CN101951103A - 大扭矩微型直流永磁同步伺服电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大扭矩微型直流永磁同步伺服电机。本发明所要解决的技术问题是提供一种大扭矩微型直流永磁同步伺服电机，保证其输出功率和扭力可以带动厚料机等大型负载的缝制设备，同时使电机轻便小巧。解决该问题的技术方案是：大扭矩微型直流永磁同步伺服电机，具有机壳，其内壁设置定子，该定子同轴内嵌转子，电机输出轴上安装光电编码器，其特点是转子包括过轴承安装于机壳上的转轴，转轴上同轴安装圆柱形转子铁芯，转子铁芯的外圆周面上均匀开设一组轴向槽孔，该槽孔内插装与之相匹配的永磁体，转子铁芯两端设置用于紧固永磁体及转子铁芯的筒状紧固件。本发明主要用于高速缝制设备，尤其是高速厚料机和同步车伺服控制***。

Description

大扭矩微型直流永磁同步伺服电机

技术领域

本发明涉及一种伺服电机，特别是一种大扭矩微型直流永磁同步伺服电机，主要适用于高速缝制设备，尤其是高速厚料机和同步车伺服控制***。

背景技术

我国缝制设备性能随着计算机控制技术和变频技术的发展有了很大的提高。在缝制设备的使用中，直流伺服电机的应用越来越广泛，不仅在工业缝纫机领域逐步替代了之前的离合式电机，而且在家用缝纫机中也开始普及应用。直流伺服电机的励磁绕组和转子部分分别由两个独立电源供电。也有永磁式的即转子是永久磁铁，其具有良好的调速特性、较大的启动转矩和功率，易于控制及响应快等优点，在缝纫机伺服控制***中开始广泛应用。相比较于其他电机，直流伺服电机具有机械特性较硬、输出功率较大、不自转，启动转矩大等优点。

与此同时，缝纫机厂家对缝纫机伺服控制器的要求也越来越高，不仅能适用于平缝机，还要适用于各种特殊机型。在特种机领域，特别是厚料机和同步车方面，由于针对的面料为牛仔布、帆布、人造革、牛皮等，这些面料厚度大，材质密，强度高，因此需要较大的扭力和穿透力。受功率和扭矩的限制，在特种机型中，微型直流伺服电机的应用还显不够。传统的伺服电机是稀土电机，电机体积较大，造成安装工艺复杂，运输成本较大，外型不够美观，且无法以直驱形式安装在缝纫机头内，以直驱形式使用。而普通的微型直流伺服电机依然存在低频、低压、低速时的转矩不够平稳，进而影响低速段运行不理想的缺点。用微型直流伺服电机驱动大负载的厚料缝纫机头，成为一个难点。但随着电机工艺的提高，电机功率的增加，微型直流伺服电机已经成为了一个趋势。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题提供一种结构简单、体积小的大扭矩微型直流永磁同步伺服电机，既能保证其输出功率和扭力可以带动厚料机等大型负载的缝制设备，又可以使伺服电机的结构尽可能的轻便简洁小巧，利于安装，以最终实现微型伺服电机的大功率驱动。

本发明所采用的技术方案是：大扭矩微型直流永磁同步伺服电机，具有机壳，其内壁设置定子，该定子同轴内嵌可绕其轴线转动的转子，所述电机输出轴上安装光电编码器，其特征在于：所述转子包括转轴，其两端分别通过轴承安装于机壳上，转轴上同轴安装圆柱形转子铁芯，转子铁芯的外圆周面上均匀开设一组轴向槽孔，该槽孔内插装与之相匹配且采用钕铁硼磁钢制成的永磁体，转子铁芯两端设置用于紧固永磁体及转子铁芯的筒状紧固件。

所述转子铁芯由一组薄片形转子冲片紧贴叠压而成。

所述定子内径为40mm，永磁体的宽度为21.4mm，转子外径为37.5mm。

所述定子包括由一组薄片形定子冲片紧贴叠压而成的套筒状定子铁芯，该定子铁芯内周面沿其径向向内延伸出若干极柱，相邻两个极柱之间形成一贯通两端的嵌线槽，各嵌线槽之间相互平行且均相对于定子轴线倾斜布置，所述嵌线槽内绕有线圈。

