專利名稱：一種外轉(zhuǎn)子直驅(qū)式永磁同步力矩伺服電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及永磁電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種外轉(zhuǎn)子直驅(qū)式永磁同步 力矩伺服電機(jī)，適用于電動(dòng)車和低速場(chǎng)合機(jī)械設(shè)備的直接驅(qū)動(dòng)。
背景技術(shù)：
交流電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速較高，在低速生產(chǎn)機(jī)械領(lǐng)域無(wú)法直接使用。采用 增加減速機(jī)構(gòu)的辦法，又引入了結(jié)構(gòu)復(fù)雜、效率降低、噪音增加、維護(hù)頻 繁等問(wèn)題。為此，研究者們提出了一種能夠直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載的機(jī)電一體化產(chǎn) 品一直驅(qū)式力矩伺服電機(jī)。直驅(qū)式力矩伺服電機(jī)具備輸出轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速低、 結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行可靠、高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，因而可部分代替"電機(jī)+減速機(jī)" 的搭配應(yīng)用，減小了體積，提高了效率，在電動(dòng)車輛、數(shù)控機(jī)床與自動(dòng)化 裝備等眾多領(lǐng)域能夠得到廣泛應(yīng)用。
永磁同步電機(jī)是直驅(qū)式力矩伺服電機(jī)的一種主要結(jié)構(gòu)型式，大多采用 編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器為位置傳感器，并實(shí)施正弦波驅(qū)動(dòng)與控制，具有動(dòng)態(tài) 響應(yīng)快、控制精度高、伺服性能好等優(yōu)點(diǎn)。
為提高電機(jī)的功率密度和轉(zhuǎn)矩密度，人們不斷探索新的磁路結(jié)構(gòu)，提 出了外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電機(jī)設(shè)計(jì)方案。釆用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電動(dòng)機(jī)比常 規(guī)永磁同步電動(dòng)機(jī)具有更大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，且電樞鐵心直徑可以做得較大，
ram—irra^w^m下電動(dòng)機(jī)的效率和輸出功率。為解決位置傳感器 控制易受干擾、占用電機(jī)內(nèi)部空間的問(wèn)題，無(wú)傳感器的位置信號(hào)檢測(cè)技術(shù) 逐漸引起研究者們的關(guān)注。目前的無(wú)位置傳感器技術(shù)，其機(jī)理多依賴對(duì)電 機(jī)基波方程的分析，適合于高轉(zhuǎn)速的應(yīng)用，在低速運(yùn)行時(shí)仍存在很多問(wèn)題； 此外對(duì)電機(jī)參數(shù)敏感，魯棒性較差；或者技術(shù)較復(fù)雜，難以實(shí)用。近年來(lái)，洛侖茲(Lorenz)等學(xué)者提出了凸極跟蹤法在電機(jī)的出線端注入三相平 衡高頻電壓信號(hào)，通過(guò)對(duì)電機(jī)內(nèi)部寄生或人為的不對(duì)稱性(凸極性)的檢測(cè) 來(lái)獲取轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子位 置的估計(jì)。從機(jī)理分析和仿真研究表明，該技術(shù)具有良好的應(yīng)用前景。
