CN2715414Y

CN2715414Y - 高转矩快响应永磁无刷伺服电动机

Info

Publication number: CN2715414Y
Application number: CN 200420022984
Authority: CN
Inventors: 林德芳
Original assignee: Shanghai Top Motor Co ltd
Current assignee: Ningbo Tebo Motor Co., Ltd.; Shanghai Chuanye Electric Motor Co., Ltd.; Shanghai Top Motor Co., Ltd.
Priority date: 2004-05-21
Filing date: 2004-05-21
Publication date: 2005-08-03
Anticipated expiration: 2014-05-21

Abstract

本实用新型为一种高转矩快响应永磁无刷伺服电动机，包括定子部分和转子部分，定子部分有定子铁芯和定子绕阻；转子部分有主轴和固定轴上的永磁磁环，永磁转子与定子之间设有径向气隙，其特征在于：所述定子铁芯内圆齿表面在下列四种结构中选取一种：台阶齿面、锥形齿面、不对称齿面和开辅助槽齿面；转子主轴上固定的磁环在下列二种结构中选取一种：1.主轴上分段磁环为各向异性径向磁化磁环，整个转子轴向呈阶梯形斜磁极，2.主轴上分段磁环以中心磁环为基准，向两端倾斜磁极，使整个转子轴向“V”型阶梯形斜磁极。本实用新型的有益效果是：转矩采用轴向聚磁或切向聚磁效应，增加气隙磁密，提高出力；改善气隙磁场分布，提高起动转矩和快速响应；低转矩波动，使电机低噪、平稳运行。

Description

高转矩快响应永磁无刷伺服电动机

一、技术领域：

本实用新型涉及一种电动机，特别是公开一种高转矩快响应永磁无刷伺服电动机。

二、背景技术：

永磁无刷电动机(PMBLM)具有取消机械换向器和电刷、维护少、电磁兼容性好、调速性能好、结构简单和效率高等优点，正越来越广泛用于“3A”场合：HA-家庭自动化，OA-办公自动化和FA-工厂自动化。但无刷电机的电枢磁场为非圆形跳跃式的旋转磁场，存在较大的转矩波动，而作为高品质永磁电机，特别是伺服电机，最重要的性能要求是转矩波动小(定位转矩小)、惯量低、响应快、(动态响应高)和过载能力强，因此常规无刷电机结构难以满足性能要求。实践证明：提高定转子间的气隙磁通密度(气隙磁密)是电动机获得良好的动态特性，提高出力(高转矩)和实现小型轻量化的有效途径。通常提高气隙磁密的方法：提高磁钢磁密；增加磁钢截面积和减少极间漏磁。采用优质磁钢来提高气隙磁密，将导致电机成本增加，增加磁钢截面积使极间距离靠近，往往与减少漏磁有矛盾，而且使电机的重量、体积加大，得不偿失。

三、发明内容：

本实用新型旨在克服上述缺陷，提供一种具有高转矩、快响应、低波动、结构简单、成本低和工作可靠的永磁无刷伺服电动机。

实现本实用新型的技术方案是：一种高转矩快响应永磁无刷伺服电动机，包括定子部分和转子部分，定子部分有定子铁芯和定子绕阻；转子部分有主轴和固定轴上的永磁磁环，永磁转子与定子之间设有径向气隙，其特征在于：所述定子铁芯内圆齿表面在下列四种结构中选取一种：台阶齿面、锥形齿面、不对称齿面和开辅助槽齿面；转子主轴上固定的磁环在下列二种结构中选取一种：一种结构是主轴上分段磁环为各向异性径向磁化磁环，其每段相邻磁环中均布的磁极在轴向相应叉开同一角度，使整个转子轴向呈阶梯形斜磁极，另一种结构是主轴上分段磁环以中心磁环为基准，向两端倾斜磁极，使整个转子轴向“V”型阶梯形斜磁极。

在所述转子的主轴上固定有分段永磁磁环，磁环内磁极沿圆周均布，其磁化方向为“径向取向”(径向磁化)，每段相邻磁环中分布的磁极，在轴向相应叉开(倾斜)同一角度，转子分段磁环两端侧壁分别各有一轴向厚度稍薄、相同内外径、轴向磁化辅助磁环相邻两块切向磁钢间嵌有软钢极靴，组成一个磁极。