所述机壳包括中空体、前端盖和后端盖，三者通过通孔螺丝紧密连接，形成密封腔体，其长、宽、高分别为10.8cm、8cm、8cm。

所述光电编码器包括安装在转轴输出端上的编码盘以及编码盘外侧与之相匹配的线路板，该线路板固定安装于前端盖上。

所述编码盘的边缘沿径向开有360条窄缝。

所述线路板上朝向编码盘一侧分别安装一个测速光耦和三个相位光耦。

所述光电编码器外罩黑色塑料防尘罩。

本发明的有益效果是：本发明以直流同步伺服电机为主体，通过对电机气隙磁场进行分析，在定子内径不变的情况下，对电机转子尺寸(转子外径和转子永磁体宽度)进行优化设计，并集合数字信号处理器、智能功率模块等平台，设计了基于大功率驱动的微型伺服电机及控制***，通过对高速厚料机、同步车的样机测试，可以在2500rpm的运转速度下，穿透80张标准A4纸或者12层0.3mm-0.5mm牛皮料，超过了普通伺服电机的穿透能力。同时在现有技术中缝制设备从薄料向厚料的过渡缝制是一个难点，需要有较大的扭力来完成该“爬坡”过程，本发明电机可以完成从2层突然增厚到6层牛皮料的过渡缝制工作，解决了厚料机在高速运转情况下负载自适应、速度闭环控制高实时性、位置控制精度等关键技术。

此外，本发明电机外壳截面宽度为8cm，长度为10.8cm，相对于原有的稀土电机体积为原来的1/3左右，使电机的安装尺寸缩小，也节省了原材料，便于运输和包装，同时小体积电机可以安装于缝纫机头内部，使厚料缝制设备的直驱化的传动方式成为了可能，真正实现了内嵌式的节能环保设计。

附图说明

图1是本发明的主视图。

图2是本发明中电机后端盖的主视图。

图3是本发明中电机前端盖的主视图。

图4是图1的B-B向剖视图。

图5是本发明中外壳及定子的横截面图。

图6是本发明中定子冲片的结构图。

图7是本发明中转子的主视图。

图8是图7的A-A向剖视图。

图9是图7的C-C向剖视图。

图10是本发明中转子冲片结构图。

图11是本发明中编码盘的主视图。

图12是本发明中编码盘的左视图。

图13是本发明中线路板的左视图。

图14是本发明中线路板的主视图。

图15是本发明中塑料防尘罩的主视图。

图16是本发明中塑料防尘罩的左视图。

具体实施方式

如图1-图3所示，本实施例包括机壳3，其内壁固定安装定子1，该定子同轴内嵌可绕其轴线转动的转子2，所述电机输出轴上安装光电编码器4作为速度相位信号检测器。其中机壳3包括中空体3-1、前端盖3-2和后端盖3-3，其中外壳3-1为拉伸铝型材，前端盖3-2及后端盖3-3为压铸铝，具有重量轻，散热好的特点，三者通过通孔螺丝3-4紧密连接，形成密封腔体，其长、宽、高分别为10.8cm、8cm、8cm。

如图4-图6所示，所述定子1用于产生磁场，它包括由一组定子冲片1-3(硅钢片)紧贴叠压而成的套筒状定子铁芯，本例中，定子冲片1-3为横截面呈类似环形的片状，紧贴机壳3内壁固定，定子冲片1-3内周面沿其径向向内延伸出若干个齿1-3-1，相邻两个齿1-3-1之间预留槽1-3-2，各定子冲片1-3上的齿1-3-1对齐形成极柱1-5，各槽1-3-2对齐形成贯通两端的嵌线槽1-4，各嵌线槽1-4之间相互平行且均相对于定子1轴线倾斜布置，定子铁芯外通过嵌线槽1-4绕有线圈1-2，靠外加励磁电流产生磁场。相邻的两个嵌线槽1-4之间部位的内圆处，均至少设置有一个极柱1-5，它解决了现有技术电机起动和运行平稳性差的问题。本发明定子1安装完成后，其内径为40mm。

