CN212435450U - 一种轴向尺寸紧凑型的外转子永磁伺服电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种轴向尺寸紧凑型的外转子永磁伺服电机，包括转子部分、定子部分和控制器；控制器采集电机的运行位置信息以实现对电机的运行实现闭环控制；定子部分具有用来与外部对应部件相固定的固定轴；转子部分为壳形结构；转子部分套在所述定子部分的外部以形成外转子结构并实现电机结构紧凑；定子部分的周边设有朝向外侧的N个槽口，定子部分的N个槽口中分别缠绕有分数槽集中绕组，转子部分的周边的内侧一面装有L块永磁体，并与定子部分的N个槽口中的分数槽集中绕组对应匹配；其中，N的数值大于L的数值。本实用新型具有结构紧凑、散热性能好、电机功率高，以及重量轻、体积小，制作成本低的特点。

Description

一种轴向尺寸紧凑型的外转子永磁伺服电机

技术领域

本实用新型属于永磁伺服电机技术领域，特别是涉及一种轴向尺寸紧凑型的外转子永磁伺服电机。

背景技术

永磁电机是电能和机械能互相转换的一种设备，它是利用通电线圈(也就是定子绕组) 产生旋转磁场并作用于永磁转子形成旋转扭矩，将电能转换为机械能。也可以由外部动能带动永磁转子旋转，旋转磁场在线圈感应电压，通过供电回路对外提供电能。永磁电机主要由定子与永磁转子组成。

伺服电机是指在伺服系统中控制机械元件运转的电机，是一种电机变速装置，伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象，伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压低等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。

永磁伺服电机是永磁电机和伺服电机的结合，具有高功率密度、低机电时间常数、控制线性度高等特性，综合了两种类型电机的优点。

现有技术的永磁伺服电机通常为永磁内转子结构，这种结构的永磁伺服电机导致电机轴向尺寸较长，定转子气隙无法做小，位置传感器占用电机轴向空间，而且电机嵌线困难，不易自动化生产，即使自动化生产也会导致性能削弱和成本增加。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术之不足，提供一种轴向尺寸紧凑型的外转子永磁伺服电机，通过结构改进，一方面具有结构紧凑、散热性能好、电机功率高的特点；另一方面具有重量轻、体积小，制作成本低的特点。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种轴向尺寸紧凑型的外转子永磁伺服电机，包括转子部分、定子部分和控制器；所述控制器采集电机的运行位置信息以实现对电机的运行实现闭环控制；其特征在于：所述定子部分具有用来与外部对应部件相固定的固定轴；所述转子部分为壳形结构；所述转子部分套在所述定子部分的外部以形成外转子结构并实现电机结构紧凑；所述定子部分的周边设有朝向外侧的N个槽口，所述定子部分的N 个槽口中分别缠绕有分数槽集中绕组，所述转子部分的周边的内侧一面装有L块永磁体，并与所述定子部分的N个槽口中的分数槽集中绕组对应匹配；其中，N的数值大于L的数值；所述控制器采集电机的运行位置信息为采用位置传感器模式采集；所述位置传感器包括传感器主体和感应头，所述定子部分的固定轴为中空结构，所述传感器主体装在所述定子部分的固定轴的中空腔内；所述感应头装在所述转子部分中并与所述传感器主体的位置相对应。

所述定子部分的N个槽口与所述转子部分的L块永磁体的匹配关系中，N的数值等于 3乘以任意整数，L的数值等于2乘以任意整数。

所述定子部分的N个槽口与所述转子部分的L块永磁体的匹配关系中，N的数值和L的数值满足关系式：180乘以L再除以N的结果大于90，180乘以L再除以N的结果小于180。

所述定子部分的N个槽口与所述转子部分的L块永磁体的匹配关系中，所述N的数值和所述L的数值的最小公倍数越大和最大公约数越小，则电机的转矩波动越小。

所述控制器采集电机的运行位置信息为采用位置传感器模式采集；所述位置传感器包括传感器主体和感应头，所述定子部分的固定轴为中空结构，所述传感器主体装在所述定子部分的固定轴的中空腔内；所述感应头装在所述转子部分中并与所述传感器主体的位置相对应。

