一種外轉子直驅式永磁同步力矩伺服電機的製作方法

2023-10-09 12:21:34

專利名稱：一種外轉子直驅式永磁同步力矩伺服電機的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及永磁電機技術領域，具體涉及一種外轉子直驅式永磁 同步力矩伺服電機，適用於電動車和低速場合機械設備的直接驅動。
背景技術：
交流電動機同步轉速較高，在低速生產機械領域無法直接使用。採用 增加減速機構的辦法，又引入了結構複雜、效率降低、噪音增加、維護頻 繁等問題。為此，研究者們提出了一種能夠直接驅動負載的機電一體化產 品一直驅式力矩伺服電機。直驅式力矩伺服電機具備輸出轉矩大、轉速低、 結構緊湊、運行可靠、高效節能等優點，因而可部分代替"電機+減速機" 的搭配應用，減小了體積，提高了效率，在電動車輛、數控工具機與自動化 裝備等眾多領域能夠得到廣泛應用。
永磁同步電機是直驅式力矩伺服電機的一種主要結構型式，大多採用 編碼器或旋轉變壓器為位置傳感器，並實施正弦波驅動與控制，具有動態 響應快、控制精度高、伺服性能好等優點。
為提高電機的功率密度和轉矩密度，人們不斷探索新的磁路結構，提 出了外轉子結構的電機設計方案。採用外轉子結構的永磁同步電動機比常 規永磁同步電動機具有更大的轉動慣量，且電樞鐵心直徑可以做得較大， 從而提高了在不穩定負載下電動機的效率和輸出功率。為解決位置傳感器 控制易受幹擾、佔用電機內部空間的問題，無傳感器的位置信號檢測技術 逐漸引起研究者們的關注。目前的無位置傳感器技術，其機理多依賴對電 機基波方程的分析，適合於高轉速的應用，在低速運行時仍存在很多問題； 此外對電機參數敏感，魯棒性較差；或者技術較複雜，難以實用。近年來，洛侖茲(Lorenz)等學者提出了凸極跟蹤法在電機的出線端注入三相平 衡高頻電壓信號，通過對電機內部寄生或人為的不對稱性(凸極性)的檢測 來獲取轉子位置信息。這種凸極跟蹤方法能夠解決低速甚至零速下轉子位 置的估計。從機理分析和仿真研究表明，該技術具有良好的應用前景。
中國實用新型專利01113256. 6公開了一種"直接驅動釹鐵硼永磁外轉 子同步曳引機"，採用多極外轉子結構和特殊的二層環形定子結構，外轉子 同時作為制動輪，曳引輪固定在外轉子上，結構緊湊，可取消齒輪實現直 接驅動。電機小軸上安裝光電編碼器，採用兩套制動部件實現制停。中國 實用新型專利200420020906. 1公開了一種"永磁無刷輪轂電機"，該裝置 由電機定子、電機轉子、軸和軸承等部件組成，電機為輪轂型外轉子及三 相繞組結構。其特徵是，轉子極與定子槽配合，磁極為瓦形，面向氣隙布 置，電機定子鐵心由兩段槽口不同的衝片疊成，寬槽口部放置霍爾位置傳 感器元件。
以上兩種外子直驅式永磁力矩伺服電機，在定子結構上分別採用了不 同的特殊設計前者用二層環形定子結構提高了運行的平穩性，後者特殊 的槽口設計便於安裝位置傳感器。二者外轉子設計均沿用傳統的表面貼裝 式磁路結構，均採用位置傳感器伺服控制，對位置傳感器元件的安裝有一 定的空間需求，提高了電機成本。由於體積小，電機沒有專門的通風冷卻 結構，在長時間持續運行情況下難以避免電機溫升或局部溫升過高。

實用新型內容
本實用新型提出的一種直驅式永磁同步力矩伺服電機，具有凸極結構 特性，能夠實現基於高頻信號注入凸極的無傳感器矢量控制，同時設置了 散熱機構，避免電機溫度過高。