通过采用上述措施，使无刷电机，特别是无刷伺服电机的综合功能优化提升，关键的性能指标得到显著提高，现归纳如下：

1、转矩。措施：采用如图8～10中的轴向磁化辅助磁环27的“轴向聚磁”效应，减少轴向漏磁，增加主磁通(Φ＝Φ₁+Φ₂)，增加气隙磁密B_g，提高出力；采用如图3所示的相邻两块切向磁钢24的“切向聚磁”效应来增加气隙磁密B_g，提高出力。

2、快响应。即要求电机有较小的机械时间常数T_m和较高的最大理论加速度α_m，前者与气隙磁密B_g平方成反比，即T_m∝1/B_g ²，后者与峰值输出转矩T_p成正比，即α_m∝T_p。通常峰值转矩T_p发生在起动时，但强大的起动电流引起的强大的电枢反应，使T_p下降，影响电机的快速性。措施：上述“轴向、切向聚磁”效应，增加气隙磁密B_g，提高出力，提高快速响应；通过电机定子铁芯内圆齿表面的优化结构，即台阶齿面、锥形齿面、不对称齿面，形成定转子间单边气隙，即不均匀气隙、气隙不对称来减少负载电流引起的电枢反应去磁作用，改善气隙磁场分布，提高起动转矩和快速响应。

3、低转矩波动。特别是作为伺服电机，要求在宽调速范围内有很低的转矩波动。措施：采用如图5、8、9中的斜磁钢(或磁极)减小齿槽引起的转矩波动；优化定子铁芯内圆齿表面形状，形成不均匀气隙，减小电枢反应畸变，降低转矩波动；采用辅助槽齿面，减小谐波分量幅值，降低齿槽转矩波动，使电机低噪和平稳运行。

四、附图说明：

图1 是本实用新型实施例高转矩快响应永磁无刷伺服电动机总成剖面结构示意图；

图2 是凸极式永磁无刷电动机结构示意图；

图3 是隐极式永磁无刷电动机结构示意图；

图4 是永磁无刷电动机转子用各向同性分段永磁磁环(斜磁极)；

1a～1f：分段永磁磁环；

图5 是本实用新型实施例中隐极式永磁转子；

图6 是本实用新型实施例中永磁转子；

图7 是本实用新型实施例中各向异性永磁磁环示意图；

图8 是本实用新型实施例中转子用分段永磁磁环；

图9 是本实用新型实施例中转子用分段永磁磁环；

图10 是本实用新型实施例中转子永磁磁环聚磁磁路示意图；

图11 是本实用新型实施例中定子齿面优化结构—台阶齿面；

图12 是本实用新型实施例中定子齿面优化结构—锥形齿面；

图13 是本实用新型实施例中定子齿面优化结构—不对称齿面；

图14 是本实用新型实施例中定子齿面优化结构—开辅助槽齿面。

在图1中：1、主轴； 2、波形垫圈； 3、轴承； 4、绕组； 5、磁钢； 6、气隙；7、机壳； 8、转子； 9、定子铁芯； 10、压线板； 11、橡胶垫； 12、中盖；13、后端盖； 14、外压板； 15、轴套； 16、摩擦片； 17、内压板； 18、刹车装置；19、轴承； 20、压板；

在图2中：21、径向瓦形磁钢； 22、定子轭； 23、定子绕组；

在图3中：24、切向矩形磁钢； 25、软钢极靴； 26、定子轭； 27、定子绕组； 1a～1f：各向异性径向磁化分段磁环(单方向阶梯形斜磁极)； 1a～1f：各向异性径向磁化分段磁环(双方向阶梯形斜磁极)；

在图6、图7中：29、转子轭；

在图8、图9中：28、轴向磁化辅助磁环； Φ₁、径向磁化分段磁环磁通； Φ₂、轴向磁化辅助磁环磁通。

五、具体实施方式：

以下结合附图对本实用新型作进一步描述。

见附图1，电动机的机壳7内设有定子铁芯9，定子铁芯9两端设有绕组4，定子铁芯9与转子8之间设有磁钢5，转子8两端分别装有轴承3、19，由机壳8轴承孔和中盖12、后端盖13、轴承3使转子8与机壳8连接成一体，绕组4的引出线通过压线板10、橡胶垫11固定并引出，压板20设于机壳8和中盖12之间，设于后端盖13内的转子8后端上顺序装有刹车装置18、内压板17、摩擦片16、轴套15、外压板14，整个电动机需要固定的地方用螺钉固定。