所述定子部分还包括定子铁芯和固定架，所述定子铁芯通过所述固定架固定在所述固定轴上；所述定子铁芯包括定子冲片和绝缘部件，所述定子冲片在外圆周开设有N个槽口，所述定子冲片内圆挖空，所述绕组缠绕在由M片所述定子冲片叠压在一起组成的冲片组件的相邻槽口中，所述绝缘部件装在所述冲片组件的槽口内并阻隔在所述绕组和所述冲片组件之间以实现绕组和冲片组件之间的电气绝缘。

所述转子部分的壳形结构包括壳体、前端盖和后端盖，前端盖和后端盖的外周边分别与所述壳体相固定，前端盖和后端盖的内周边分别通过轴承与所述固定轴相连接，所述L 块永磁体通过胶水分别呈圆环状分布而固定在所述壳体的内侧一面中。

所述转子部分的壳形结构还包括盖板，所述感应头安装于所述盖板中，所述盖板安装于所述前端盖上，以利用感应头随前端盖旋转，让所述传感器主体采集到所述感应头输出位置信号以供所述控制器进行闭环控制。

所述壳体包括转子铁芯和外壳，所述转子铁芯外圆周与所述外壳相固定，所述转子铁芯包含转子冲片，所述转子冲片设有L个槽，所述L块永磁体分别嵌入由M片所述转子冲片叠压组成的转子铁芯中的L个槽中。

与现有技术相比较，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型由于采用了将所述转子部分设为壳形结构；所述转子部分套在所述定子部分的外部以形成外转子结构并实现电机结构紧凑；所述定子部分的周边设有朝向外侧的N 个槽口，所述定子部分的N个槽口中分别缠绕有分数槽集中绕组，所述转子部分的周边的内侧一面装有L块永磁体，并与所述定子部分的N个槽口中的分数槽集中绕组对应匹配；其中， N的数值大于L的数值。本实用新型的这种结构，由于转子外置，使得产品结构紧凑，并且避免了内转子永磁伺服电机由于低速大功率运行导致的转子散热不良问题，可以降低磁钢的耐温水平，提高电机高功率的性能。

2、本实用新型由于转子外置，可以充分利用转矩理论，增加转矩力臂，以减少切向力，以实现相比内转子电机更高的功率密度。

3、本实用新型由于转子部分采用壳形结构，该壳形结构包括壳体、前端盖和后端盖，前端盖和后端盖的外周边分别与所述壳体相固定，前端盖和后端盖的内周边分别通过轴承与所述固定轴相连接，且L块永磁体通过胶水分别呈圆环状分布而固定在所述壳体的内侧一面中。本实用新型的这种结构，使旋转部件总重量减少，有利于减少转子惯量。

4、本实用新型由于采用了将定子部分的固定轴设为中空结构，所述传感器主体装在所述定子部分的固定轴的中空腔内；所述感应头装在所述转子部分中并与所述传感器主体的位置相对应。本实用新型将位置传感器内置于中空轴中，充分的利用的电机所占用的空间，实现了最小的体积占用。

5、本实用新型由于采用了在定子部分的N个槽口中分别缠绕有分数槽集中绕组。本实用新型的集中式分数槽绕组有利于自动化生产和转矩波动抑制，减少绕组端部长度，进一步减少电机铜耗和轴向长度。

以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步详细说明；但本实用新型的一种轴向尺寸紧凑型的外转子永磁伺服电机不局限于实施例。

附图说明

图1是本实用新型的实施例的立体构造示意图；

图2是本实用新型的实施例的侧视图；

图3是本实用新型的实施例的定子部分的主视图；

图4是本实用新型的实施例的定子部分的剖视图(侧视方向)；

图5是本实用新型的实施例的转子部分的主视图；

图6是本实用新型的实施例的转子部分的后视图；

图7是本实用新型的实施例的转子部分的剖视图(侧视方向)；

图8是本实用新型的实施例的集中式分数槽绕组示意图(采用48槽、46片磁钢和并联路数1)；

图9是本实用新型的实施例的空载的反电势波形示意图(采用48槽、46片磁钢和并联路数1)；其中，纵坐标：反电动势(单位V)横坐标：电角度(单位°)；

图10是本实用新型的实施例的齿槽转矩示意图(采用48槽、46片磁钢和并联路数1)；其中，纵坐标：转矩(单位N.m)横坐标：机械角度(单位°)；

图11是本实用新型的实施例的额定转速50RPM时的负载转矩示意图(采用48槽、46片磁钢和并联路数1)；其中，纵坐标：转矩(单位N.m)横坐标：电角度(单位°)。

