CN101005227A

CN101005227A - 同轴两段式四余度无刷直流力矩电动机

Info

Publication number: CN101005227A
Application number: CN 200710062758
Authority: CN
Inventors: 郭宏; 邢伟; ***; 王巍; 蔚永强
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University; Beijing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2007-01-16
Filing date: 2007-01-16
Publication date: 2007-07-25
Anticipated expiration: 2027-01-16
Also published as: CN100511926C

Abstract

本发明一种同轴两段式四余度无刷直流力矩电动机，它包括：一机壳、两个转子组件、两个定子组件、轴、轴承、隔磁板、绝缘端盖、后端盖、保护盖、电机引出线。其中，两个定子组件同轴串联，独立嵌线，每个定子组件内隔槽嵌放两套绕组形成两个电气余度，使整个电动机成为四余度；两个转子组件分别置于两个定子组件内，并串联在轴上，从而四个余度力矩通过轴直接综合为一个力矩输出，同时通过开错位槽的方式实现错极结构；两轴承分别置于机壳与后端盖的轴承室中，且分别位于轴的两端实现对轴的支撑；后端盖与机壳连接，并将上述组件封装在内；定子绕组通过电极引出线引出至机壳外；各定子绕组端部采用绝缘端盖防护；相邻的两个绝缘端盖之间放置一隔磁板。

Description

同轴两段式四余度无刷直流力矩电动机

一、技术领域：

本发明涉及一种四余度无刷直流电动机，特别是一种同轴两段式四余度无刷直流力矩电动机，可作为高精度、高可靠、容错的伺服控制***的伺服电动机，属于电动机技术领域。

二、背景技术：

多余度无刷直流电动机是航空、航天、武器***以及民用高可靠***中不可或缺的一种电动机，该类电动机主要针对电动机中故障率最高的一种故障一一绕组故障做了特殊设计。目前多余度无刷直流电动机的实现方式主要有两种：电气多余度和机械综合式多余度，电气多余度即在一个电动机定子槽内嵌放多套绕组，而机械综合式多余度即多台电动机通过齿轮副综合为一体。然而，电气多余度电动机的多个余度间存在强烈的电磁场耦合，所以一旦某个余度发生绕组故障，特别是短路故障，其他余度的绕组内也将产生很高的感应电动势，从而导致绕组绝缘击穿，短路绕组产生的热量同样可能烧坏完好绕组的绝缘，因此电气多余度电动机对绕组故障的容错能力比较有限。另外，如果电气多余度电动机多套绕组隔槽嵌放，则极对数很难做大，从而不易实现力矩电动机。

机械综合式多余度电动机的齿轮副不可避免地存在间隙，从而会导致控制滞环、死区、低频振荡问题，所以在高精度位置伺服中的应用受到限制。再者，机械综合式多余度电动机存在“力纷争”问题，即多台电动机瞬间力矩方向不一致性导致的振荡问题。另外，机械综合式多余度电动机存在功率密度低的问题，很难满足航空、航天等对产品功率密度要求高的应用领域。

三、发明内容：

本发明的目的是针对上述现有的两种多余度电动机存在的问题，克服其不足之处，提供一种高可靠、高精度伺服控制***用高功率密度的四余度无刷直流力矩电动机。

首先，采用同轴两段式结构，段问采用高磁导率、高电阻率软磁材料制成的隔磁板阻断了两段之间的电磁耦合通路，提供了两个电气上完全独立的单元，大大提高了电动机的容错能力。

其次，多个余度直接通过电动机转轴实现力矩综合，取消了齿轮副，省掉了几个端盖和轴承，比机械综合式多余度电动机集成度更高，功率密度更高，而且不存在“力纷争”问题，无控制滞环、死区等由齿轮副引入的非线性因素，因此，不存在低频振荡问题。