实施例1：

根据图1，高转矩快响应永磁无刷伺服电动机，机壳7内定子部分包括定子铁芯9和定子绕组4，转子部分包括主轴1和固定在轴上的永磁磁环5，永磁转子与定子之间设有径向气隙6，永磁磁环结构如图8所示，为了说明其特点，与图4的磁环做一比较分析。图4中的分段磁环1a～1f为各向同性磁环，整体轴向斜充磁，径向磁化，使整个转子轴向起斜磁极作用，降低力矩波动。存在的缺点：1)每段磁环径向磁化的位置和角度均不相同，不能互换，因此，只能采用各向同性永磁材料(极数根据充磁头来决定)，其磁性能远远低于各向异性永磁材料；2)其磁化方式必须采用专用的充磁头，结构复杂，倾斜度一旦确定也不能调整。本例转子采用图8各向异性径向磁化分段磁环1a～1f。优点：1)各向异性永磁材料磁性能高，使电机的气隙磁密增加，出力提高，能实现小型轻量化；2)每段磁环的径向磁化位置相同，可互换，充磁方便；3)每段相邻磁环中均布的磁极在轴向的错位(磁极阶梯形倾斜度)可根据电机性能要求进行调整，以便获得最低的转矩波动；4)根据功率要求，可方便地增减磁环，调整永磁转子长度。本例图8的转子分段磁环1a～1f两端侧壁分别各有一轴向厚度稍薄、相同内外径、轴向磁化的辅助磁环27，具有“轴向聚磁”效果，它同时增加磁钢面积、减少漏磁和加大主磁通的作用，使气隙磁密增加，进一步提高出力。

实施例2：

根据图9，与上例结构相同，只是斜磁极方式不同。斜磁极可降低转矩波动，但同时降低了电机的输出转矩，为了两者兼顾，在本实例中以中心磁环1c为基准，向轴向两端倾斜磁极，使整个转子轴向呈V型阶梯形斜磁极(这种结构磁极斜度较小)，既达到降低转矩波动目的，又不致于过多影响输出转矩。尤其对于长径比大的电机，该实施例效果更佳。

实施例3：

根据图5，永磁转子为切向磁钢带极靴的隐极结构，相邻两块切向磁钢24间嵌有软钢极靴25，组成一个磁极，切向磁钢斜放，有双重功效：1)每极沿磁化方向的两块切向磁钢24的磁通，同时通过软钢极靴24，有明显的聚磁效果，增加气隙磁密，提高出力；2)斜磁钢(即斜磁极)减小齿槽效应，降低转矩波动，使电机低噪平稳运行。

根据图11～14，电机定子铁芯内圆齿表面的四种优化结构：台阶齿面图11、锥形齿面图12、不对称齿面图13和开辅助槽齿面图14。前三种适用于单方向运转的无刷电机，优化结构使定转子间形成单边气隙，即不均匀气隙、不对称气隙来减小负载电流引起的电枢反应去磁作用，改善磁场分布，降低转矩波动，提高电流与转矩的线性度，提高起动转矩和快速响应。上面第四种结构，适用于双向运转的无刷电机，特别是高精度伺服电机，可增加齿槽转矩波动的基波次数、基波频率，降低和消除谐波分量，有效降低齿槽转矩。实践证明：辅助开槽法可使齿槽转矩波动降低70～80％。

Claims

1、一种高转矩快响应永磁无刷伺服电动机，包括定子部分和转子部分，定子部分有定子铁芯和定子绕阻；转子部分有主轴和固定轴上的永磁磁环，永磁转子与定子之间设有径向气隙，其特征在于：所述定子铁芯内圆有齿面；转子主轴上固定有磁环。

2、根据权利要求1所述的高转矩快响应永磁无刷伺服电动机，其特征在于：所述的定子铁芯内圆齿面在下列四种结构中选取一种：台阶齿面、锥形齿面、不对称齿面和开辅助槽齿面；所述转子主轴上固定的磁环在下列二种结构中选取一种：一种结构是主轴上分段磁环为各向异性径向磁化磁环，其每段相邻磁环中均布的磁极在轴向相应叉开同一角度，使整个转子轴向呈阶梯形斜磁极，另一种结构是主轴上分段磁环以中心磁环为基准，向两端倾斜磁极，使整个转子轴向“V”型阶梯形斜磁极。

3、根据权利要求2所述的高转矩快响应永磁无刷伺服电动机，其特征在于：在转子分段磁环两端侧壁分别各设有一轴向厚度稍薄、相同内外径、轴向磁化辅助磁环。

4、根据权利要求1或3所述的高转矩快响应永磁无刷伺服电动机，其特征在于：转子轴上的磁极磁钢为隐极磁钢，由两块切向磁钢和嵌在中间的导磁软钢极靴组成一个磁极，切向磁钢倾斜放置。