中國(guó)發(fā)明專利01113256. 6公開(kāi)了一種"直接驅(qū)動(dòng)釹鐵硼永磁外轉(zhuǎn)子同 步曳引機(jī)"，采用多極外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和特殊的二層環(huán)形定子結(jié)構(gòu)，外轉(zhuǎn)子同時(shí) 作為制動(dòng)輪，曳引輪固定在外轉(zhuǎn)子上，結(jié)構(gòu)緊湊，可取消齒輪實(shí)現(xiàn)直接驅(qū) 動(dòng)。電機(jī)小軸上安裝光電編碼器，采用兩套制動(dòng)部件實(shí)現(xiàn)制停。中國(guó)實(shí)用 新型專利200420020906.1公開(kāi)了一種"永磁無(wú)刷輪轂電機(jī)"，該裝置由電 機(jī)定子、電機(jī)轉(zhuǎn)子、軸和軸承等部件組成，電機(jī)為輪轂型外轉(zhuǎn)子及三相繞 組結(jié)構(gòu)。其特征是，轉(zhuǎn)子極與定子槽配合，磁極為瓦形，面向氣隙布置， 電機(jī)定子鐵心由兩段槽口不同的沖片疊成，寬槽口部放置霍爾位置傳感器 元件。
以上兩種外子直驅(qū)式永磁力矩伺服電機(jī)，在定子結(jié)構(gòu)上分別采用了不 同的特殊設(shè)計(jì)前者用二層環(huán)形定子結(jié)構(gòu)提高了運(yùn)行的平穩(wěn)性，后者特殊 的槽口設(shè)計(jì)便于安裝位置傳感器。二者外轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)均沿用傳統(tǒng)的表面貼裝 式磁路結(jié)構(gòu)，均采用位置傳感器伺服控制，對(duì)位置傳感器元件的安裝有一 定的空間需求，提高了電機(jī)成本。由于體積小，電機(jī)沒(méi)有專門的通風(fēng)冷卻 結(jié)構(gòu)，在長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)運(yùn)行情況下難以避免電機(jī)溫升或局部溫升過(guò)高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出的一種直驅(qū)式永磁同步力矩伺服電機(jī)，具有凸極結(jié)構(gòu)特性， 能夠?qū)崿F(xiàn)基于高頻信號(hào)注入凸極的無(wú)傳感器矢量控制，同時(shí)設(shè)置了散熱機(jī) 構(gòu)，避免電機(jī)淵度付高。
一種外轉(zhuǎn)子直驅(qū)式永磁同步力矩伺服電機(jī)，包括定子和轉(zhuǎn)子，定子包括 電機(jī)軸l、定子鐵心9和定子繞組8，電機(jī)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(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子鐵心6、永磁體7、前端蓋2和后 端蓋5，轉(zhuǎn)子鐵心6位于定子鐵心9上方，轉(zhuǎn)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和后端蓋5分別與電機(jī)軸1通過(guò)軸承相接， 轉(zhuǎn)子鐵心6位于兩端蓋之間，并與兩端蓋固定連接；
所述轉(zhuǎn)子鐵心6的內(nèi)表面均勻分布有凸出的轉(zhuǎn)子齒17，相鄰轉(zhuǎn)子齒17 之間固定有永磁體7;所述定子鐵心9內(nèi)部開(kāi)有軸向通孔16，軸向通孔16
內(nèi)放有空心銅管。
所述轉(zhuǎn)子齒(17)截面呈楔形；
所述前端蓋和后端蓋上開(kāi)有徑向或具有傾斜角度的條形通風(fēng)口。
本發(fā)明的技術(shù)效果體現(xiàn)在
(1) 瓦片形永磁體位于轉(zhuǎn)子鐵心的內(nèi)表面，嵌于鐵心內(nèi)壁凸出的轉(zhuǎn)子
齒之間，形成具有凸極性能的表面插入式外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)子齒截面采用楔 形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，相鄰兩楔形齒能夠?qū)η队谄溟g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(zhuǎn)子具有凸極結(jié)構(gòu)特性，可實(shí)現(xiàn)無(wú)傳感器矢量 控制
(2) 定子鐵心內(nèi)部繞有空心銅管，可通入空氣或者水，對(duì)定子鐵心進(jìn)行冷卻。
(3) 電機(jī)端蓋采用風(fēng)輪式設(shè)計(jì)，端蓋開(kāi)有數(shù)條徑向或帶有一定傾斜角度
的條形通風(fēng)口，使端蓋同時(shí)起到風(fēng)扇的作用，把電機(jī)的熱量帶出機(jī)外，降 低溫升。
