CN104600945A - 一种高比功率宽调速伺服电机 - Google Patents

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Abstract

本发明属于伺服电机，具体公开一种在小体积条件下实现的高比功率宽调速伺服电机，它包括定子、转子、机壳、端盖、旋转变压器、卡箍和尾罩，定子包括定子铁芯和三相绕组，定子铁芯采用9槽结构，转子包括转轴、磁钢、磁轭、前挡板、后挡板、钢套、前轴承和后轴承，转子磁钢采用8极结构，且长径比为2.5。在外形尺寸为Φ45mm×125mm的空间内，实现了500W伺服电机的轻小型化结构设计，也实现了0.7kW/kg的高比功率和0～12000rpm的高调速范围。

Description

一种高比功率宽调速伺服电机
技术领域
本发明属于伺服电机，具体涉及一种在小体积条件下实现的高比功率宽调速伺服电机。
背景技术
伺服技术是机电一体化的重要组成部分，广泛应用于军工、现代工业和日常生活中，如运载火箭发动机喷管位置摆动、卫星姿态控制、导弹舵机姿态控制、数控机床、工业机器人等自动化设备中。永磁同步伺服电机无换向器、无电刷、具有优良的低速性能、转矩电流比高、效率高、动态响应快、控制简单，适应高性能伺服驱动的要求，近年来广泛应用于国防、工农业生产等领域的高伺服性能、高可靠性的中小容量传动领域。
目前，航空、航天领域等伺服机构的电机产品在飞行时要承受高温环境，同时具有多种工况下的适应能力，对重量、体积要求较为严格。市场上生产的小型伺服电机体积较大（一般大于Φ60mm×100mm），比功率较低（一般小于0.4kW/kg），供电电压较大（一般为AC200V～230V），调速范围较窄（一般为0～6000rpm）。不能满足对电压、速度以及环境有特殊要求的***和场合。
小体积和高比功率宽调速是一对技术上的矛盾，现有技术所提供的伺服电机结构都不能将二者比较好的结合。
发明内容
本发明的目的在于提供一种体积小、比功率高、调速范围宽的伺服电机。
实现本发明目的的技术方案：一种高比功率宽调速伺服电机，它包括定子、转子、机壳、端盖、旋转变压器、卡箍和尾罩，定子设在转子外部，旋转变压器的输入端与转子的转轴连接，定子和转子设在机壳内部，端盖的右端与机壳的左端固定连接，尾罩的右端与端盖的左端固定连接，旋转变压器设在尾罩和端盖内部，旋转变压器通过卡箍与端盖内壁连接。
所述的定子包括定子铁芯和三相绕组，三相绕组设在定子铁芯内部，定子铁芯上沿周向均匀开有若干个槽，每个槽的槽口处均各自设有槽楔，每个槽内均各自设有槽绝缘，槽绝缘分别与定子铁芯的内壁和槽楔的顶端连接，每个槽内均各自设有层间绝缘，层间绝缘的两端分别与槽绝缘的两侧内壁连接，层间绝缘将槽内分为两层，每层内平行排布若干匝三相绕组。
所述的定子铁芯上沿周向均匀开有9个槽。
所述的转子包括转轴、磁钢、磁轭、前挡板、后挡板、钢套、前轴承和后轴承，磁轭设在转轴外部，若干个磁钢均匀地设在磁轭外部，磁钢外部设有钢套，钢套的右端设有前挡板，钢套的左端设有后挡板，转轴外设有前轴承和后轴承，前轴承设在前挡板右端，后轴承设在后挡板左端。
所述的磁钢共有8个。
本发明的有益技术效果在于：
（1）本发明提供的一种高比功率宽调速伺服电机采用8极9槽的电磁设计方案，该结构能够消除齿谐波基波及2～7次谐波，配合采用双层绕组能够大幅减少转矩波动，使小体积高速伺服电机具有较大的功率密度和较小的转矩波动；
（2）采用长径比为2.5的细长结构，降低了转动惯量，提高电机输出功率，在外形尺寸为Φ45mm×125mm的空间内，实现了500W伺服电机的轻小型化结构设计，也实现了0.7kW/kg的高比功率和0～12000rpm的高调速范围。
附图说明
图1为本发明所提供的一种高比功率宽调速伺服电机的轴向剖视图；
图2为伺服电机的径向剖视图；
图3为定子一个槽的轴向结构示意图；
图4为定子铁芯的径向示意图；
图5为图3中A-A剖面示意图；
图6为转子的轴向剖视图；
图7为图6中B-B剖面示意图。
图中：10.定子，20.转子，30.端盖，40.弹性销，50.旋转变压器，60.卡箍，70.尾罩，11.机壳，13.螺钉，121.定子铁芯，122.三相绕组，123.引线，124.槽绝缘，125.层间绝缘，126.槽楔，21.转轴，22.磁钢，23.磁轭，24.前挡板，25.后挡板，26.钢套，27.前轴承，28.后轴承。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1和图2所示，本发明提供的一种高比功率宽调速伺服电机包括：机壳11、定子10、转子20、端盖30、弹性销40、旋转变压器50、卡箍60和尾罩70。定子10设在转子20外部。旋转变压器50的输入端与转子20的转轴21固定连接，转轴21带动旋转变压器50的输入端旋转。定子10和转子20设在机壳11内部，定子10和机壳11通过螺钉13固定连接。端盖30的右端与机壳11的左端通过弹性销40固定连接，尾罩70的右端与端盖30的左端通过螺钉固定连接。旋转变压器50设在尾罩70和端盖30内部，旋转变压器50通过卡箍60与端盖30内壁连接。
如图3所示，定子10包括定子铁芯121和三相绕组122，三相绕组122设在定子铁芯121内部，三相绕组122的输出端焊接引线123。定子铁芯121如图4所示。定子铁芯121上沿周向均匀开有9个槽，槽形为平底半开口梯形，槽口宽度为1.2mm，上底宽5.68mm，深度为6.5mm，槽与槽之间的齿宽为3.4mm，槽底倒角为R0.8。定子铁芯121外径为Φ40mm，内径为Φ24mm，轴向长度为60mm。定子铁芯121的长径比为60mm/24mm=2.5，这种较大的长径比可以降低转动惯量，提高电机输出功率。如图5所示，每个槽的槽口处均各自设有槽楔126，每个槽内均各自设有槽绝缘124，槽绝缘124分别与定子铁芯121的内壁和槽楔124的顶端紧密贴合，每个槽内均各自设有层间绝缘125，层间绝缘125的两端分别与槽绝缘124的两侧内壁紧密贴合，层间绝缘125将槽内分为两层，每层内平行排布8匝三相绕组122。槽绝缘124和层间绝缘125采用6层聚酰亚胺薄膜或一层聚酰亚胺复合材料。三相绕组122为由3根漆包铜圆线并绕成的3个线圈，所用的铜线为220℃耐温等级的聚酰亚胺漆包铜圆线。
如图6所示，转子20包括转轴21、磁钢22、磁轭23、前挡板24、后挡板25、钢套26、前轴承27和后轴承28。磁轭23与转轴21滚花过盈配合。磁钢22有8个，为瓦片形，选择2:17型稀土钴材料。磁钢22采用耐高温的胶粘剂均匀地粘贴在磁轭23外部。磁钢22的外部与钢套26间隙配合。钢套26选用1Cr18Ni9Ti材料，单边厚度范围取0.2mm～0.5mm。钢套26的右端与前挡板24焊接，钢套26的左端与后挡板25焊接。转轴21外设有前轴承27和后轴承28，前轴承27设在前挡板24右端，后轴承28设在后挡板25左端。前轴承27和后轴承28采用耐温250℃的深沟球轴承。
这种8片磁钢22、9个定子槽的结构为“8极9槽”结构。采用相近极槽数能够有效降低齿槽转矩，而“8极9槽”为电机在小体积、高转速下的最优组合。该结构能够消除齿谐波基波及2～7次谐波，配合采用双层绕组能够大幅减少转矩波动，使小体积高速伺服电机具有较大的功率密度和较小的转矩波动。
本发明的工作过程为：给外接的电机控制器中供直流母线电压DC56V。电机控制器通过引线123给三相绕组122通入三相正弦波电流，三相绕组122产生磁场，于是在三相交流电流产生的磁场和磁钢22产生的磁场相互作用下产生电磁转矩，驱动转子20转动。转子20的位置由旋转变压器50检测，旋转变压器50通过引线将转子位置信号送达电机控制器，电机控制器通过控制算法对电机电流进行闭环控制。由于采用了长径比为2.5的细长型结构和8极9槽的电磁结构，使得高比功率宽调速得到实现，在Φ45mm×125mm的空间内，实现了500W伺服电机的轻小型化结构设计，也实现了0.7kW/kg的高比功率和0～12000rpm的高调速范围。
上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。