针对高精度伺服控制***的需求，本发明对电动机中影响控制***精度的重要因素——齿槽转矩做了结构上的特殊设计，采用转子或定子错极结构。

本发明的主要特征是同轴两段式结构，以及在此结构基础上为了减小齿槽转矩而采用的转子或定子错极结构。

本发明一种同轴两段式四余度无刷直流力矩电动机，其技术解决方案和技术途径为：

在一个机壳内封装两台无刷直流力矩电动机，两台电动机的两个转子通过电动机的轴串联为一体，从而两台电动机的力矩便通过轴直接综合为一个力矩输出。两台无刷直流力矩电动机的定子独立嵌线，彼此之间没有电的联系，并在相邻的两个端部采用绝缘端盖进行绝缘隔离。为了防止相邻的端部发生磁场耦合，在两个绝缘端盖之间放置一片软磁材料的隔磁板，使得每台电动机的端部漏磁场在隔磁板内被短路掉。每台电动机定子内隔槽嵌放两套绕组，形成两个电气余度，从而整个电动机是四余度。每台电动机的两套绕组只在端部有物理接触，如果采用有效的端部绝缘，可以很容易地解决这两个余度之间的短路问题。在上述结构基础上，为了满足高精度位置伺服控制应用的需要，本发明有效利用了两段式结构，实现转子或定子错极。两台电动机的定子和转子本身都是直槽结构，而在周向上两段转子或定子依次偏转一定角度。由于齿槽转矩也通过电动机转轴综合为一个力矩输出，错极后，每段的齿槽转矩在同一时刻具有不同的相位，通过选择合适的偏转角就可以使齿槽转矩的综合输出最小。从而，削弱了齿槽转矩对高精度位置伺服控制***的影响。轴在后端盖一端留有位置或速度传感器接口，可以用于安装旋转变压器或光电编码器等传感器装置，不安装传感器时接口通过保护盖覆盖保护。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种同轴两段式四余度无刷直流力矩电动机，它主要包括：一机壳、两个转子组件、两个定子组件、轴、轴承、隔磁板、绝缘端盖、后端盖、保护盖、电机引出线。

其中，两个定子组件同轴串联，独立嵌线，彼此之间没有电的联系，每个定子组件内隔槽嵌放两套绕组，形成两个电气余度，使整个电动机成为四余度；两个转子组件分别置于两个定子组件内，并串联在轴上，从而四个余度的力矩通过轴直接综合为一个力矩输出；同时，通过开错位槽的方式实现错极结构；两轴承分别置于机壳和后端盖的轴承室中，且分别位于轴的两端实现对轴的支撑；后端盖与机壳通过螺钉连接，并将上述组件封装在内；每个定子组件的三相定子绕组通过电极引出线引出至机壳外；轴在后端盖一端留有传感器接口，不安装传感器时其通过保护盖覆盖保护。各定子绕组端部采用绝缘端盖防护，相邻的两个绝缘端盖之间放置一隔磁板。

其中，该通过开错位槽的方式实现的错极结构，是指通过使两个转子组件在周向上依次偏转一定角度来实现转子错极。其中，该转子错极可通过在转子轭部开通槽和轴上开错位槽的方式实现，也可以通过在转子轭部开错位槽和轴上开通槽的方式实现。

其中，该通过开错位槽的方式实现的错极结构，是指通过使两个定子组件在周向上依次偏转一定角度来实现定子错极。其中，该定子错极可通过在定子轭部开通槽和机壳内壁开错位槽的方式实现，也可以通过在定子轭部开错位槽和机壳内壁开通槽的方式实现。

其中，该错极结构的错位角是按照θ＝θ_ct/M_r计算得出。

其中，该隔磁板采用高磁导率、高电阻率的软磁材料制成，它将分处于不同定子组件的定子绕组之间的电磁场完全隔开，形成相互独立的磁路，从而实现了相互之间无电磁干扰。

本发明一种同轴两段式四余度无刷直流力矩电动机的优点和功效是：

本发明集成度更高，功率密度更高，而且不存在“力纷争”问题，无控制滞环、死区等由齿轮副引入的非线性因素，因此，不存在低频振荡问题。电磁兼容性更好，容错能力更高。齿槽转矩小，可以用于高精度位置伺服控制***。

四、附图说明：

图1为本发明整体结构图；

图2为本发明定子绕组连接图；

图3为本发明轴向截面图；

图4为本发明两段转子错极截面示意图；

图5为本发明的转轴截面图。

图中具体标号如下：

1.定子组件 2.转子组件 3.后端盖

4.保护盖 5.6.轴承 7.隔磁板

8.定子绕组 9.绝缘端盖 10.电机引出线

11.机壳 12.轴 13.永磁磁钢

14.定子轭部的定位槽 15.转子轭部的键槽 16.转子铁心

17.定子铁心 18.通槽 19.传感器接口

A1、B1、C1--第一套绕组的引出端 X1、Y1、Z1--焊接点

A2、B2、C2--第二套绕组的引出端 X2、Y2、Z2--焊接点

五、具体实施方式：

本发明所提供的解决方案在具体实施时可以在转子轭部和转轴上开槽实现转子错极，也可以在定子轭部和机壳内壁开槽来实现转子错极。为实现错极，需要一个沿轴向的通槽和两个沿周向的错位槽。根据开通槽和错位槽的位置不同可以有四种实施方式：在转子轭部开通槽、转轴上开错位槽；在转子轭部丌错位槽、转轴上开通槽；在定子轭部丌通槽、机壳内壁开错位槽；在定子轭部开错位槽、机壳内壁开通槽。实施方式的选择需要根据机械强度分析和工艺实施的难以程度来确定。本发明在实施时采用了在转子轭部开错位槽、转轴上开通槽的方式，原因在于便于加工。

本发明一种同轴两段式四余度无刷直流力矩电动机，(见附图1至附图5)是由一机壳11、同轴串联的两个转子组件2、同轴串联的两个定子组件1、隔磁板7、绝缘端盖9、轴12、轴承5和6、后端盖3、保护盖4、电机引出线10组成，整个四余度电动机在一个机壳11内，四个余度的力矩通过轴12进行机械综合为一个输出力矩；轴12上开有通槽18，且其在后端盖3一端留有位置或速度传感器接口19，可以用于安装旋转变压器或光电编码器等传感器装置，不安装传感器时传感器接口19通过保护盖4覆盖保护。两个转子组件2通过键和轴12上的通槽18实现同轴串联，两个转子轭部的键槽15周向位置不同(见图4)，同轴串联后使得整个转子实现了错极结构；两个定子组件1通过键和机壳11内壁上的键槽(为通槽)实现同轴串联，两个定子轭部的定位槽14周向位置相同。