一種外轉子直驅式永磁同步力矩伺服電機，包括定子和轉子，定子包括 電機軸l、定子鐵心9和定子繞組8，電機軸1上套有定子鐵心9，定子鐵 心9上安放有定子繞組8;轉子包括轉子鐵心6、永磁體7、前端蓋2和後 端蓋5，轉子鐵心6位於定子鐵心9上方，轉子鐵心6靠近定子鐵心9的表面處安放有永磁體7，前端蓋2和後端蓋5分別與電機軸1通過軸承相接， 轉子鐵心6位於兩端蓋之間，並與兩端蓋固定連接；
所述轉子鐵心6的內表面均勻分布有凸出的轉子齒17，相鄰轉子齒17 之間固定有永磁體7;所述定子鐵心9內部開有軸向通孔16，軸向通孔16
內放有空心銅管。
所述轉子齒(17)截面呈楔形；
所述前端蓋和後端蓋上開有徑向或具有傾斜角度的條形通風口。
本實用新型的技術效果體現在
(l)瓦片形永磁體位於轉子鐵心的內表面，嵌於鐵心內壁凸出的轉子
齒之間，形成具有凸極性能的表面插入式外轉子結構；轉子齒截面採用楔
形結構設計，相鄰兩楔形齒能夠對嵌於其間的永磁體起到固定的作用。永 磁體的這種安放方式使得外轉子具有凸極結構特性，可實現無傳感器矢量 控制
(2) 定子鐵心內部繞有空心銅管，可通入空氣或者水，對定子鐵心進行冷卻。
(3) 電機端蓋採用風輪式設計，端蓋開有數條徑向或帶有一定傾斜角度
的條形通風口，使端蓋同時起到風扇的作用，把電機的熱量帶出機外，降 低溫升。
本實用新型電機採用永磁同步電機原理，配合凸極外轉子磁路結構，
工藝易於實現，配套控制系統的選擇也具有較大靈活性可採用傳統的位 置傳感器，如編碼器或旋轉變壓器等，對電機進行閉環控制；也能夠利用
跟蹤轉子凸極的高頻信號注入法，實現無傳感器矢量開環控制，尤其適合 在電機低速和零速下進行轉子位置估計，因此在低速驅動領域有良好的應 用前景。


圖1為為本實用新型電機的縱向剖面結構示意圖。
圖2為本實用新型電機軸的結構示意圖。圖3為本實用新型電機定子橫向剖面結構示意圖。 圖4為本實用新型電機外轉子橫向剖面結構示意圖。
圖5為本實用新型端蓋橫向剖面結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對實施例進行詳細說明。
圖1為本實用新型電機的縱向剖面結構示意圖，電機軸1上套有定子
鐵心9，定子鐵心9上安放有定子繞組8，電機軸1與定子繞組8、定子鐵 心9一起組成電機定子。
定子鐵心9的上方設有轉子鐵心6，轉子鐵心6靠近定子鐵心9的表面 處安放有永磁體7。在電機軸1上分別套有前端蓋2和後端蓋5，轉子鐵心 6位於兩端蓋之間，兩端蓋分別通過前軸承13和後軸承4與電機軸1軸承 連接。兩軸承外側均安裝有波形彈簧片3，用以給軸承施加預應力，減少軸 承運轉的噪音，提高軸承的運轉精度與平穩性。前，後端蓋2， 5分別與轉 子鐵心6固定連接，固定方式有多種，本實施例採用圓柱銷12依次穿過前 端蓋2、轉子鐵心6和後端蓋5，再使用緊固螺母10對其進行緊固。前， 後端蓋2， 5、轉子鐵心6和永磁體7—起組成電子外轉子。在前端蓋2的 側面設有連軸器ll，用於連接外部負載設備。
圖2為本實用新型電機軸的結構示意圖，電機軸採用中空結構，軸的 表面徑向開有一個與軸內部空心處連通的通孔，作為定子繞組8的引出線 通道14。