本發(fā)明電機(jī)采用永磁同步電機(jī)原理，配合凸極外轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)，工藝
易于實(shí)現(xiàn)，配套控制系統(tǒng)的選擇也具有較大靈活性可采用傳統(tǒng)的位置傳 感器，如編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器等，對(duì)電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制；也能夠利用跟蹤 轉(zhuǎn)子凸極的高頻信號(hào)注入法，實(shí)現(xiàn)無(wú)傳感器矢量開(kāi)環(huán)控制，尤其適合在電
IIifciI通零諫下講行轉(zhuǎn)主位置估計(jì)」因此在低速gg^域有良好的應(yīng)用前
且 牙、。


圖1為為本發(fā)明電機(jī)的縱向剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明電機(jī)軸的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明電機(jī)定子橫向剖面結(jié)構(gòu)示意圖。 圖4為本發(fā)明電機(jī)外轉(zhuǎn)子橫向剖面結(jié)構(gòu)示意圖。 圖5為本發(fā)明端蓋橫向剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
圖1為本發(fā)明電機(jī)的縱向剖面結(jié)構(gòu)示意圖，電機(jī)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(jī)軸1與定子繞組8、定子鐵心9 一起組成電機(jī)定子。
定子鐵心9的上方設(shè)有轉(zhuǎn)子鐵心6，轉(zhuǎn)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(jī)軸1上分別套有前端蓋2和后端蓋5，轉(zhuǎn)子鐵心 6位于兩端蓋之間，兩端蓋分別通過(guò)前軸承13和后軸承4與電機(jī)軸1軸承 連接。兩軸承外側(cè)均安裝有波形彈簧片3，用以給軸承施加預(yù)應(yīng)力，減少軸 承運(yùn)轉(zhuǎn)的噪音，提高軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)精度與平穩(wěn)性。前，后端蓋2， 5分別與轉(zhuǎn) 子鐵心6固定連接，固定方式有多種，本實(shí)施例采用圓柱銷12依次穿過(guò)前 端蓋2、轉(zhuǎn)子鐵心6和后端蓋5，再使用緊固螺母10對(duì)其進(jìn)行緊固。前， 后端蓋2， 5、轉(zhuǎn)子鐵心6和永磁體7—起組成電子外轉(zhuǎn)子。在前端蓋2的 側(cè)面設(shè)有連軸器ll，用于連接外部負(fù)載設(shè)備。
圖2為本發(fā)明電機(jī)軸的結(jié)構(gòu)示意圖，電機(jī)軸采用中空結(jié)構(gòu)，軸的表而 徑向開(kāi)有一個(gè)與軸內(nèi)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為本發(fā)明電機(jī)定子橫向剖面結(jié)構(gòu)示意圖，定子鐵心9上均勻開(kāi)有 梯形槽15，定子繞組8嵌在梯形槽15內(nèi)，其端部引出線經(jīng)電機(jī)軸l的引出 線通道14引ttU定子鐵心9上^TO等徑開(kāi)有一HlfeW L W。數(shù)根空心 銅管穿過(guò)這些軸向通孔16繞制在定子鐵心9內(nèi)，空心銅管內(nèi)可通入空氣或 者水，用以對(duì)定子鐵心和端部進(jìn)行冷卻，空心銅管端部引出線也通過(guò)引出 線通道14引出。
圖4為本發(fā)明電機(jī)外轉(zhuǎn)子橫向剖面結(jié)構(gòu)示意圖，轉(zhuǎn)子鐵心6的內(nèi)表面 均勻分布有凸出的轉(zhuǎn)子齒17，相鄰轉(zhuǎn)子齒17之間安放有瓦片形永磁體7。轉(zhuǎn)子齒17截面呈楔形，相鄰兩楔形齒能夠?qū)η队谄溟g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(zhuǎn)子具有凸極結(jié)構(gòu)特性，可實(shí)現(xiàn) 無(wú)傳感器矢量控制。