其中，每个转子组件2由转子铁心16和永磁磁钢13组成；其中，转子铁心16采用25^#圆钢车削、铣削而成；永磁磁钢13的材料为磁性能良好的稀土永磁体，永磁磁钢为瓦片形，用胶粘在转子铁心表面。

其中，每个定子组件1由定子铁心17和定子绕组8组成，其中，定子铁心17采用软磁材料制成，如电工纯铁、冷轧硅钢、铁镍合金、铁铝合金、1J22等，视电机性能要求而定。

其中，隔磁板17采用高磁导率、高电阻率的软磁材料制成，它将电动机两个机械余度之间的电磁场完全隔开，形成相互独立的磁路，从而实现了相互之间无电磁干扰。

转子错极时沿周向的角位移(错位角)可以按下述方法计算得到：

首先，确定齿槽转矩的周期

其中，2p为无刷直流电动机的极数；

Z为无刷直流电动机的槽数；

LCM{}代表取最小公倍数。

那么，错位角θ＝θ_ct/M_r，其中M_r为电动机的余度数，在本发明中取2。在本实施方案内，2p＝6，Z＝36，从而得到θ_ct＝10°，θ＝5°。

本发明所提供的实施方案中，电动机采用三相双层集中整距叠绕组，定子为36槽，绕组节距为6，如图2所示。每个定子内隔槽嵌放两套定子绕组，形成两个电气余度，如图2，A1、B1、C1为第一套绕组的引出端，X1、Y1、Z1在电动机内焊接为一个点，可以作为第一套绕组的中点，根据需要可以引出到机壳外；A2、B2、C2为隔槽嵌放的第二套绕组的引出端，X2、Y2、Z2在电动机内焊接为一个点，可以作为第二套绕组的中点，根据需要可以引出到机壳外。

Claims

1.本发明一种同轴两段式四余度无刷直流力矩电动机，其特征在于：它主要包括：一机壳、两个转子组件、两个定子组件、轴、轴承、隔磁板、绝缘端盖、后端盖、保护盖、电机引出线；

其中，两个定子组件同轴串联，独立嵌线，彼此之间没有电的联系；每个定子组件内隔槽嵌放两套绕组，形成两个电气余度，使整个电动机成为四余度；两个转子组件分别置于两个定子组件内，并串联在轴上，从而四个余度的力矩通过轴直接综合为一个力矩输出，同时，通过开错位槽的方式实现错极结构；两轴承分别置于机壳与后端盖的轴承室中，且分别位于轴的两端实现对轴的支撑；后端盖与机壳通过螺钉连接，并将上述组件封装在内；每个定子组件的三相定子绕组通过电机引出线引出至机壳外；轴在后端盖一端留有传感器接口，不安装传感器时其通过保护盖覆盖保护；各定子绕组端部采用绝缘端盖防护；相邻的两个绝缘端盖之间放置一隔磁板。

2.如权利要求1所述的同轴两段式四余度无刷直流力矩电动机，其特征在于：该通过开错位槽的方式实现的错极结构，是指通过使两个转子组件在周向上依次偏转一定角度来实现转子错极。

3.如权利要求2所述的同轴两段式四余度无刷直流力矩电动机，其特征在于：该转子错极是通过在转子轭部开通槽和轴上开错位槽的方式实现。

4.如权利要求2所述的同轴两段式四余度无刷直流力矩电动机，其特征在于：该转子错极是通过在转子轭部开错位槽和轴上开通槽的方式实现。

5.如权利要求1所述的同轴两段式四余度无刷直流力矩电动机，其特征在于：该通过开错位槽的方式实现的错极结构，是指通过使两个定子组件在周向上依次偏转一定角度来实现定子错极。

6.如权利要求5所述的同轴两段式四余度无刷直流力矩电动机，其特征在于：该定子错极是通过在定子轭部开通槽和机壳内壁开错位槽的方式实现。

7.如权利要求5所述的同轴两段式四余度无刷直流力矩电动机，其特征在于：该定子错极是通过在定子轭部开错位槽和机壳内壁开通槽的方式实现。

8.如权利要求1所述的同轴两段式四余度无刷直流力矩电动机，其特征在于：该错极结构的错位角是按照θ＝θ_ct/M_r计算得出。

9.如权利要求1所述的同轴两段式四余度无刷直流力矩电动机，其特征在于：该隔磁板采用高磁导率、高电阻率的软磁材料制成，它将分处于不同定子组件的定子绕组之间的电磁场完全隔开，形成相互独立的磁路，从而实现了相互之间无电磁干扰。