定子安装结构4连接，底座8上开有冷却通道9，冷却通道9与电机冷却及定子安装结构4中的冷却结构相通；电机冷却及定子安装结构4上安装电机。电机包括內电机和外电机，其中内电机包括内电机定子3、內电机转子2；外电机包括外电机定子5、外电机转子6。内电机转子2的铁心和外电机转子6的铁心通过端盘刚性连在一起并同步旋转。

本实用新型的数控机床转台双转子不等极数永磁力矩电机，打破传统的双转子电机内外极槽数相等结构，选用的内电机和外电机的极数、槽数均不相等，即采用的外电机为40极48槽，内电机为20极24槽的分数槽绕组形式。由于外电机中间结构空间狭小，如果内电机采用与外电机相同的40极48槽，那么内电机齿的宽度会非常小，在制造生产工艺上非常困难，而且由于内电机定子齿非常薄，在长时间工作运作过程中很容易受损，会减少电机的使用寿命，所以选择内电机极槽数要比外电机极槽数少的特殊结构。

该电机的绕组采用每相线圈放置在相邻的两个槽中这种单齿成型的集中绕组结构，并采用外电机为40极48槽，而内电机为20极24槽的分数槽绕组形式，并在每个内电机的齿顶上均匀开有一个与槽口深度和宽度相同的辅助槽。由于一个线圈只套一个齿，这样电机端部绕组大大地缩短，生产简单，降低成本，电机铜耗较低。在不斜槽的情况下，减少了齿槽效应，改善了电机的电势波形，大大减小了电机静态和低速时的转矩波动。

图2是本实用新型数控转台双转子不等极数永磁力矩电机横截面示意图，如图所示，电机的横截面中心向外依次安装有内电机转子轭部13、内电机定子轭部10、电机冷却结构17、外电机定子轭部22、外电机转子磁钢18和外电机转子轭部19，其中在内电机转子轭部13和内电机定子轭部10之间有内部气隙16；内电机定子轭部10上安装有内电机定子齿11和内电机定子槽12；由于齿槽转矩波动是影响电机伺服精度的一个重要参数，为了有效降低双转子永磁力矩电机合成齿槽转矩，提供电机的伺服精度，每个内电机定子齿11顶还均匀开有一个辅助槽14，如图3所示，每个辅助槽14的槽口深度和宽度均相同，使内电机定子槽12、内电机定子齿11与外电机定子槽20、外电机定子齿21的转矩波动曲线具有相同的频率，通过选择合适的内电机定子槽12及外电机定子槽20的尺寸，如图4所示；或改变内电机定子槽12及外电机定子槽20的相对位置，如图5所示；通过这两种方法都可以使内电机定子3和外电机定子5的转矩脉动形成反向的相位差，有效降低电机合成齿槽转矩，保证电机了具有较高的伺服精度。外电机定子轭部22上安装有外电机定子齿21、外电机定子槽20；外电机定子轭部22与外电机转子磁钢18之间有外部气隙15。在实验中电机冷却结构17采用水冷装置，水冷装置置于内电机定子3与外电机定子5之间，这样可以有效地增加电机散热能力。

数控转台双转子不等极数永磁力矩电机结构打破了传统的双转子内外极槽数相等的结构，具有高的转矩密度的同时，且有很好的加工工艺性。由于内外转子刚性联接，同速旋转，所以为了保证电机具有较高的伺服精度，采用在内电机齿顶均匀开有一个辅助槽口的方法，使内外电机齿槽转矩波动曲线具有相同的频率，通过选择合适的内外电机槽口尺寸或改变内外电机槽口相对位置这两种方法都可以使内外定子转矩脉动形成反向的相位差，且相互反向叠加。达到降低电机合成转矩脉动的目的。

Claims (8)

1.数控转台双转子不等极永磁力矩电机，其特征在于：所述电机包括內电机和外电机，其中内电机包括内电机定子（3）、內电机转子（2）；外电机包括外电机定子（5）、外电机转子（6）；电机的横截面中心向外依次安装有内电机转子轭部（13）、内电机定子轭部（10）、电机冷却结构（17）、外电机定子轭部（22）、外电机转子磁钢（18）和外电机转子轭部（19），其中在内电机转子轭部（13）和内电机定子轭部（10）之间有内部气隙（16）；内电机定子轭部（10）上安装有内电机定子齿（11）和内电机定子槽（12）；外电机定子轭部（22）上安装有外电机定子齿（21）、外电机定子槽（20）；外电机定子轭部（22）与外电机转子磁钢（18）之间有外部气隙（15）。

2.根据权利要求1所述数控转台双转子不等极永磁力矩电机，其特征在于：所述电机的内电机转子（2）和外电机转子（6）之间刚性连接，同速旋转。

3.根据权利要求1所述数控转台双转子不等极永磁力矩电机，其特征在于：所述内电机定子齿（11）顶均匀开有辅助槽（14）。

4.根据权利要求3所述数控转台双转子不等极永磁力矩电机，其特征在于：所述每个辅助槽（14）的深度和宽度均相同。

5.根据权利要求1所述数控转台双转子不等极永磁力矩电机，其特征在于：所述内电机和外电机的极数、槽数均不相等。

6.根据权利要求5所述数控转台双转子不等极永磁力矩电机，其特征在于：所述电机采用外电机为40极48槽，内电机为20极24槽的分数槽绕组形式。

7.根据权利要求6所述数控转台双转子不等极永磁力矩电机，其特征在于：所述电机的绕组采用每相线圈放置在相邻的两个槽中这种单齿成型的集中绕组结构。

8.根据权利要求1所述数控转台双转子不等极永磁力矩电机，其特征在于：所述电机冷却结构（17）采用水冷装置。

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