图中，11、传感器主体；12、感应头；2、转子部分；21、永磁体；22、壳体；23、前端盖；24、后端盖；25、盖板；3、定子部分；31、固定轴；32、槽口；33、定子铁芯；34、固定架；35、轴承。

具体实施方式

实施例

参见图1至图11所示，本实用新型的一种轴向尺寸紧凑型的外转子永磁伺服电机，包括转子部分2、定子部分3和控制器(图中未示出)；所述控制器采集电机的运行位置信息以实现对电机的运行实现闭环控制；所述定子部分3具有用来与外部对应部件相固定的固定轴31；所述转子部分2为壳形结构；所述转子部分2套在所述定子部分3的外部以形成外转子结构并实现电机结构紧凑；所述定子部分3的周边设有朝向外侧的N个槽口32，所述定子部分的N个槽口32中分别缠绕有分数槽集中绕组(图中未示出)，所述转子部分2的周边的内侧一面装有L块永磁体21，并与所述定子部分3的N个槽口32中的分数槽集中绕组对应匹配；其中，N的数值大于L的数值；所述控制器采集电机的运行位置信息为采用位置传感器模式采集；所述位置传感器包括传感器主体11和感应头12，所述定子部分3的固定轴31为中空结构，所述传感器主体11装在所述定子部分的固定轴31的中空腔内；所述感应头12装在所述转子部分2中并与所述传感器主体11的位置相对应。

所述定子部分的N个槽口32与所述转子部分的L块永磁体21的匹配关系中，N的数值等于3乘以任意整数，L的数值等于2乘以任意整数。

所述定子部分的N个槽口32与所述转子部分的L块永磁体21的匹配关系中，N的数值和L的数值满足关系式：180乘以L再除以N的结果大于90，180乘以L再除以N的结果小于180。

所述定子部分的N个槽口32与所述转子部分的L块永磁体21的匹配关系中，所述N的数值和所述L的数值的最小公倍数越大和最大公约数越小，则电机的转矩波动越小。

所述定子部分3还包括定子铁芯33和固定架34，所述定子铁芯33通过所述固定架34 固定在所述固定轴31上；所述定子铁芯33包括定子冲片和绝缘部件，所述定子冲片在外圆周开设有N个槽口，所述定子冲片内圆挖空，所述绕组缠绕在由M片所述定子冲片叠压在一起组成的冲片组件的相邻槽口32中，所述相邻槽口是在假设槽口按顺序沿着圆周逐个标记为1、2、3、4、…H、H+1时,相邻槽口指H和H+1槽口，所述绝缘部件装在所述冲片组件的槽口内并阻隔在所述绕组和所述冲片组件之间以实现绕组和冲片组件之间的电气绝缘。

固定架34还可以设有流道，冷却液进入流道辅助电机散热。转子部分2外则由喷油装置喷油冷却。

本实施例中，所述转子部分2的壳形结构包括壳体22、前端盖23和后端盖24，前端盖23和后端盖24的外周边分别与所述壳体22相固定，前端盖23和后端盖24的内周边分别通过轴承35与所述固定轴31相连接，所述L块永磁体21通过胶水分别呈圆环状分布而固定在所述壳体22的内侧一面中。所述转子部分2通过端盖与被拖动设备连接，所述的电机转子的磁场与所述的电机定子产生的旋转磁场相互作用形成电能和机械能的相互转换。

本实施例中，所述转子部分2的壳形结构还包括盖板25，所述感应头12安装于所述盖板25中，所述盖板25安装于所述前端盖23上，以利用感应头12随前端盖23旋转，让所述传感器主体11采集到所述感应头输出位置信号以供所述控制器进行闭环控制。