圖5為本發(fā)明端蓋橫向剖面結(jié)構(gòu)示意圖，前、后端蓋2、 5均采用風(fēng)輪 式設(shè)計(jì)，兼有風(fēng)扇的作用。通過(guò)數(shù)條徑向條形通風(fēng)口 18，將電機(jī)熱量帶出 機(jī)外，降低溫升，也可設(shè)計(jì)為與徑向成一定傾角的斜條形通風(fēng)口 19。條形 通風(fēng)口 18或19采用流線型截面，靠近端蓋內(nèi)側(cè)的出口采用弧形過(guò)渡，以 減小風(fēng)阻。
此外，本發(fā)明還可在靠近永磁體磁極的位置設(shè)置磁性霍爾編碼器，也 可采用光電編碼器或者旋轉(zhuǎn)變壓器等，對(duì)電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制。也可以采用 凸極跟蹤法，在電機(jī)出線端注入三相平衡的高頻電壓信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)提取， 獲得轉(zhuǎn)子位置、速度信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)傳感器矢量開(kāi)環(huán)控制。這種方法尤 其適合低速和零速下的轉(zhuǎn)子位置估計(jì)。
權(quán)利要求
1、一種外轉(zhuǎn)子直驅(qū)式永磁同步力矩伺服電機(jī)，包括定子和轉(zhuǎn)子，定子包括電機(jī)軸(1)、定子鐵心(9)和定子繞組(8)，電機(jī)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(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子鐵心(6)、永磁體(7)、前端蓋(2)和后端蓋(5)，轉(zhuǎn)子鐵心(6)位于定子鐵心(9)上方，轉(zhuǎn)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)和后端蓋(5)分別與電機(jī)軸(1)通過(guò)軸承相接，轉(zhuǎn)子鐵心(6)位于兩端蓋之間，并與兩端蓋固定連接；其特征在于，所述轉(zhuǎn)子鐵心(6)的內(nèi)表面均勻分布有凸出的轉(zhuǎn)子齒(17)，相鄰轉(zhuǎn)子齒(17)之間固定有永磁體(7)；所述定子鐵心(9)內(nèi)部開(kāi)有軸向通孔(16)，軸向通孔(16)內(nèi)放有空心銅管。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種外轉(zhuǎn)子直驅(qū)式永磁同步力矩伺服電機(jī)， 其特征在于，所述轉(zhuǎn)子齒(17)截面呈楔形；
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種外轉(zhuǎn)子直驅(qū)式永磁同步力矩伺服電 機(jī)，其特征在于，所述前端蓋和后端蓋上開(kāi)有徑向或具有傾斜角度的條形 通風(fēng)口。
全文摘要
一種外轉(zhuǎn)子直驅(qū)式永磁同步力矩伺服電機(jī)，包括定子和轉(zhuǎn)子，定子包括電機(jī)軸、定子鐵心和定子繞組；轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子鐵心、永磁體、前端蓋和后端蓋。轉(zhuǎn)子鐵心的內(nèi)表面均勻分布有凸出的轉(zhuǎn)子齒，相鄰轉(zhuǎn)子齒之間固定有永磁體；定子鐵心內(nèi)部開(kāi)有軸向通孔，軸向通孔內(nèi)放有空心銅管。前后端蓋上均開(kāi)有徑向或具有傾斜角度的條形通風(fēng)口。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)有位置傳感器閉環(huán)控制或無(wú)位置傳感器矢量開(kāi)環(huán)控制，具備散熱功能，結(jié)構(gòu)緊湊、工藝簡(jiǎn)單、輸出轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速低、運(yùn)行可靠、高效節(jié)能，特別適用于電動(dòng)車輛和機(jī)械設(shè)備的直接驅(qū)動(dòng)。
文檔編號(hào)H02K21/22GK101459367SQ20081023747
公開(kāi)日2009年6月17日 申請(qǐng)日期2008年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月26日
發(fā)明者馮垚徑, 凱 楊, 黃文濤 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)