Claims (5)

1.一种高比功率宽调速伺服电机，其特征在于：它包括定子（10）、转子（20）、机壳（11）、端盖（30）、旋转变压器（50）、卡箍（60）和尾罩（70），定子（10）设在转子（20）外部，旋转变压器（50）的输入端与转子（20）的转轴（21）连接，定子（10）和转子（20）设在机壳（11）内部，端盖（30）的右端与机壳（11）的左端固定连接，尾罩（70）的右端与端盖（30）的左端固定连接，旋转变压器（50）设在尾罩（70）和端盖（30）内部，旋转变压器（50）通过卡箍（60）与端盖（30）内壁连接。
2.根据权利要求1所述的一种高比功率宽调速伺服电机，其特征在于：所述的定子（10）包括定子铁芯（121）和三相绕组（122），三相绕组（122）设在定子铁芯（121）内部，定子铁芯（121）上沿周向均匀开有若干个槽，每个槽的槽口处均各自设有槽楔（126），每个槽内均各自设有槽绝缘（124），槽绝缘（124）分别与定子铁芯（121）的内壁和槽楔（124）的顶端连接，每个槽内均各自设有层间绝缘（125），层间绝缘（125）的两端分别与槽绝缘（124）的两侧内壁连接，层间绝缘（125）将槽内分为两层，每层内平行排布若干匝三相绕组（122）。
3.根据权利要求2所述的一种高比功率宽调速伺服电机，其特征在于：所述的定子铁芯（121）上沿周向均匀开有9个槽。
4.根据权利要求2所述的一种高比功率宽调速伺服电机，其特征在于：所述的转子（20）包括转轴（21）、磁钢（22）、磁轭（23）、前挡板（24）、后挡板（25）、钢套（26）、前轴承（27）和后轴承（28），磁轭（23）设在转轴（21）外部，若干个磁钢（22）均匀地设在磁轭（23）外部，磁钢（22）外部设有钢套（26），钢套（26）的右端设有前挡板（24），钢套（26）的左端设有后挡板（25），转轴（21）外设有前轴承（27）和后轴承（28），前轴承（27）设在前挡板（24）右端，后轴承（28）设在后挡板（25）左端。
5.根据权利要求4所述的一种高比功率宽调速伺服电机，其特征在于：所述的磁钢（22）共有8个。
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