本实施例中，所述壳体22包括转子铁芯和外壳，所述转子铁芯外圆周与所述外壳相固定，所述转子铁芯包含转子冲片，所述转子冲片设有L个槽，所述L块永磁体21分别嵌入由M片所述转子冲片叠压组成的转子铁芯中的L个槽中。

所述后端盖24与所述的固定轴31可以通过油封密封，所述固定轴31端部也进行密封，所述壳体22和所述前端盖23、后端盖24也进行密封，所述前端盖23和所述盖板25也进行密封，电机可实现IP69K等级防护。在前端盖可以开通风口，在后端盖也可以开通风口，这样，电机可实现最大的散热面积，有助于散热。

请参阅图3、4、8，定子部分3按沿外圆周依次将槽口标记为1、2、3、…、47、48，绕组按图8的示意的方式缠绕在定子铁芯33上，绕组并联路数为1，如图8中所示，U、V、 W三个线头引出，U’、V’、W’三个线头短接，以Y型接线连接，U、V、W三个线头为电源输入端，电源输入端线经由中空轴31的侧面通孔为线圈供电。

请参阅图9、10、11，如图所示，本实用新型的空载反电势波形畸变小，接近正弦波，齿槽转矩小，转矩波动小，空载反电动势畸变率为1.637％，转矩波动系数为5.45％。

本实用新型的一种轴向尺寸紧凑型的外转子永磁伺服电机，采用了将所述转子部分2 设为壳形结构；所述转子部分2套在所述定子部分3的外部以形成外转子结构并实现电机结构紧凑；所述定子部分3的周边设有朝向外侧的N个槽口32，所述定子部分3的N个槽口32中分别缠绕有分数槽集中绕组，所述转子部分2的周边的内侧一面装有L块永磁体21，并与所述定子部分的N个槽口32中的分数槽集中绕组对应匹配；其中，N的数值大于L的数值。本实用新型的这种结构，由于转子外置，使得产品结构紧凑，并且避免了内转子永磁伺服电机由于低速大功率运行导致的转子散热不良问题，可以降低磁钢的耐温水平，提高电机高功率的性能。

本实用新型的一种轴向尺寸紧凑型的外转子永磁伺服电机，由于转子外置，可以充分利用转矩理论，增加转矩力臂，以减少切向力，以实现相比内转子电机更高的功率密度。

本实用新型的一种轴向尺寸紧凑型的外转子永磁伺服电机，由于转子部分2采用壳形结构，该壳形结构包括壳体22、前端盖23和后端盖24，前端盖23和后端盖24的外周边分别与所述壳体22相固定，前端盖23和后端盖24的内周边分别通过轴承35与所述固定轴 31相连接，且L块永磁体21通过胶水分别呈圆环状分布而固定在所述壳体22的内侧一面中。本实用新型的这种结构，使旋转部件总重量减少，有利于减少转子惯量。

本实用新型的一种轴向尺寸紧凑型的外转子永磁伺服电机，采用了将定子部分3的固定轴31设为中空结构，所述传感器主体11装在所述定子部分3的固定轴31的中空腔内；所述感应头12装在所述转子部分2中并与所述传感器主体11的位置相对应。本实用新型将位置传感器内置于中空轴中，充分的利用的电机所占用的空间，实现了最小的体积占用。

本实用新型的一种轴向尺寸紧凑型的外转子永磁伺服电机，采用了在定子部分3的N 个槽口32中分别缠绕有分数槽集中绕组。本实用新型的集中式分数槽绕组有利于自动化生产和转矩波动抑制，减少绕组端部长度，进一步减少电机铜耗和轴向长度。

本实用新型的一种轴向尺寸紧凑型的外转子永磁伺服电机，是采用中空固定轴、分数槽集中绕组和永磁外转子方案，中空固定轴有利于位置传感器内置于中空轴内，减少电机重量和增加散热面积，电机与外部的设备直接通过转子端盖连接，有利于进一步的减重，位置传感器内置于中空轴内充分利用电机占用的空间，使得电机轴向空间进一步压缩，分数槽集中绕组有利于自动化生产和谐波抑制，减少电机定子铜耗，永磁外转子结构永磁伺服电机相比同等外径的永磁内转子结构永磁伺服电机轴向尺寸短，且外转子结构有利于转子散热，降低对磁钢的耐热性能要求，降低磁钢成本。

