基于交替极的模块化永磁复合自减速伺服电机制造技术

本发明专利技术公开了一种基于交替极的模块化永磁复合自减速伺服电机，其包含电枢绕组以及从内至外依次同轴设置的内定子固定环，内定子模块、外转子和不导磁铝壳。其中，不导磁铝壳上的燕尾凸起能够与外转子外侧燕尾槽咬合，以增强转子鲁棒性；内定子为模块化结构，且分为主、副齿；内定子主齿上有两个分裂齿；内定子副齿没有分裂齿；内定子副齿与内定子主齿上的分裂齿在尺寸上一致；每个内定子模块的定子轭部均设有多边形凹槽与多边形凸起，保证各内定子模块稳定咬合；转子上置有极性相同的交替极磁钢，磁钢外侧采用弧形结构以增加永磁极的基波含量；电枢绕组以隔齿绕的方式绕制在内定子主齿上，以增强电枢绕组的相间磁、热隔离。

Modular permanent magnet composite self decelerating servo motor based on alternating pole

The invention discloses a modular permanent magnet composite self decelerating servo motor based on alternating pole, which comprises armature winding, inner stator fixing ring arranged coaxially from inside to outside, inner stator module, outer rotor and non magnetic aluminum shell. Among them, the dovetail protrusion on the non-magnetic aluminum shell can engage with the dovetail groove on the outside of the outer rotor to enhance the robustness of the rotor; the inner stator is a modular structure, which is divided into primary and secondary teeth; the inner stator main teeth has two split teeth; the inner stator secondary teeth have no split teeth; the inner stator secondary teeth and the split teeth on the inner stator main teeth are the same in size; the stator yoke of each inner stator module is provided with There are polygonal grooves and polygonal bulges to ensure the stable engagement of each inner stator module; the rotor is equipped with alternating pole magnetic steel with the same polarity, and the outer side of the magnetic steel adopts arc structure to increase the fundamental wave content of the permanent magnetic pole; the armature winding is wound on the inner stator main tooth in the way of gear separation to enhance the phase to phase magnetic and thermal isolation of the armature winding.