如图7-图10所示，所述转子2包括转轴2-4，其两端分别通过轴承2-5安装于机壳3上，对直流伺服电机的转子2进行固定，消除轴向的位移；转轴2-4上同轴安装圆柱形转子铁芯2-1，本例中，转子铁芯由一组薄片形转子冲片2-1-1(硅钢片)紧贴叠压而成。转子铁芯2-1的外圆周面上均匀开设一组轴向槽孔2-2，该槽孔内插装与之相匹配且采用钕铁硼磁钢制成的永磁体2-3，所述槽孔2-2和永磁体2-3横截面均为圆弧形，相邻两个槽孔2-2之间留有漏磁磁路(图10中转子冲片外圆周上四个凸起部位)，轭部为主磁路，转子铁芯2-1两端设置筒状紧固件2-6，一方面用于紧固转子铁芯2-1，使之成为一体，另一方面用于防止永磁体2-3从转子铁芯2-1上脱落。本例在定子1内径已定(40mm)的情况下，进行优化设计：永磁体2-3宽度(即永磁体横截面弧长)为21.4mm，转子2外径为37.5mm，因此永磁体2-3只能设置两对共四个。直流伺服电动机是在定子1磁场的作用下，使转子2受到电磁转矩的驱使，带动负载旋转。

如图11-图14所示，所述光电编码器设置在前端盖3-2外侧，包括安装在转轴2-4输出端上的编码盘4-1以及编码盘4-1外侧与之相匹配的线路板4-2，该线路板固定安装于前端盖3-2上。其中编码盘4-1的边缘沿径向开有360条窄缝，相对于以往的电机精度更大，编码盘4-1用一轴套4-1-1和螺钉4-1-2固定在伺服电机的转轴2-4上；所述线路板4-2上朝向编码盘4-1一侧分别安装一个测速光耦4-2-1和三个相位光耦4-2-2，其中测速光耦4-2-1计脉冲信号，通过信号线传输给CPU，以计算伺服电机转速；相位光耦4-2-2计相位信号，通过排列组合，产生6个相位，并传输给CPU以确定伺服电机的相位。本结构装配完成后，编码盘4-1带有窄缝的边缘处刚好挡住测速光耦4-2-1和相位光耦4-2-2的光路，利用窄缝实现测速光耦4-2-1和相位光耦4-2-2光路的导通。如图15、图16所示，所述光电编码器4外罩黑色塑料防尘罩3-5与前端盖3-2可拆卸连接，形成一个封闭空间，隔绝外部光线，并防止灰尘进入。

本发明的设计原理是：本发明直流伺服电机的控制方式主要是励磁磁场控制，即通过改变励磁电流的大小来改变定子1的磁场强度，从而控制电机的转速和输出转矩。因此在电流一定的情况下，对于直流伺服电机来说，定子1的线圈1-2内通入三相正弦电流，为产生稳定的推力，要求电机气隙磁场必须呈正弦分布。在电机极距保持不变的情况下，影响电机气隙磁场分布的参数主要是永磁体2-3的宽度和转子2的半径。本发明采用的是空心式绕组结构，因此不存在传统永磁电机的齿槽力波动问题，其输出功率波动主要取决于气隙磁场分布的正弦性。本发明通过对电机气隙磁场进行分析，主要是对电机转子2尺寸进行优化设计，提高磁场分布的正弦性，从而使电机输出功率更加稳定。通过分析发现，永磁体2-3宽度不仅影响磁通密度基波的幅值，而且对磁密分布的正弦性影响很大。本发明的定子1内径选择为40mm，通过计算其极距为31.4mm。为尽量减小磁场分布的谐波分量，选取了永磁体2-3的宽度为21.4mm，永磁体2-3宽度和极距比τm/τ＝0.68左右。由于转子2的半径对磁通密度分布的正弦性影响较小，因此只考虑它对基波幅值的影响，一般选取转子2半径对极距比R/τ＝0.4～0.7，本发明转子部分2选取外径为37.5mm，则半径为18.75mm，因此转子部分2半径对极距比R/τ＝0.6。