上述只是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何形式上的限制。虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本实用新型技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同化的等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本实用新型技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种轴向尺寸紧凑型的外转子永磁伺服电机，包括转子部分、定子部分和控制器；所述控制器采集电机的运行位置信息以实现对电机的运行实现闭环控制；其特征在于：所述定子部分具有用来与外部对应部件相固定的固定轴；所述转子部分为壳形结构；所述转子部分套在所述定子部分的外部以形成外转子结构并实现电机结构紧凑；所述定子部分的周边设有朝向外侧的N个槽口，所述定子部分的N个槽口中分别缠绕有分数槽集中绕组，所述转子部分的周边的内侧一面装有L块永磁体，并与所述定子部分的N个槽口中的分数槽集中绕组对应匹配；其中，N的数值大于L的数值；所述控制器采集电机的运行位置信息为采用位置传感器模式采集；所述位置传感器包括传感器主体和感应头，所述定子部分的固定轴为中空结构，所述传感器主体装在所述定子部分的固定轴的中空腔内；所述感应头装在所述转子部分中并与所述传感器主体的位置相对应。

2.根据权利要求1所述的轴向尺寸紧凑型的外转子永磁伺服电机，其特征在于：所述定子部分的N个槽口与所述转子部分的L块永磁体的匹配关系中，N的数值等于3乘以任意整数，L的数值等于2乘以任意整数。

3.根据权利要求1所述的轴向尺寸紧凑型的外转子永磁伺服电机，其特征在于：所述定子部分的N个槽口与所述转子部分的L块永磁体的匹配关系中，N的数值和L的数值满足关系式：180乘以L再除以N的结果大于90，180乘以L再除以N的结果小于180。

4.根据权利要求1所述的轴向尺寸紧凑型的外转子永磁伺服电机，其特征在于：所述定子部分的N个槽口与所述转子部分的L块永磁体的匹配关系中，所述N的数值和所述L的数值的最小公倍数越大和最大公约数越小，则电机的转矩波动越小。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的轴向尺寸紧凑型的外转子永磁伺服电机，其特征在于：所述定子部分还包括定子铁芯和固定架，所述定子铁芯通过所述固定架固定在所述固定轴上；所述定子铁芯包括定子冲片和绝缘部件，所述定子冲片在外圆周开设有N个槽口，所述定子冲片内圆挖空，所述绕组缠绕在由M片所述定子冲片叠压在一起组成的冲片组件的相邻槽口中，所述绝缘部件装在所述冲片组件的槽口内并阻隔在所述绕组和所述冲片组件之间以实现绕组和冲片组件之间的电气绝缘。

6.根据权利要求5所述的轴向尺寸紧凑型的外转子永磁伺服电机，其特征在于：所述转子部分的壳形结构包括壳体、前端盖和后端盖，前端盖和后端盖的外周边分别与所述壳体相固定，前端盖和后端盖的内周边分别通过轴承与所述固定轴相连接，所述L块永磁体通过胶水分别呈圆环状分布而固定在所述壳体的内侧一面中。

7.根据权利要求6所述的轴向尺寸紧凑型的外转子永磁伺服电机，其特征在于：所述转子部分的壳形结构还包括盖板，所述感应头安装于所述盖板中，所述盖板安装于所述前端盖上，以利用感应头随前端盖旋转，让所述传感器主体采集到所述感应头输出位置信号以供所述控制器进行闭环控制。

8.根据权利要求7所述的轴向尺寸紧凑型的外转子永磁伺服电机，其特征在于：所述壳体包括转子铁芯和外壳，所述转子铁芯外圆周与所述外壳相固定，所述转子铁芯包含转子冲片，所述转子冲片设有L个槽，所述L块永磁体分别嵌入由M片所述转子冲片叠压组成的转子铁芯中的L个槽中。

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