【技术实现步骤摘要】
基于交替极的模块化永磁复合自减速伺服电机
本专利技术涉及电机结构设计领域，特别是一种基于交替极的模块化永磁复合自减速伺服电机。
技术介绍
随着电机技术的不断发展，交流伺服电机凭借着其出色的性能和低廉的成本，已经开始逐渐替代直流电机，成为了伺服系统中重要的电机类型。由于交流伺服电机在机床、印刷设备、包装设备、纺织设备、激光加工设备、机器人、电子、制药、金融机具、自动化生产线等相关领域都有着非常广泛的应用，已成为了近年来的研究热点之一。随着交流伺服电机的快速普及，企业对于交流伺服电机的需求量也日益增大。据不完全统计，我国相关行业对于伺服电机的需求量从2014年的385万台，猛增至2017年的872万台，行业前景非常可观。但问题也随之而来，由于生产条件及技术的制约，使得我国本土伺服电机企业在产品供应上出现了明显的产能不足。同时，随着伺服电机的广泛应用，对伺服电机的控制精度、效率以及输出能力上也有了更高的要求。如上所述，虽然伺服电机的工作速域相对较低，但在输出转矩、控制精度、加工工艺以及结构可靠性上都有着较高的要求。通常情况下，伺服电机在机器人应用中对其关节转速的要求不高，一般保持在每秒两、三转左右。因此，伺服电机通常需要配以机械齿轮箱进行降速。与常规永磁电机相比，自减速电机将原动机和磁齿轮整合为一体，从而能够以更低的成本实现更高的自减速能力，并且有助于实现更精确的转速控制。除此之外，由于电机自带减速能力，可有效替代传统的齿轮箱，消除机械上的摩擦损耗，并有效降低传动噪音等缺陷，提升传动效率。目前，自减速伺服电机主要为游标电机结构。即通过定、转子之间的场调制作用来实现电机的自减速功能。首先，由于伺服电机的电枢绕组极对数通常为定子齿数和转子极对数之差的绝对值，因而其减速比通常是由定子齿数和磁钢极对数所共同决定的；其次，由于槽极配比的制约，电枢绕组通常会以整数槽分布绕组的型式进行绕制，因而使得绕线方式更为复杂，端部绕组更大，这会增加电机的电损耗与绕组轴向所占空间；并且，由于电机结构较为复杂，会使整套设备的可靠性下降，增加后期的维护难度。同时，为较好地实现自减速功能，电机的转子极对数通常设计的较大，以达到低速大转矩的目的，但这也会带来极间漏磁增大、磁钢用量增多以及转子可靠性降低等诸多问题。为获得更大的转矩密度以及更低的空载反电势畸变率，部分自减速电机采用了Halbach阵列的转子结构，这将进一步增加转子安装时的复杂程度，并使得电机成本大幅增高。除此之外，为降低转子的漏磁问题，并提高磁钢设计的自由度，部分伺服电机开始尝试运用交替极的设计思路，即采用铁芯极替代原有的部分磁钢，以减少漏磁与制造成本，但由于磁钢用量相对较少，会使得电机的电磁性能出现一定程度的下降。因此，磁钢的交替极构型需要进行优化设计，以确保伺服电机具备具体应用场合所要求的转矩密度和功率密度。同时，通过绕组理论可知，由于传统伺服电机采用整数槽分布绕组的绕制方式，其绕线结构较为复杂，端部较大，因而相间互感和绕组温升较为严重，不利于电机长时间运行，并增加了电机组装及后期故障排查的难度。因此，有必要对传统伺服电机的结构进行优化设计。由于传统游标电机存在上述种种限制，因而需要设计一种具有自减速功能新型电机，旨在提高减速比的同时，简化绕组结构，使得自减速电机能够在减少端部绕组所占空间，且能够有效实现磁、热隔离。此外，该类结构还需要在降低磁钢用量的前提下，尽可能地保证永磁电机的电磁性能。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提出一种基于交替极的模块化永磁复合自减速伺服电机。该种结构采用隔齿绕的方式，极大地降低了端部绕组所占空间，并通过不等齿结构有效实现了电机的热、磁隔离；并可在降低永磁体用量的同时，最大程度地保证电机的电磁性能，提高电机的永磁利用率。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种基于交替极的模块化永磁复合自减速伺服电机，包括电枢绕组以及从内至外依次同轴设置的内定子固定环、内定子模块、外转子和不导磁铝壳；所述外转子和内定子模块之间有空气气隙；所述外转子中设置有永磁体；所述内定子模块轭部内侧与外转子轭部外侧均设置有燕尾槽。所述内定子模块包括主齿模块和副齿模块，其中主齿模块和副齿模块交替分布，每个主齿模块上有两个分裂齿，副齿模块上无分裂齿，以此增大电机的减速比系数；主、副齿均不含极靴；每个主齿和副齿均为独立定子模块；每个定子模块的轭部均含有相同规格的多边形凹槽和凸起。