本发明以简单的方法对转子2的半径和永磁体2-3的宽度进行设计，使电动机的电机磁场分布为正弦波形。同时采取定子斜槽(即各嵌线槽均相对于定子轴线倾斜布置)、绕组短距(即在两个线圈绕组的有效边所跨的槽数少)措施并调整气隙(即定子与转子之间的空隙)尺寸，能使电动机反电势波形畸变率小于1％，从而使与正弦波形的驱动器达到最佳的匹配效果。

本发明具有广泛的通用性，不仅可以使用于缝制设备中，还可以延伸至轻工、纺织等行业设备的应用，甚至可以使用于通用伺服中，对电机及相关行业可以进行技术改造，并推动相关行业的进步。

Claims (9)

1.一种大扭矩微型直流永磁同步伺服电机，具有机壳(3)，其内壁设置定子(1)，该定子同轴内嵌可绕其轴线转动的转子(2)，所述电机输出轴上安装光电编码器(4)，其特征在于：所述转子(2)包括转轴(2-4)，其两端分别通过轴承(2-5)安装于机壳(3)上，转轴(2-4)上同轴安装圆柱形转子铁芯(2-1)，转子铁芯(2-1)的外圆周面上均匀开设一组轴向槽孔(2-2)，该槽孔内插装与之相匹配且采用钕铁硼磁钢制成的永磁体(2-3)，转子铁芯(2-1)两端设置用于紧固永磁体(2-3)及转子铁芯(2-1)的筒状紧固件(2-6)。

2.根据权利要求1所述的大扭矩微型直流永磁同步伺服电机，其特征在于：所述转子铁芯(2-1)由一组薄片形转子冲片(2-1-1)紧贴叠压而成。

3.根据权利要求1或2所述的大扭矩微型直流永磁同步伺服电机，其特征在于：所述定子(1)内径为40mm，永磁体(2-3)的宽度为21.4mm，转子(2)外径为37.5mm。

4.根据权利要求1或2所述的大扭矩微型直流永磁同步伺服电机，其特征在于：所述定子(1)包括由一组薄片形定子冲片(1-3)紧贴叠压而成的套筒状定子铁芯，该定子铁芯内周面沿其径向向内延伸出若干极柱(1-5)，相邻两个极柱(1-5)之间形成一贯通两端的嵌线槽(1-4)，各嵌线槽(1-4)之间相互平行且均相对于定子(1)轴线倾斜布置，所述嵌线槽(1-4)内绕有线圈(1-2)。

5.根据权利要求1或2所述的大扭矩微型直流永磁同步伺服电机，其特征在于：所述机壳(3)包括中空体(3-1)、前端盖(3-2)和后端盖(3-3)，三者通过通孔螺丝(3-4)紧密连接，形成密封腔体，其长、宽、高分别为10.8cm、8cm、8cm。

6.根据权利要求5所述的大扭矩微型直流永磁同步伺服电机，其特征在于：所述光电编码器(4)包括安装在转轴(2-4)输出端上的编码盘(4-1)以及编码盘(4-1)外侧与之相匹配的线路板(4-2)，该线路板固定安装于前端盖(3-2)上。

7.根据权利要求6所述的大扭矩微型直流永磁同步伺服电机，其特征在于：所述编码盘(4-1)的边缘沿径向开有360条窄缝。

8.根据权利要求6所述的大扭矩微型直流永磁同步伺服电机，其特征在于：所述线路板(4-2)上朝向编码盘(4-1)一侧分别安装一个测速光耦(4-2-1)和三个相位光耦(4-2-2)。

9.根据权利要求1或2所述的大扭矩微型直流永磁同步伺服电机，其特征在于：所述光电编码器(4)外罩黑色塑料防尘罩(3-5)。

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