圖3為本實用新型電機定子橫向剖面結構示意圖，定子鐵心9上均勻 開有梯形槽15，定子繞組8嵌在梯形槽15內，其端部引出線經電機軸1的 引出線通道14引出。定子鐵心9上等間距等徑開有一圈軸向通孔16。數根 空心銅管穿過這些軸向通孔16繞制在定子鐵心9內，空心銅管內可通入空 氣或者水，用以對定子鐵心和端部進行冷卻，空心銅管端部引出線也通過 引出線通道14引出。
圖4為本實用新型電機外轉子橫向剖面結構示意圖，轉子鐵心6的內 表面均勻分布有凸出的轉子齒17，相鄰轉子齒17之間安放有瓦片形永磁體7。轉子齒17截面呈楔形，相鄰兩楔形齒能夠對嵌於其間的永磁體7起到 固定的作用。永磁體7的這種安放方式使得外轉子具有凸極結構特性，可 實現無傳感器矢量控制。
圖5為本實用新型端蓋橫向剖面結構示意圖，前、後端蓋2、 5均採用 風輪式設計，兼有風扇的作用。通過數條徑向條形通風口 18，將電機熱量 帶出機外，降低溫升，也可設計為與徑向成一定傾角的斜條形通風口 19。 條形通風口 18或19採用流線型截面，靠近端蓋內側的出口採用弧形過渡， 以減小風阻。
此外，本實用新型還可在靠近永磁體磁極的位置設置磁性霍爾編碼器， 也可採用光電編碼器或者旋轉變壓器等，對電機進行閉環控制。也可以採 用凸極跟蹤法，在電機出線端注入三相平衡的高頻電壓信號，通過檢測提 取，獲得轉子位置、速度信號，從而實現無傳感器矢量開環控制。這種方 法尤其適合低速和零速下的轉子位置估計。
權利要求1、一種外轉子直驅式永磁同步力矩伺服電機，包括定子和轉子，定子包括電機軸(1)、定子鐵心(9)和定子繞組(8)，電機軸(1)上套有定子鐵心(9)，定子鐵心9上安放有定子繞組(8)；轉子包括轉子鐵心(6)、永磁體(7)、前端蓋(2)和後端蓋(5)，轉子鐵心(6)位於定子鐵心(9)上方，轉子鐵心(6)靠近定子鐵心(9)的表面處安放有永磁體(7)，前端蓋(2)和後端蓋(5)分別與電機軸(1)通過軸承相接，轉子鐵心(6)位於兩端蓋之間，並與兩端蓋固定連接；其特徵在於，所述轉子鐵心(6)的內表面均勻分布有凸出的轉子齒(17)，相鄰轉子齒(17)之間固定有永磁體(7)；所述定子鐵心(9)內部開有軸向通孔(16)，軸向通孔(16)內放有空心銅管。
2、 根據權利要求1所述的一種外轉子直驅式永磁同步力矩伺服電機， 其特徵在於，所述轉子齒(17)截面呈楔形；
3、 根據權利要求1或2所述的一種外轉子直驅式永磁同步力矩伺服電 機，其特徵在於，所述前端蓋和後端蓋上開有徑向或具有傾斜角度的條形 通風口。
專利摘要一種外轉子直驅式永磁同步力矩伺服電機，包括定子和轉子，定子包括電機軸、定子鐵心和定子繞組；轉子包括轉子鐵心、永磁體、前端蓋和後端蓋。轉子鐵心的內表面均勻分布有凸出的轉子齒，相鄰轉子齒之間固定有永磁體；定子鐵心內部開有軸向通孔，軸向通孔內放有空心銅管。前後端蓋上均開有徑向或具有傾斜角度的條形通風口。本實用新型能夠實現有位置傳感器閉環控制或無位置傳感器矢量開環控制，具備散熱功能，結構緊湊、工藝簡單、輸出轉矩大、轉速低、運行可靠、高效節能，特別適用於電動車輛和機械設備的直接驅動。
文檔編號H02K21/22GK201341077SQ20082024109
公開日2009年11月4日 申請日期2008年12月26日 優先權日2008年12月26日
發明者馮垚徑, 凱 楊, 黃文濤 申請人:華中科技大學