内定子内侧设有模块固定环，以进一步地固定住各内定子模块，使得内定子可靠性更强。内定子上绕有三相电枢绕组，并以隔齿绕的方式绕制在主齿赤身上，相邻相绕组间隔有副齿。由于相邻电枢绕组间设有副齿，因而可极大地降低不同相序电枢绕组之间的相互影响。电枢绕组的极对数为定子总齿数和转子极对数之差的绝对值。主齿模块和副齿模块通过内定子多边形槽/凸起1进行咬合，所述内定子模块的边缘设置有燕尾槽15，所述燕尾槽能够和内定子模块固定环相卡合，进一步增加内定子模块结构的稳定性，使合成后的内定子鲁棒性更强。作为本专利技术的一种改进，外转子上设置有基于交替极结构的磁钢，这样既能降低电机的稀土材料用量，还能保证永磁电机固有的电磁特性。作为本专利技术的一种改进，外转子轭部外侧设有一同轴不导磁铝壳，不导磁铝壳上设有燕尾凸起，能够与外转子外侧燕尾槽咬合，以此增加转子运转时的稳定性。并且，由于铝壳不导磁的特性，电机原有的磁路并不会受到影响。作为本专利技术的一种改进，内定子上绕有三相电枢绕组，并以隔齿绕的方式绕制在主齿赤身上，相邻相绕组间隔有副齿。主、副齿交替分布，且能够通过副齿有效实现各绕组间的热、磁隔离，并大幅度降低电枢绕组的相间互感。作为本专利技术的一种改进，电枢绕组以分数槽集中绕组的绕线方式进行绕制，可减小端部绕组空间，降低铜耗，并提高电机效率。作为本专利技术的一种改进，外转子上的磁钢为交替极结构，磁钢与转子相贴合的一面为弧形结构，转子中的磁钢为同极性，且相邻永磁极间隔有铁芯极作为磁路。相比于常规表贴式磁钢，该新型弧形磁钢结构能够在相同永磁体用量下，提供更多的转子基波成分，以增强电机的转矩输出能力。作为本专利技术的一种改进，所述内定子内侧设置有模块固定环，以进一步地固定住各内定子模块，使得内定子可靠性更强；内定子主齿上分裂齿的齿宽与副齿齿宽相等，其尺寸略小于主齿齿身的宽度；外转子上的永磁体内嵌在转子中，外转子磁钢槽内侧边缘有凸起，以便于卡住磁钢，外转子外侧有燕尾槽，能与不导磁铝壳内侧燕尾凸起相咬合，以增强转子鲁棒性。本专利技术具有如下有益效果：(1)通过一种基于交替极的模块化永磁复合自减速伺服电机结构，在气隙中调制出与电枢绕组极对数相等的谐波，由于基波极对数大于调制谐波极对数，因而能够在伺服电机保持电流频率一定的前提下，降低转子额定转速，以实现电机的自减速能力。(2)外转子内的永磁体外侧为弧形，即可使同一块磁钢在不同弧度位置的磁动势不同，这样能够在保证永磁体用量不变的情况下，增大转子的基波幅值，提高了永磁体利用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于交替极的模块化永磁复合自减速伺服电机，其特征在于：包括电枢绕组以及从内至外依次同轴设置的内定子固定环、内定子模块、外转子和不导磁铝壳；所述外转子和内定子模块之间有空气气隙；所述外转子中设置有永磁体；所述内定子模块轭部内侧与外转子轭部外侧均设置有燕尾槽。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于交替极的模块化永磁复合自减速伺服电机，其特征在于：包括电枢绕组以及从内至外依次同轴设置的内定子固定环、内定子模块、外转子和不导磁铝壳；所述外转子和内定子模块之间有空气气隙；所述外转子中设置有永磁体；所述内定子模块轭部内侧与外转子轭部外侧均设置有燕尾槽。


2.根据权利要求1所述的一种基于交替极的模块化永磁复合自减速伺服电机，其特征在于：所述内定子模块包括主齿模块和副齿模块，其中主齿模块和副齿模块交替分布，每个主齿模块上有两个分裂齿，副齿模块上无分裂齿，以此增大电机的减速比系数。


3.根据权利要求2所述的一种基于交替极的模块化永磁复合自减速伺服电机，其特征在于：主齿模块和副齿模块通过内定子多边形槽/凸起1进行咬合，所述内定子模块的边缘设置有燕尾槽15，所述燕尾槽能够和内定子模块固定环相卡合。


4.根据权利要求2或3所述的一种基于交替极的模块化永磁复合自减速伺服电机，其特征在于：外转子上设置有基于交替极结构的磁钢。


5.根据权利要求4所述的一种基于交替极的模块化永磁复合自减速伺...

【专利技术属性】
技术研发人员：樊英，瞿广宇，梅叶依，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32